户外光伏组件接线盒鼓包失效分析

张栋兵，孟庆法

(无锡市检验检测认证研究院，无锡 214101)

0 引言

近年来，随着采用高效新技术的高光电转换效率、高发电量的光伏组件成为市场主流产品，对于光伏组件的接线盒旁路二极管(下文简称为“二极管”)等关键零部件提出了更高要求[1]。在整个光伏发电系统中，接线盒作为光伏组件的重要组成部分，主要作用是将光伏组件产生的电力与外部线路连接，传导产生的电流，其质量是否可靠，直接关系到光伏组件发电的稳定性与连续性。文献[2]的研究表明：在实际光伏发电系统中可能因静电引起二极管击穿，从而造成接线盒和光伏组件烧毁。文献[3]的研究表明：雷电感应过电压会导致光伏组件二极管击穿，但需要出现足够大且持续时间足够长的反灌电流，才能烧毁二极管。文献[4]的研究表明：高额顺向电流有很低的概率会造成二极管击穿，过大电压冲击会导致二极管击穿失效。文献[5]的研究表明：户外光伏电站实际运行中会因感应雷击导致二极管击穿失效。上述研究主要是针对二极管的击穿进行分析测试，很少从通过模拟测试来复现相关现象的角度来开展研究。基于此，本文以中国西北地区某户外光伏电站为例，针对该电站中光伏组件出现的接线盒鼓包情况，拆取正常光伏组件至实验室进行二极管短路电流下的热性能、反向电流过载下的热性能、热逃逸性能的模拟测试分析。

1 实验样品

以中国西北地区某户外光伏电站为例，以从该电站拆回的接线盒无鼓包的光伏组件作为实验样品，重点进行光伏组件二极管相关测试分析。该光伏组件的铭牌标称信息如表1 所示。

表1 光伏组件的铭牌标称信息Table 1 Nameplate nominal information of PV module

正常与鼓包的光伏组件接线盒的照片如图1所示。

图1 正常与鼓包的光伏组件接线盒的照片Fig. 1 Photos of normal and bulging PV module junction boxes

2 测试设计

2.1 短路电流下的热性能测试

根据经验分析，接线盒鼓包主要是因为内部发热引起，因此根据IEC 61215：2005《Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules ——

Design qualification and type approval》[6]的测试条件，主要模拟测试在不同短路电流下二极管表面的温度变化情况。但在测试结束后不再按照该标准进行光伏组件外观、最大功率和绝缘性能测试，也不再按照标准中的要求进行二极管结温、光伏组件功率衰减、绝缘等合格与否的判定，而是仅测试施加不同倍率的短路电流时二极管的发热性能。

2.1.2 测试条件

参照IEC 61215：2005[6]，将光伏组件二极管短路，然后将用于温度测试的热电偶粘接在二极管表面，盖上接线盒盒盖后将待测光伏组件放入环境箱，加热光伏组件至75 ℃，对光伏组件二极管分别施加标准条件(1 倍和1.25 倍短路电流)和模拟条件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍短路电流)，1 h 后测试每个二极管的表面温度。

测试时的接线盒连线图如图2 所示，测试时的测试条件如表2 所示。

表2 短路电流下热性能测试时的测试条件Table 2 Test conditions for thermal performance testing under short-circuit current

图2 测试时的接线盒连线图Fig. 2 Wiring photo of junction box during testing

2.2 反向电流过载下的热性能测试

2.2.1 测试内容

分别进行不同倍率最大保护电流条件下的反向电流过载测试，评估光伏组件在反向电流过载下的热性能，判断是否会发生起火或燃烧等危险情况。

2.2.2 测试条件

环氧树脂混凝土在桥梁工程中的应用前景十分可观，具有耐久性好、韧性强的特点，且环氧树脂混凝土的强度比一般的混凝土强度增长速度快，对于温度的要求没有普通混凝土严格，在低温或者常温下也可以进行固化。环氧树脂混凝土是一种有机复合材料，混凝土保留了原有的特性，同时环氧树脂混凝土的黏附性很好，是一种适合桥梁快速修补的材料[5]。

参照IEC 61730-2：2004《Photovoltaic(PV)

module safety qualification—— Part 2: requirements for testing》[7]，光伏组件朝下放置在松木板上，背面覆盖棉花布面织物，短路所有二极管，分别进行标准条件(1.35 倍最大保护电流)和模拟条件(1.5 倍、2 倍、2.5 倍最大保护电流)下的反向电流过载测试，每次测试持续2 h 后查看光伏组件是否有异常。测试时的测试条件如表3 所示。

表3 反向电流过载下热性能测试时的测试条件Table 3 Test conditions for thermal performance testing under reverse current overload

2.3 热逃逸性能测试

2.3.1 测试内容

在反向偏置电流增加的情况下，光伏组件二极管温度会升高，持续漏电流会造成二极管温度增加，严重时会因为温升和漏电流造成二极管损坏。本测试是为了验证二极管工作时是否会出现失效，从而无法恢复其性能。

2.3.2 测试条件

参 照IEC 62979：2017《Photovoltaic modules——Bypass diode：thermal runaway test》[8]进行二极管热逃逸测试。在室温下，给二极管施加反向偏压(即二极管所在光伏组串在标准测试条件下的开路电压，约12.7 V)，并测量初始反向电流Irev1；给二极管施加正向1.25 倍短路电流，挑选温度最高的二极管为待测二极管；将待测二极管放入90 ℃环境箱中，同时给二极管施加正向1.25 倍短路电流，保持40 min；然后在10 ms 内给二极管施加同样的反向偏压，并观察被测二极管的反向电流和温度的变化；最后将二极管样品从环境箱中取出，待样品降至室温后，施加同样的反向偏压，并测量最终的反向电流Irev2。

3 测试结果分析

3.1 短路电流下热性能测试的测试结果分析

不同短路电流下1#～3#二极管的热性能测试的测试结果如图3 所示。

图3 不同短路电流下3 根二极管的热性能测试的测试结果Fig. 3 Test results of thermal performance testing of three diodes under different short-circuit currents

从图3 可以看出：随着加载电流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二极管表面最高温度呈现指数级增长。在施加高倍短路电流(2.50Isc)作用下，3 根二极管表面最高温度均在190.0 ℃以上，最高达到222.5 ℃，此时二极管引脚均出现发黑，灌封胶出现熔化和结晶现象，如图4 所示。上述测试结果表明：在2.50Isc作用下，二极管易产生极高温度，引发接线盒灌封胶高温熔化，最终导致接线盒鼓包，严重时会出现二极管烧穿，光伏组件烧坏失效的情况。

图4 2.50Isc 作用下接线盒的内部状况Fig. 4 Internal condition of junction box under action of 2.50Isc

3.2 反向电流过载下热性能测试的测试结果分析

分别进行不同倍率最大保护电流(1.35IF、1.50IF、2.00IF、2.50IF)条件下的反向电流过载测试，测试结果显示：不同倍率最大保护电流测试后的接线盒能够正常工作，二极管压降依旧正常，正向导通，反向截止，也未发生接线盒鼓包或烧穿现象，性能均合格。2.50IF条件下热性能测试后的接线盒外观照片如图5 所示。

图5 2.50IF 条件下热性能测试后的接线盒外观照片Fig. 5 Appearance photo of junction box after thermal performance testing at 2.50IF condition

上述研究结果说明：二极管的反向过电流能力满足标准要求，接线盒鼓包与二极管反向电流过载下的热性能无直接关系。

3.3 热逃逸测试的测试结果分析

热逃逸测试后二极管的性能结果如表4所示。

表4 热逃逸测试后二极管的性能结果Table 4 Performance results of diodes after thermal runaway testing

测试结束后二极管的最终反向电流仅在初始反向电流的1.2～1.4 倍之间，并且二极管功能完好，正向导通，反向截止，没有发生烧焦熔化现象，壳体也未损坏，全部符合标准中规定的“Irev2不应大于5 倍Irev1”的要求。

热逃逸测试后接线盒的内部照片如图6所示。

图6 热逃逸测试后接线盒的内部照片Fig. 6 Internal photo of junction box after thermal runaway testing

4 结论

本文以中国西北地区某户外光伏电站为例，针对该电站中光伏组件出现的接线盒鼓包情况，拆取正常光伏组件至实验室进行了二极管短路电流下的热性能、反向电流过载下的热性能、热逃逸性能的模拟测试分析。测试结果显示：

1) 随着加载的短路电流(Isc、1.25Isc、1.50Isc、2.00Isc、2.50Isc)的增加，二极管表面最高温度呈现指数级增长。在施加高倍短路电流(2.50Isc)作用下，二极管表面最高温度达到222.5 ℃时二极管引脚出现发黑，灌封胶出现熔化和结晶现象。

2)反向电流过载模拟测试后接线盒能够正常工作，二极管压降依旧正常，未发生接线盒鼓包或烧穿，说明接线盒鼓包与二极管反向电流过载无直接关系。

3) 热逃逸测试后二极管性能仍能满足相关国际标准要求。