管 兆 杰

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

隨著“碳中和”目標(biāo)的不斷深化,今后光伏設(shè)施的投入在能源中的占比將會(huì)越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起由于電氣故障未能及時(shí)分?jǐn)嘀绷麟娏?導(dǎo)致直流電流能量持續(xù)注入,引起電氣連接燒毀,甚至?xí)绊懴到y(tǒng)中其他元器件。隔離開關(guān)的臨界負(fù)載電流試驗(yàn)考核目的是驗(yàn)證隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)能否滿足熄滅額定電流以下的所有直流電?，F(xiàn)在多數(shù)直流開關(guān)的滅弧原理采用觸頭串聯(lián)及柵片滅弧室結(jié)構(gòu),由于產(chǎn)品在分?jǐn)嚯娏鲿r(shí),作用于直流電弧的電磁力與電流大小有關(guān),電流越大,越有利于將電弧拉進(jìn)入滅弧室;電流越小,越不利于將電弧拉進(jìn)入滅弧室,因此有臨界負(fù)載電流這一現(xiàn)象。由于光伏直流輸出主要由陽(yáng)光因素影響,電流的波動(dòng)性很大,所以臨界負(fù)載電流試驗(yàn)有重要意義。

1 試驗(yàn)原理

光伏系統(tǒng)是通過(guò)太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)光照的能量用來(lái)轉(zhuǎn)換成電能的一種系統(tǒng),用光伏電池板將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為電流。光伏電池板是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣。在有太陽(yáng)輻射的條件下,光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池組件陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換輸出的電能,經(jīng)過(guò)直流匯流箱,集中送入功率轉(zhuǎn)換設(shè)備[1],如逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載。光伏系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

自然環(huán)境提供的光線會(huì)為光伏電池提供電流輸出,同時(shí)間其電壓輸出則與電池溫度成反比例。由于直流電不會(huì)自動(dòng)經(jīng)過(guò)零點(diǎn),比交流電更加難以分?jǐn)?。需用一個(gè)隔離開關(guān)去分?jǐn)嘀绷髫?fù)載。光伏系統(tǒng)直流側(cè)的時(shí)間常數(shù)一般不高,但直流側(cè)的電壓卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流端。隔離開關(guān)單獨(dú)作為匯流箱的主開關(guān),有3個(gè)主要參數(shù)需要注意:額定絕緣電壓,額定工作電壓,額定工作電流。隔離開關(guān)的額定絕緣電壓Ui必須按照整個(gè)光伏系統(tǒng)的開路電壓來(lái)選取。為了在分?jǐn)嗪蟊ＷC可靠的隔離,絕緣電壓必須大于開路電壓;額定工作電壓Ue也須大于光伏系統(tǒng)開路電壓,額定工作電流Ie大于等于所有并聯(lián)的光伏電池組件的短路電流總和[2]。

2 定 義

臨界負(fù)載電流:在工作條件范圍內(nèi)燃弧時(shí)間明顯延長(zhǎng)的分?jǐn)嚯娏髦?該現(xiàn)象源自于電弧電流中的低磁場(chǎng)產(chǎn)生的一個(gè)慢移動(dòng)電弧,對(duì)于光伏應(yīng)用至關(guān)重要。

光伏系統(tǒng)中隔離器、隔離開關(guān)和熔斷器組合電氣的分類如下。

(1) DC-PV0:當(dāng)電路中沒(méi)有電流時(shí),斷開與閉合光伏電路以提供隔離。

(2) DC-PV1:在不可能出現(xiàn)反向電流與較大過(guò)電流時(shí)連接與斷開單獨(dú)的光伏組件串。

(3) DC-PV2:連接與斷開可能出現(xiàn)較大過(guò)載電流以及電流方向可以雙向的光伏電路,如幾個(gè)組件串以并聯(lián)方式連至同一個(gè)逆變器,或一個(gè)或多個(gè)組件串并聯(lián)。

臨界負(fù)載電流確定:根據(jù)最大燃弧時(shí)間平均值確定直流負(fù)載電流臨界值[3]。

3 試驗(yàn)方法

(1) 找出產(chǎn)品的臨界負(fù)載電流值,并且此項(xiàng)試驗(yàn)僅針對(duì)具有接通和分?jǐn)喙δ艿墓夥酶綦x開關(guān)或者光伏熔斷器組合電器,隔離器不適用。直流隔離開關(guān)2P臨界負(fù)載電流試驗(yàn)電路圖如圖2所示。

試驗(yàn)電路的預(yù)期短路電流應(yīng)至少為10倍的試驗(yàn)電流值,或者至少為50 kA,兩者取較小值,否則電路前級(jí)負(fù)載會(huì)分去部分壓降而導(dǎo)致恢復(fù)電壓減小,試驗(yàn)考核偏輕[4]。

圖1中,D為試品,Ur1為數(shù)據(jù)采集儀采集到的試驗(yàn)電壓,Ur2和Ur3分別為試品兩級(jí)上采集到的電壓,I1和I2為采集到的產(chǎn)品電流,Z為試品后級(jí)負(fù)載,RL和FU串聯(lián)為飛弧檢測(cè)電路,作用是檢測(cè)故障電流。

試驗(yàn)參數(shù)如下:試驗(yàn)電壓為1 500 V;試驗(yàn)電流為4、8、16、32、63 A(之后按前次電流的2倍,一直到確定出最大電弧時(shí)間,但不能超過(guò)產(chǎn)品的額定電流);時(shí)間常數(shù)為1 ms(制造商可以大于1 ms)。大型光伏電站存在容量大、面積廣,從匯流箱到直流柜,然后再到逆變器等具有距離遠(yuǎn)、電纜彎曲程度高、電纜長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn),一定程度上增加了整個(gè)系統(tǒng)感抗,時(shí)間常數(shù)往往會(huì)大于1 ms[5];飛弧檢測(cè)熔絲直徑0.8 mm;產(chǎn)品按“”、“﹣”標(biāo)志來(lái)接上電源,試品出線端接至后級(jí)負(fù)載,N相接串聯(lián)熔斷器和調(diào)節(jié)電阻接至產(chǎn)品外殼。施加電壓后,合上開關(guān)B,產(chǎn)品分?jǐn)?采集波形,記錄燃弧時(shí)間。每一次試驗(yàn)前應(yīng)手動(dòng)或者機(jī)械分?jǐn)喈a(chǎn)品7次,出現(xiàn)的燃弧時(shí)間最長(zhǎng)的試驗(yàn)電流即為臨界負(fù)載電流,通電時(shí)間不能超過(guò)2 s。

(2) 進(jìn)行臨界負(fù)載電流的接通分?jǐn)嘣囼?yàn),試品可以更換,也可以繼續(xù)同一臺(tái)進(jìn)行接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)100次,按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60947-3:2015中對(duì)應(yīng)的額定電流選取操作循環(huán)次數(shù)。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果判定。產(chǎn)品的滅弧時(shí)間≤1 s,對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)電流值計(jì)算后6個(gè)平均滅弧時(shí)間,如果是有正接反接電流,需計(jì)算每一個(gè)方向上后3個(gè)平均滅弧時(shí)間;試后耐壓,泄漏電流和溫升試驗(yàn)需要驗(yàn)證是否通過(guò)。

4 試驗(yàn)解析

4.1 沒(méi)有臨界負(fù)載電流波形

在試驗(yàn)電流范圍內(nèi),燃弧時(shí)間沒(méi)有在更短倍率試驗(yàn)電流內(nèi)達(dá)到峰值,則產(chǎn)品無(wú)臨界負(fù)載電流。光伏隔離開關(guān)試驗(yàn)電流4 A、8 A、16 A、32 A波形圖分別如圖3～圖6所示。被測(cè)產(chǎn)品DC-PV1額定電壓1 250 V,額定電流32 A。

隔離開關(guān)在經(jīng)過(guò)4 A、8 A、16 A、32 A試驗(yàn)時(shí),所測(cè)得的在每個(gè)電流點(diǎn)上最大燃弧時(shí)間分別為1.4 ms(圖3)、1.71 ms(圖4)、2.40 ms(圖5)和3.37 ms(圖6),通電時(shí)間均小于2 s。燃弧時(shí)間和對(duì)應(yīng)試驗(yàn)電流曲線如圖7所示。

由圖7可以看出,燃弧時(shí)間隨著試驗(yàn)電流增大而增大,但是燃弧時(shí)間在額定電流范圍內(nèi)沒(méi)有明顯達(dá)到峰值,說(shuō)明此款隔離開關(guān)沒(méi)有臨界負(fù)載電流,無(wú)需進(jìn)行臨界負(fù)載電流試驗(yàn)。

4.2 具有臨界負(fù)載電流波形

在試驗(yàn)范圍內(nèi),確定出臨界負(fù)載電流。光伏隔離開關(guān)試驗(yàn)電流4 A、8A、16A、32A、64A波形圖分別如圖8～圖13所示。被測(cè)產(chǎn)品DC-PV2額定電壓1 000 V,額定電流800 A。

隔離開關(guān)在經(jīng)過(guò)4 A、8 A、16 A、32 A、64 A、128 A分?jǐn)嘣囼?yàn)時(shí),所測(cè)得的在每個(gè)電流點(diǎn)上最大燃弧時(shí)間分別為7.4 ms(圖7)、9.92 ms(圖8)、16.48 ms(圖9)、79.99 ms(圖10)、42.88 ms(圖11)、27.26 ms(圖12),通電時(shí)間均小于2 s,隨著試驗(yàn)電流的增大,分?jǐn)嗯R界負(fù)載電流產(chǎn)生的過(guò)電壓越來(lái)越小。隨著試驗(yàn)電流的增大,以負(fù)載的臨界電流燃弧時(shí)間為峰頂,兩側(cè)遞減,呈山峰狀分布[6]。

可以看出燃弧時(shí)間在32 A分?jǐn)鄷r(shí)達(dá)到峰值,此產(chǎn)品的臨界負(fù)載電流為32 A。燃弧時(shí)間和對(duì)應(yīng)試驗(yàn)電流曲線如圖14所示。

4.3 臨界負(fù)載電流試驗(yàn)

隔離開關(guān)在1 000 V、32 A上進(jìn)行100次接通分?jǐn)嘣囼?yàn),光伏隔離開關(guān)臨界負(fù)載電流波形圖如圖15所示,通電時(shí)間421 ms,能量424 A2·s,燃弧時(shí)間38.8 ms,小于IEC 60947-3:2015標(biāo)準(zhǔn)要求的1 s,試驗(yàn)通過(guò)。

5 不同配電產(chǎn)品在光伏系統(tǒng)中臨界負(fù)載試驗(yàn)差異

5.1 光伏斷路器

光伏配電系統(tǒng)中,光伏斷路器越來(lái)越多,斷路器作為電路的開關(guān)裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)分?jǐn)嘟油娐返墓δ?按IEC 60947-2:2016進(jìn)行考核,與隔離開關(guān)IEC 60947-3:2015的考核相似,由于兩者引用的標(biāo)準(zhǔn)相同,因此試驗(yàn)電路圖、試驗(yàn)電流、時(shí)間常數(shù)相同。但是在確定臨界負(fù)載電流時(shí),每個(gè)試驗(yàn)電流點(diǎn)的次數(shù)不同,斷路器由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需是無(wú)極性,因此需在每個(gè)極性分別進(jìn)行5次帶電操作,確保每一試驗(yàn)電流方向合適[7]。

隔離開關(guān)由于對(duì)應(yīng)不同的使用類別,所涉及的開關(guān)類型多樣。對(duì)于DC-PV1,沒(méi)有極性考核要求,只需按負(fù)載標(biāo)志連接。但是對(duì)DC-PV2極性考核有詳細(xì)要求,如果產(chǎn)品每個(gè)電極上觸頭系統(tǒng)與電弧電流流向控制布局不對(duì)稱時(shí),則需在電流一個(gè)方向進(jìn)行4次帶電操作,另一電流方向進(jìn)行3次帶電操作[8]。試后試驗(yàn),隔離開關(guān)如果適用于封閉式電器,則還需要進(jìn)行以太陽(yáng)效應(yīng)驗(yàn)證溫升試驗(yàn)。

5.2 光伏熔斷器

在光伏系統(tǒng)的的短路保護(hù)中也會(huì)采用熔斷器。相當(dāng)于過(guò)電流繼電保護(hù)裝置與開斷裝置合為一體的開關(guān)設(shè)備,發(fā)生故障時(shí)電流變化率很高,特別適合用于直流系統(tǒng)。在集中式光伏并網(wǎng)體系中,匯流箱數(shù)量眾多,每個(gè)光伏組串均需要配置直流熔斷器保護(hù)回路來(lái)切除故障。使用類別為gPV,光伏熔斷器使用一般有幾個(gè)位置:直流匯流箱進(jìn)線側(cè),集中式逆變器直流進(jìn)線側(cè),集中式逆變器內(nèi)部,接地故障報(bào)警檢測(cè)[9]。

用于光伏電路的熔斷器應(yīng)滿足如下要求[10]:

(1) 額定分?jǐn)嗄芰1最低值為直流10 kA,I2試驗(yàn)在最大電弧能量下進(jìn)行,I1的試驗(yàn)中如果滿足了I2試驗(yàn)要求可不必重復(fù),I5試驗(yàn)中熔斷時(shí)間需要大于30 s(填充料不含有機(jī)物)或大于5 min,如果有先進(jìn)行預(yù)熱,切換時(shí)間小于100 ms,熔斷器可在15 s后切換至2倍的額定電流。

(2) 約定不熔斷電流為1.13倍的額定電流,約定熔斷電流為1.45In。電流驗(yàn)證以3 000個(gè)電流循環(huán)進(jìn)行。熔斷器的約定時(shí)間和約定電流如表1所示。

表1 熔斷器的約定時(shí)間和約定電流

(3) 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。熔斷體的約定電流和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)應(yīng)安排在溫度循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行,且測(cè)試品應(yīng)恢復(fù)至25±5 ℃至少3 h后繼續(xù)進(jìn)行。電流循環(huán)模擬了針對(duì)光伏實(shí)際運(yùn)用環(huán)境下不斷變化的溫度和電流負(fù)荷的情況。

(4) 在極端溫度條件下的功能驗(yàn)證,為了模擬光伏熔斷器極端溫度下的工況,在50 ℃下進(jìn)行約定熔斷電流和約定不熔斷電流試驗(yàn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

由于光伏系統(tǒng)的低短路電流、高直流電壓及復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境,隔離開關(guān)作為隔離和分?jǐn)嘌b置已經(jīng)成為主流,按國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求,在逆變器的兩端都需要添加隔離設(shè)備,在逆變器的直流端必須加裝隔離開關(guān),保證逆變器與所有直流源可靠隔離,從而保證光伏系統(tǒng)安全可靠。通過(guò)進(jìn)行臨界負(fù)載電流試驗(yàn),模擬了光伏系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,若線路發(fā)生短路,隔離開關(guān)的有效性和可靠度。