高覽電氣（上海）有限公司 ■ 杜曉牧

光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器的發(fā)展與應(yīng)用

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介紹光伏系統(tǒng)中用于過電流保護(hù)的熔斷器的發(fā)展歷程，通過對(duì)IEC和UL標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于光伏熔斷器部分的規(guī)定，結(jié)合國(guó)內(nèi)外知名逆變器和直流匯流箱的制造廠家的工程實(shí)踐，給出正確選用光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器的注意事項(xiàng)。

過電流保護(hù)；gPV級(jí)熔斷器；光伏直流匯流箱；大功率集中式逆變器

0　引言

1864年電氣工業(yè)就采用鉑絲作為熔斷器來保護(hù)海底電纜。熔斷器誕生于白熾燈的時(shí)代，擁有超過150年的應(yīng)用歷史。熔斷器從未過時(shí)且由于公認(rèn)的可靠性成為電氣線路保護(hù)的“常青樹”，并被譽(yù)為線路保護(hù)“最后的防線”。

熔斷器對(duì)直流電氣系統(tǒng)的線路保護(hù)可追溯到1879年，湯伯生(Thampson)教授在當(dāng)年生產(chǎn)了一種改進(jìn)型的熔斷器，由兩根鐵絲連接到一個(gè)金屬球上，該球是用鉛、錫合金或其他低熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料制成。當(dāng)有足夠大的電流在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)通過熔斷器時(shí)，金屬球就會(huì)熔化而墜落，從而導(dǎo)線分開，電路斷開。值得注意的是，約在1890年前，大部分電路采用直流電流，因此電路突然斷開后，無疑會(huì)產(chǎn)生電弧。所以，熔斷器的保護(hù)率先應(yīng)用于直流環(huán)境，之后才應(yīng)用于交流環(huán)境。

熔斷器的基本原理是讓一小段導(dǎo)電材料在必要時(shí)熔斷，使得被保護(hù)電路的健全部分免受損害，并將故障部分的損壞限制在盡可能小的范圍內(nèi)。根據(jù)額定電流的大小，熔斷器可由一根或數(shù)根熔體并聯(lián)組成。當(dāng)有足夠大的過電流通過熔斷器時(shí)，熔體熔化，隨后產(chǎn)生電弧[1]。

1　熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)——質(zhì)量的基石

早在1931年，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)IEC就已明確：

1)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的每個(gè)熔斷器都應(yīng)能在額定電流范圍內(nèi)持續(xù)使用；

2)過載引起電流超過某一規(guī)定值時(shí)，熔斷器應(yīng)當(dāng)能在足夠短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，以保護(hù)設(shè)備免受損壞；

3)當(dāng)設(shè)備或線路發(fā)生事故時(shí)，熔斷器應(yīng)迅速動(dòng)作，以使事故部分受損最小，同時(shí)不使健全部分遭受損壞[2]。

所以，熔斷器必須具有反時(shí)間-電流特性。對(duì)于任何使用場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)正確選用熔斷器，一旦故障發(fā)生，能使故障程度得到正確鑒別，以避免不必要的斷路。表1列出了光伏行業(yè)應(yīng)用的各國(guó)和地區(qū)的熔斷器標(biāo)準(zhǔn)。

表1　光伏熔斷器標(biāo)準(zhǔn)在各國(guó)和地區(qū)的實(shí)施情況

2　熔斷器在歐美國(guó)家光伏系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用

在歐美國(guó)家參與設(shè)計(jì)與分析整個(gè)光伏系統(tǒng)的研究人員，經(jīng)過仔細(xì)比較與衡量選用了熔斷器作為光伏直流系統(tǒng)中過電流保護(hù)的低壓電器，這推動(dòng)了熔斷器在光伏行業(yè)的普遍應(yīng)用。John Wiles教授曾在2008年撰文指出，之所以在超過150 V直流的環(huán)境下推薦采用熔斷器作為過電流保護(hù)裝置，是將電流等級(jí)、有效性和較低的成本進(jìn)行綜合考慮的結(jié)果[3]。

可以發(fā)現(xiàn)，在光伏組件的標(biāo)簽上都會(huì)標(biāo)注有“Series Fuse”或“Maximum Series Fuse”一項(xiàng)，即與組件串聯(lián)的熔斷器的最大電流等級(jí)。由表2可知，由于太陽電池板制造工藝的不同，導(dǎo)致短路電流的差異性很大。

表2　光伏組件短路電流與串聯(lián)熔斷器的最大電流等級(jí)統(tǒng)計(jì)

3　熔斷器在整個(gè)光伏系統(tǒng)的使用位置和種類

以ABB公司在北美市場(chǎng)推出的逆變器為例，在歐美國(guó)家和地區(qū)的光伏系統(tǒng)中，熔斷器的使用一般有如下幾個(gè)位置[4]：

1)直流匯流箱進(jìn)線側(cè)：保護(hù)太陽電池組串(gPV級(jí)熔斷器，IEC 60269-6)；

2)集中式逆變器直流進(jìn)線側(cè)：保護(hù)直流側(cè)進(jìn)線連接(gPV級(jí)熔斷器)；

3)集中式逆變器內(nèi)部模塊保護(hù)：保護(hù)逆變器模塊(aR級(jí)熔斷器，IEC 60269-4)；

4)集中式逆變器內(nèi)充電接觸器的熔斷器保護(hù)：預(yù)充電回路接觸器保護(hù)(gPV級(jí)熔斷器)；

5)接地故障報(bào)警檢測(cè)GFPD：用于接地故障報(bào)警(gPV級(jí)熔斷器)；

6)集中式逆變器交流側(cè)：保護(hù)逆變器模塊和交流側(cè)主線路電器(aR級(jí)熔斷器)。

其中，aR和gPV級(jí)熔斷器是熔斷器的種類。熔斷器在光伏系統(tǒng)中的使用共計(jì)6個(gè)位置，熔斷器承擔(dān)了匯流箱和逆變器幾乎全部直流側(cè)的過電流保護(hù)和大部分交流側(cè)的過電流保護(hù)。

表3列舉了熔斷器常見種類，從其使用位置來看，可知熔斷器在集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中是電力電子線路保護(hù)的主流產(chǎn)品。從歐美地區(qū)大面積和長(zhǎng)時(shí)間的使用情況來看，只要能夠正確選用熔斷器，不但能長(zhǎng)期穩(wěn)定保護(hù)整個(gè)電氣系統(tǒng)內(nèi)的元器件，更能有效保護(hù)集中式逆變器本身。

表3　常見熔斷器的使用類別

表3中，第一個(gè)小寫字母表示熔斷器的分?jǐn)喾秶?；第二個(gè)及以后的大寫字母表示特性，即標(biāo)明使用類別，定義應(yīng)用范圍。

1)“g”代表全范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟囿w，意指該熔斷體能夠分?jǐn)鄰淖钚∪刍娏髦敝疗浞謹(jǐn)嗄芰Φ乃羞^電流。全范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟囿w能用作單獨(dú)的保護(hù)器件。

2) “a”代表部分范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟囿w，意指該熔斷體只能夠分?jǐn)嗥漕~定電流的某個(gè)倍數(shù)的高電流。部分范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟囿w只能用于短路保護(hù)，因此可用于與其他提供過流保護(hù)的器件的組合。范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟囿w也常用作其他有較低分?jǐn)嗄芰Φ拈_關(guān)器件(如接觸器或斷路器)的后備保護(hù)。

4　gPV級(jí)熔斷器概念的提出

gPV既可認(rèn)為是用于光伏直流系統(tǒng)的普適性熔斷器，也代表其是全范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳌?/p>

這類熔斷器的概念是隨著IEC 60269-6標(biāo)準(zhǔn)的提出而誕生的，此前歐洲地區(qū)曾采用gR作為直流側(cè)的保護(hù)用熔斷器，gPV級(jí)熔斷器的概念提出后，gR熔斷器在光伏直流側(cè)的位置被取代。美國(guó)UL 2579標(biāo)準(zhǔn)(Fuses for Photovoltaic Systems)最初在2007年12月提出，這些標(biāo)準(zhǔn)的提出是基于熔斷器的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)UL 248之上，規(guī)定了更多符合光伏線路保護(hù)特點(diǎn)的試驗(yàn)要求。

IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷體(gPV級(jí)熔斷器)用于直流電路應(yīng)滿足如下要求[5-7]：

1)額定分?jǐn)嗄芰ψ畹椭禐橹绷?0 kA。

2)約定不熔斷電流Inf=1.13 In，約定熔斷電流If=1.45 In(注：UL標(biāo)準(zhǔn)中約定熔斷電流If=1.35 In)，其中， In為熔斷體的額定電流。

3)額定電流驗(yàn)證以3000個(gè)電流循環(huán)進(jìn)行。

4)增加可接受的熱感應(yīng)漂移水平驗(yàn)證和在極端溫度條件下的功能驗(yàn)證。另外，熔斷體的約定電流和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)應(yīng)安排在可接受的熱感應(yīng)漂移水平的驗(yàn)證(即溫度循環(huán))結(jié)束后，且測(cè)試品應(yīng)恢復(fù)至室溫(25±5 ℃)至少3 h后繼續(xù)進(jìn)行。

電流循環(huán)測(cè)試就是針對(duì)光伏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程環(huán)境下不斷變化的溫度和電流負(fù)荷，保障gPV級(jí)熔斷器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。而且標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的只是最低的要求，從實(shí)際使用來看，歐美地區(qū)的熔斷器在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)非常穩(wěn)定與可靠。

另外，gPV級(jí)熔斷器在預(yù)報(bào)整個(gè)光伏直流系統(tǒng)的接地故障中貢獻(xiàn)非常大，2013年美國(guó)的圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室選取了共8家熔斷器制造商的gPV熔斷器作為研究對(duì)象，深入研究了接地故障報(bào)警(GFPD)的敏感度問題[8]。

對(duì)于gPV級(jí)熔斷器在時(shí)間電流曲線上和其他熔斷器的區(qū)別，圖1可以看出gPV級(jí)熔斷器響應(yīng)速度非常快，在進(jìn)入1.45 In(UL標(biāo)準(zhǔn)If=1.35In)的熔斷電流范圍內(nèi)就開始熔斷，保證在直流環(huán)境下，系統(tǒng)短路故障電流較低的情況下也能夠迅速有效地分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

由于直流電流本身的特點(diǎn)(與交流電流相比沒有過零點(diǎn)的情況)，直流熔斷器動(dòng)作越快，才會(huì)更有效地降低短路故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊，做到分?jǐn)嘀绷鞴收想娏骺煽俊?/p>

圖1　gPV級(jí)熔斷器與其他類型熔斷器的曲線的區(qū)別[9]

5　正確選用匯流箱進(jìn)線側(cè)的gPV級(jí)熔斷器

5.1光伏熔斷器額定電壓等級(jí)的確定

式中，Un為需要選取的光伏熔斷器的額定電壓；Uoc(STC)為在STC條件下測(cè)得的光伏系統(tǒng)的開路電壓(STC，即室溫下輻照度為1000 W/m2時(shí))。

需要注意的是，根據(jù)NEC 690.7的規(guī)定，若光伏系統(tǒng)需要在-40 ℃以下的溫度運(yùn)行，應(yīng)將系數(shù)1.2提升為1.25。

5.2光伏熔斷器安培等級(jí)確定步驟

1)判定最大線路電流Imax。對(duì)于光伏線路輸出的Imax，應(yīng)按照并聯(lián)在一起的各組串的額定短路電流之和乘以1.25的安全系數(shù)來考慮，以n串為例，公式為：

NEC 690.8-A中(1)和(2)項(xiàng)條款的此項(xiàng)規(guī)定是考慮到組件的額定短路電流Isc是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境(STC)下測(cè)得，但當(dāng)光伏組件運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)的極端環(huán)境下時(shí)，如在冬季低溫且光照強(qiáng)，或由于積雪的反射增強(qiáng)了幅照度等情況下，太陽電池板的輸出電流將會(huì)超過Isc，所以NEC規(guī)定需要將Isc乘以1.25的系數(shù)來計(jì)算Imax。

2)判定名義上的熔斷器安培等級(jí)。NEC 690.8-B-1-a項(xiàng)條款規(guī)定，考慮過電流保護(hù)裝置保險(xiǎn)系數(shù)時(shí)不能低于125％，換句話說就是過電流保護(hù)裝置不能在其名義安培等級(jí)下超過80％范圍內(nèi)持續(xù)工作(1/0.8=1.25=125％)。

3)如有必要，需要對(duì)超出正常工作范圍的極端環(huán)境進(jìn)行降容處理。

式中，Irated為需要選取熔斷器的額定值；Kf為降容系數(shù)，此參數(shù)可由熔斷器制造廠家提供的降容曲線來確定。

4)確定熔斷器的電流等級(jí)。Irated通常情況下不是正好等于熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)電流等級(jí)，應(yīng)按照較高的電流等級(jí)確定屬于標(biāo)準(zhǔn)電流等級(jí)的熔斷器。匯流箱內(nèi)使用的熔斷器電流等級(jí)有如下安培數(shù)(單位：A)：1，2，3，4，5，6，7，8，10，12，15，16，20，25。

5)驗(yàn)證熔斷器保護(hù)的電纜。需要驗(yàn)證選取的標(biāo)準(zhǔn)電流等級(jí)的熔斷器安培數(shù)≤選取的電纜導(dǎo)體的安培等級(jí)，若不符合要求，出于安全考慮，需要將電纜的線徑提升。

根據(jù)以上光伏熔斷器安培等級(jí)確定的5步驟，可得：

5.3工程實(shí)踐注意事項(xiàng)

在工程實(shí)踐中還需要注意事項(xiàng)為[10,11]：

1)若熔斷器安裝的環(huán)境溫度可能超過40 ℃，考慮將其安裝到陰涼處，盡量避免陽光直射。這將減輕熔斷器的受熱程度，對(duì)于溫度引起的降容將無需再考慮。

2)如果無法避免溫度超過40 ℃，需要考慮高溫的持續(xù)時(shí)間。如果熔斷器暴露在高溫的持續(xù)時(shí)間不超過2 h，對(duì)于溫度引起的降容也無需再考慮。

3)如果需要降容，可按照熔斷器制造廠提供的降容系數(shù)表進(jìn)行考慮。

4)在戶外現(xiàn)場(chǎng)的匯流箱工作溫度可達(dá)50 ℃，若被陽光直射，內(nèi)部溫度會(huì)達(dá)到或超過55～60 ℃，這時(shí)需要考慮降容。經(jīng)過降容考慮的熔斷器的安培等級(jí)可能會(huì)更高，但該電流等級(jí)(在寒冷環(huán)境下的)不能超過光伏直流電纜的安培等級(jí)和組件背面標(biāo)注的推薦熔斷器的安培等級(jí)。

6　結(jié)論

目前gPV級(jí)光伏熔斷器在光伏系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。一方面由于熔斷器是質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的過電流保護(hù)裝置，另一方面是由于熔斷器自身技術(shù)的不斷發(fā)展，非常適合于高壓直流環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和運(yùn)維人員只要掌握好gPV級(jí)熔斷器的選用原則和方法，將會(huì)給光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來切實(shí)有效的保護(hù)。

[1] (英). 萊特, (英)牛伯來. 蔡龍權(quán)[譯]. 熔斷器[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1987.

[2] 王季梅. 低壓熔斷器[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1979.

[3] John Wiles. To fuse or not to fuse?[EB/OL]. http:// iaeimagazine.org/magazine/2008/05/16/questions-from-the-ahj-tofuse-or-not-to-fuse, 2008-05-16.

[4] The ABB group. Hardware manual PVS800-57 central inverters (100 to 1000 kW). [EB/OL]. 2014-07-09. https://library. e.abb.com/public/.../EN_PVS800_57_HW_H_A4_screen.pdf.

[5] 吳慶云，梁利娟. 太陽能光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷體標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 低壓電器, 2013, (7): 47-49.

[6] GB/T 13539.6-2013, 低壓熔斷器 第6部分太陽能光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷體的補(bǔ)充要求[S].

[7] IEC 60269-6(2010) Ed.1, Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[8] Flicker Jack D, Jay Johnson. Photovoltaic ground fault and blind spot electrical simulations [EB/OL]. http://energy.sandia. gov/wp-content/gallery/uploads/SAND2013-3459-Photovoltaic-Ground-Fault-and-Blind-Spot-Electrical-Simulations.pdf, 2013-06.

[9] Franck Ageron. Safe photovoltaic systems[EB/OL]. http:// www.powersystemsdesign.com/safe-photovoltaic-systems/34, 2011-10-07.

[10] John Wiles. Conductor sizing ＆amp; over-current device ratings[EB/OL]. http://iaeimagazine.org/magazine/2011/01/16/ conductor-sizing-and-overcurrent-device-ratings/, IAEI NEWS, 2011-02.

［11］ Ryan Mayfield. PV circuit sizing ＆amp; current calculations［EB/ OL]. http://www.homepower.com/articles/solar-electricity/ design-installation/code-corner-pv-circuit-sizing-currentcalculations,Home Power 159, 2014-03.

2015-11-17

杜曉牧(1983—)，男，工程師，主要從事光伏系統(tǒng)過電流保護(hù)和低壓電器應(yīng)用方面的研究。duxiaomu@163.com