技術(shù)講解：光伏陣列保護(hù)用熔斷器的選擇與分析

光伏(solar photovoltaic，簡稱PV)發(fā)電系統(tǒng)是由能把入射的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的部件和子系統(tǒng)構(gòu)成。其中的光伏陣列是將入射的太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為直流電能的單元，太陽能板組成的陣列和光伏陣列連接箱連接，光伏電流經(jīng)連接箱匯流后輸出到逆變或直接應(yīng)用環(huán)節(jié)。光伏發(fā)電系統(tǒng)約有70%的成本在光伏太陽能板組成的光伏陣列，而從對光伏陣列的保護(hù)和如何充分提高發(fā)電效率成為技術(shù)的重點(diǎn)之一。

為實(shí)現(xiàn)更高效率，要由多個(gè)光伏板串聯(lián)成光伏串，多個(gè)光伏串并聯(lián)成光伏陣列，光伏陣列內(nèi)各光伏串電流匯集到光伏陣列連接箱，再并聯(lián)在光伏發(fā)電器連接箱，其輸出供直接應(yīng)用或經(jīng)逆變等處理。為及時(shí)隔離光伏板出現(xiàn)故障的光伏串，提高發(fā)電效率(光伏板出現(xiàn)故障不發(fā)電時(shí)，則成為消耗電能負(fù)載)，也為為避免安裝階段錯(cuò)接或其他原因引起局部異常接線形成的過流危害，在每一光伏串的兩端安裝了保險(xiǎn)絲后，由于光伏陣列短路電流大于單個(gè)光伏串的電流，因而可致光伏串串聯(lián)的保險(xiǎn)絲熔斷以隔離故障光伏串。在陣列設(shè)置熔斷器,對于下級逆變器元件反饋的電流(如電容或者電容器反饋到光伏陣列和陣列布線的放電),在熔斷器的額定分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)也能對光伏陣列提供保護(hù)。

關(guān)于在光伏系統(tǒng)直流側(cè)的保護(hù)，在美國國家標(biāo)準(zhǔn)NASI/NFPA 70 《National Electrical Code 》之Article 690-Solar Photovoltaic Systems中的690.99條款(Overcurrent Protection)中已明確：光伏子系統(tǒng)電路、光伏輸出電路、逆變器輸出電路和儲能電池電路的導(dǎo)體和設(shè)備應(yīng)當(dāng)按條款240要求予保護(hù)(注：條款240關(guān)于導(dǎo)線和設(shè)備的保護(hù)條文)；我國等同采用IEC60364-7-712:2002《Electrical installations of buildings-Part 7-712:Requirments for special installations or locations-Solar photovoltaic (PV) power supply systems》的GB/T 16895.32-2008《建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場所的要求，太陽能光伏(PV)電源供電系統(tǒng)》(2010-02-01正式實(shí)施)，其中雖在直流側(cè)的過負(fù)荷保護(hù)中提出當(dāng)電纜的連續(xù)載流量等于或大于任何位置1.25倍的Isc stc時(shí)(Isc stc為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的短路電流)，PV串和PV陣列電纜的到過負(fù)載保護(hù)可以忽略(該為標(biāo)準(zhǔn)的712.433.1和.2)，但是標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)注明：上述要求僅是關(guān)于電纜保護(hù)的規(guī)定，同時(shí)也要考慮制造廠關(guān)于PV模塊保護(hù)的說明書;其在關(guān)于光伏陣列連接箱( PV array junction box)的定義中也闡明如需要也可用熔斷器保護(hù)。GB/T 16895.32-2008未硬性規(guī)定要設(shè)置保護(hù)電器的原因，一方面是標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定最低限度的要求，保證施行;但另一主因是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還在制定中。專門針對太陽能光伏系統(tǒng)保護(hù)用的熔斷體標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6：2010，今年10月IEC委員國已投票通過，2011年1-2月份將有可能出版，國家標(biāo)準(zhǔn)也將跟進(jìn)制定；UL在2005年或更早就已設(shè)立了保護(hù)光伏電池組件串和光伏陣列的熔斷體的技術(shù)規(guī)范 ：Subject 2529 OUTLINE OF INVESTIGATION FOR LOW-VOLTAGE FUSES-FUSES FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS，現(xiàn)其最新版是2010版。這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，預(yù)示著，包括中國在內(nèi)IEC各成員國后續(xù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)認(rèn)證要求，可能將會如NASI/NFPA 70那樣考慮直流側(cè)的過流保護(hù)問題，事實(shí)上，業(yè)界現(xiàn)有大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏串和光伏陣列都已設(shè)計(jì)安裝了保險(xiǎn)絲。如下圖，好利來科技HOLLY光伏保險(xiǎn)絲HC10aR 1000V DC和HC10N 600V DC 被廣泛應(yīng)用于PV光伏連接柜中熔斷器A位置、光伏保護(hù)的NH00 1000V 100A和NH1 1000V DC 200A也被應(yīng)用于PV光伏連接柜中熔斷器B位置。

北美標(biāo)準(zhǔn)NASI/NFPA 70已明確規(guī)定，直流側(cè)的保護(hù)電器均要求直流規(guī)格的，對于保護(hù)光伏電池串的熔斷器、即圖中的熔斷器A，要求額定電流In≥1.56Isc (Isc為PV串的短路電流)，額定電壓不小于光伏電池串當(dāng)?shù)刈畹蜏囟葧r(shí)的開路電壓Voc，并提供了修正系數(shù)供計(jì)算實(shí)際使用溫度下Voc;而保護(hù)PV陣列的熔斷器B、其要求1.25限制電流I ≤In1.56Isc ,該位置導(dǎo)線規(guī)格要不小于1.56Isc，所以取電流1.56Isc計(jì)算值以下的系列化規(guī)格中最大的額定電流是合適的。

IEC體系的光伏保險(xiǎn)絲約定熔斷電流為1.45 In、美國Subject 2529技術(shù)規(guī)范對應(yīng)的光伏保險(xiǎn)絲約定熔斷電流為1.35 In，即IEC體系的光伏保險(xiǎn)絲的實(shí)際承載能力約為美國Subject 2529保險(xiǎn)絲的1.1-1.2倍，因而考慮到實(shí)際承載能力的不同，對于圖中的熔斷器A位置的IEC體系的光伏保險(xiǎn)絲應(yīng)參考上述公式In≥1.56Isc修正為In≥1.42Is。所以按修正后的公式算出熔斷器規(guī)格值In，并取大于計(jì)算值且和計(jì)算值最接近的電流等級的熔斷體，另外導(dǎo)線的規(guī)格不要不低于Is，最好大于1.25 Is;同理，對于圖中的熔斷器B位置的IEC體系的光伏保險(xiǎn)絲應(yīng)參考上述公式In1.56Isc修正為In1.42Is，取電流1.42Isc計(jì)算值以下的系列化規(guī)格中最大的額定電流規(guī)格。在熔斷器周圍溫度較高時(shí)，如高出45或在匯流箱中靠近地安裝多個(gè)保險(xiǎn)絲時(shí)，應(yīng)降容使用，降容量按熔斷器廠家建議。

綜上述，在光伏陣列設(shè)置直流光伏保險(xiǎn)絲是很重要的，選擇的光伏保險(xiǎn)絲的額定電壓要考慮光伏板可能使用的最低氣溫時(shí)的開路電壓Voc，額定電流要考慮光伏板使用地最高溫度時(shí)的短路電流Is，以及循環(huán)負(fù)載對長期工作壽命的影響，保證能長期工作的前提下取低額定值，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。