光伏電站一類燒負(fù)極熔斷器故障原因分析

李俊超

（廣州發(fā)展新能源股份有限公司，廣州 510623）

0 引言

管狀熔斷器是一種廣泛使用的電路保護(hù)元件，目的是在某一設(shè)備工作中發(fā)生電流過載或短路等不正常情況下，熔斷器瞬間熔斷，將故障部分的損壞限制在盡可能小的范圍內(nèi)[1-2]。隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，IEC 60269-6 標(biāo)準(zhǔn)的制定，原gR 級熔斷器在光伏直流側(cè)的保護(hù)位置被gPV級熔斷器取代[3]。

針對個別光伏電站頻發(fā)匯流箱負(fù)極保險熔斷故障，開展了深入地調(diào)查、分析。通過現(xiàn)場熔斷器的失效分析、直流匯流箱結(jié)構(gòu)分析、不同品牌熔斷器底座結(jié)構(gòu)比對分析，發(fā)現(xiàn)此類熔斷器故障為非常規(guī)過電流造成，而是A 品牌的熔斷器底座存在設(shè)計缺陷，原因分析如下。

圖1 漁光互補(bǔ)電站直流匯流箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1 設(shè)備概況

1.1 直流匯流箱

漁光互補(bǔ)A電站與地面B光伏電站均采用DC1 000 V、16路防雷直流匯流箱，智能型帶電流采集板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理如圖1～2所示。由圖可見，匯流箱正極由一整條銅排直接匯流。負(fù)極同樣為銅排連接，但各支路上方均串入了采集模塊，搭接固定匯流后接入斷路器。

圖2 直流匯流箱電氣接線原理圖

1.2 熔斷器和熔斷器底座

A 電站與B 電站均采用美國Bussmann 的圓管形熔斷器及A 品牌熔斷器底座。熔斷器規(guī)格為10 mm 38 mm（直徑 長度），型號為PV-15A10F，gPV級光伏發(fā)電專用熔斷器，額定電流15 A，額定電壓DC1 000 V，印度制造。A品牌熔斷器底座為光伏發(fā)電專用熔斷器底座，允許使用溫度為不高于75 ℃的熔斷器或不高于90 ℃的銅熔芯，中國制造。

2 檢查情況

（1）A、B光伏電站檢查。2019年，兩個光伏電站燒負(fù)極保險故障頻發(fā)，尤其在天氣溫度高的時候?，F(xiàn)場檢查保險熔斷大多都發(fā)生在負(fù)極，且熔斷部位集中在熔斷器的下端頭（與底座下觸頭銅夾片相連接），如圖3～4所示。

圖3 A 品牌熔斷器底座解體下觸頭燒灼痕跡

圖4 熔斷器下端頭燒灼發(fā)黑

（2）現(xiàn)場使用萬用表測量負(fù)極母排對地電壓正常，熔斷器下端頭與上端頭開路電壓正常，取出熔斷器測量通斷顯示為斷開。更換新熔斷器后測得支路電流正常。

（3）解體燒斷的熔芯檢查，熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。發(fā)現(xiàn)熔芯下端頭已熔斷，有發(fā)黑燒灼痕跡。熔芯其余部位完好，未見熔斷，如圖6所示。

圖5 熔斷器解體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 熔芯下端頭熔斷

（4）更換熔斷器時，燒壞的熔斷器發(fā)燙，取出的手感溫度較常規(guī)過流熔斷的熔斷器要高。

（5）現(xiàn)場匯流箱開箱蓋測溫，正常運(yùn)行時，負(fù)極保險區(qū)域較正極保險區(qū)域溫度高約10 ℃。

（6）經(jīng)了解其他地面光伏電站，采用同品牌的1 000 V直流匯流箱，同品牌熔斷器，而非采用A 品牌熔斷器底座，則少有發(fā)生燒負(fù)極熔斷器故障。

（7）另了解采用直流匯流箱的分布式光伏電站，其中一電站采用不同品牌的匯流箱，但選用了A 品牌熔斷器底座，也出現(xiàn)了頻發(fā)燒負(fù)極熔斷器故障，且頻發(fā)熔斷部位同A、B光伏電站一致，同為負(fù)極熔斷器的下端。如圖7所示，本分布式光伏電站匯流箱的電氣接線方式與A、B光伏電站匯流箱基本一致，負(fù)極串列上方同樣布置了采集模塊。

通過上述現(xiàn)場檢查和各電站了解、比對分析，初步判斷頻發(fā)燒負(fù)極保險故障主要原因在熔斷器底座的品牌選擇上，次要原因在匯流箱負(fù)極串列上方串接了采集模塊。

圖7 分布式光伏電站匯流箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 原因分析

3.1 采集模塊

采集模塊串接在負(fù)極保險上方，減少了負(fù)極保險區(qū)域的散熱空間，且采集模塊自身有一定阻值，運(yùn)行中也會發(fā)熱。經(jīng)與匯流箱廠家求證，此類匯流箱結(jié)構(gòu)在實(shí)驗室測試，負(fù)極保險區(qū)域會比正極保險區(qū)域高13～15 ℃。

3.2 熔斷器

通過更換熔斷器，測得支路電流正常，判斷接入的陣列組串無過流現(xiàn)象。另外，從熔芯發(fā)熱傳導(dǎo)角度分析[4]，當(dāng)遇到過電流升溫時，熔芯兩頭靠近金屬帽蓋，其散熱性應(yīng)比熔芯中部（完全被石英砂包覆）要好，常規(guī)過電流優(yōu)先熔斷部位應(yīng)在熔芯中部的狹徑處。所以，判斷頻發(fā)燒熔斷器端頭（下端頭）的現(xiàn)象，非瞬時過電流造成。

3.3 熔斷器底座

（1）解體A 品牌熔斷器底座，座觸頭熔斷端的銅夾片、夾片卡簧色澤發(fā)黑，周邊底座塑料殼發(fā)黃，明顯此端頭存在異常發(fā)熱，如圖8～9所示。

圖8 熔斷器底座解體（不含熔斷器）

圖9 熔斷器、座觸頭連接方式

（2）按圖10～13所示的方向和順序，將熔斷器裝入座觸頭，再拔出。發(fā)現(xiàn)熔斷端的座觸頭可輕松拔出熔斷器，表明熔斷器與銅片已無接觸力，夾片和卡簧組成的夾緊力已失效。在通電的過程中，因長期接觸不良，熔斷器端頭持續(xù)發(fā)熱，最終導(dǎo)致熔芯非正常熔斷。

圖10 熔斷器裝入座觸頭

圖11 熔斷器裝好狀態(tài)

圖12 熔斷器拔出座觸頭

（3）對幾組已燒下端頭的底座進(jìn)行拆解，測量比對熔斷端與正常端銅夾片張口距離，發(fā)現(xiàn)同一底座，熔斷端銅夾片開口距離比正常端大0.15～0.43 mm，如表1所示。

表1 上、下端座觸頭與熔斷體接觸的圓弧部位最大開口尺寸

3.4 不同品牌熔斷器底座比對

從同一分布式光伏電站拆取A 品牌和B 品牌熔斷器底座，對各自的卡簧、銅夾片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.4.1 銅夾片對比

A品牌熔斷器底座夾片長度為18 mm，未裝卡簧的開口距離約為10 mm。B品牌熔斷器底座夾片長度為21 mm，未裝卡簧的開口距離約為9 mm。

3.4.2 卡簧對比

A品牌熔斷器底座卡簧下部寬處間距約為11 mm，上部略窄處間距約為10 mm。B品牌熔斷器底座卡簧下部寬處間距約為12 mm，上部窄處間距約為8 mm。銅夾片及卡簧對比如圖13 所示。當(dāng)裝入熔斷器關(guān)合底座蓋口，熔斷器下端頭將從銅夾片下部（窄）往上部（寬）就位。從對比可知，由于A 品牌熔斷器底座下部間距更窄，當(dāng)熔斷器端頭剛進(jìn)入夾片下部，若稍有偏移（未對中或熔斷器放入底座未頂?shù)轿唬?，將更容易使夾片單側(cè)受擠壓變形，導(dǎo)致上端夾片的一側(cè)與熔斷器接觸松弛，同時也是燒熔斷器下端頭概率更大的原因。

3.4.3 銅夾片和卡簧組裝后對比

銅夾片和卡簧組裝后，即為常規(guī)與熔斷器端頭接觸的座觸頭狀態(tài)。組裝后，A 品牌熔斷器底座夾片開口距離約為10 mm，B品牌熔斷器底座夾片開口距離約為8.5 mm，如圖14所示。由此可知，B品牌熔斷器底座的座觸頭裝入直徑10 mm的熔斷器后，夾緊力比A 品牌熔斷器底座要大。裝入熔斷器，用手拔出，也能感知到兩品牌夾緊力的明顯差異。

圖13 銅夾片及卡簧對比

3.5 綜合分析

由于A 品牌熔斷器底座的座觸頭卡簧開口距離設(shè)計較大（約10 mm），裝入熔斷器端頭（直徑10 mm）剛好無間隙，當(dāng)生產(chǎn)裝配或檢修支路拉合保險，在裝入熔斷器過程，稍不正裝，將導(dǎo)致銅夾片變形，開口間距變大，形成間隙，造成與熔斷器端頭接觸不良發(fā)熱，此為A 品牌底座頻繁發(fā)生熔芯下端熔斷的主要原因。另外，匯流箱負(fù)極保險區(qū)域上方串接采集模塊，導(dǎo)致負(fù)極區(qū)域溫度比正極高至少10 ℃，此為負(fù)極區(qū)域更易燒保險的原因。加上光伏組件所受太陽輻照度升高（所發(fā)電流增大）、戶外匯流箱環(huán)境溫度升高等因素疊加，將造成負(fù)極保險下端頭溫度極高，頻發(fā)熔斷故障。

圖14 銅夾片及卡簧組裝后對比

4 糾正建議

（1）根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗，若熔斷器安裝環(huán)境溫度超過40 ℃，持續(xù)時間超過2 h，可考慮提高熔斷器的安培等級[5-6]，但目前所選熔斷器的電流等級為15 A，已達(dá)到組件推薦熔斷器的最大安培等級，已無降容使用空間。

（2）考慮到A、B光伏電站采用A品牌熔斷器底座的數(shù)量較多，今后需將此類故障的熔斷器連同底座一并更換，且熔斷器底座更換為其他品牌。對于曾經(jīng)發(fā)生過燒負(fù)極保險的熔斷器底座，觸頭夾片很可能已存在變形，建議擇機(jī)分片區(qū)逐步更換。

（3）分布式光伏電站逐步將A 品牌熔斷器底座更換為其他品牌。

（4）各場站在采購熔斷器底座時，應(yīng)避免采用A 品牌熔斷器底座。已采購的，建議停止使用。

（5）后續(xù)新建項目在匯流箱熔斷器底座的選型和品牌上，需多加考慮。匯流箱盡量安裝在太陽能電池板下，避免太陽直射。

（6）持續(xù)關(guān)注已更換新品牌熔斷器底座的使用情況。

5 結(jié)束語

光伏電站已向集中監(jiān)控、無人值守、少人值班的趨勢發(fā)展，本文通過分析一類負(fù)極熔斷器頻發(fā)故障，找出了共性原因，提出了解決建議，避免類似故障重復(fù)發(fā)生，極大地減少了電站運(yùn)維人員的檢修工作量，也提高了光伏電站的發(fā)電量。