光伏陣列保護(hù)用熔斷器的選擇分析(二)

好利來(lái)(中國(guó))電子科技股份有限公司 ■ 賴文輝

隨著光伏發(fā)電的裝機(jī)容量的不斷攀升，光伏陣列的保護(hù)不斷得到重視。據(jù)了解，IEC 62548Ed.1.0《光伏(PV)發(fā)電機(jī)組裝置和安全要求》(《Installation and safety requirements for photovoltaic(PV) generators》)的CDV(委員投票稿)在2011年9月16日已投票通過(guò)，其CCDV(Draft Circulated as Committee Draft with Vote)也計(jì)劃在今年7月份IEC中央辦公室發(fā)布，也就是說(shuō)，關(guān)鍵的技術(shù)層面內(nèi)容已確定，正式標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)在2012年下半年或2013年將會(huì)發(fā)布。另外，光伏熔斷器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6Ed.1.0的再次修改也在進(jìn)行中。新標(biāo)準(zhǔn)的誕生和已有標(biāo)準(zhǔn)的修改，都體現(xiàn)了最新的技術(shù)要求，體現(xiàn)了先進(jìn)性，很值得工程技術(shù)人員研究重視，保證選型設(shè)計(jì)更合理和可靠。

IEC 62548覆蓋了功率50W以上、開(kāi)路電壓30V以上的所有光伏發(fā)電機(jī)組。對(duì)IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)中涉及的過(guò)電流保護(hù)部分歸納如下：

一 過(guò)電流保護(hù)的的必要性

光伏陣列中發(fā)生在光伏板、光伏連接箱或光伏板接線部分的短路以及發(fā)生在光伏陣列接線的接地故障，都可能產(chǎn)生過(guò)電流。光伏系統(tǒng)中的故障電流不能斷開(kāi)其中的過(guò)電流保護(hù)器件的光伏陣列，將有可能產(chǎn)生電??；對(duì)于光伏板和相關(guān)設(shè)備制造商要求提供過(guò)電流保護(hù)的，要按其要求提供保護(hù)；對(duì)于制造商沒(méi)有規(guī)定過(guò)電流保護(hù)的則要依照IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)置過(guò)電流保護(hù)。

光伏熔斷器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6中還提出，光伏逆變器故障產(chǎn)生的回?fù)綦娏?，若在光伏熔斷器的額定分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)，光伏熔斷器也能提供保護(hù)，避免對(duì)陣列電纜和光伏板的損害。

二 過(guò)電流保護(hù)熔斷體和熔斷器支持件的選擇

考慮到溫度越低光伏板的開(kāi)路電壓越大的特點(diǎn)，光伏陣列、光伏子陣列、光伏串和光伏板的最大電壓，應(yīng)根據(jù)安裝地點(diǎn)預(yù)期的最低氣溫按光伏板制造商的說(shuō)明來(lái)修正；對(duì)于光伏板制造商沒(méi)有提供修正方法的，應(yīng)依照標(biāo)準(zhǔn)要求修正確定光伏陣列的最大電壓。IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的修正系數(shù)如表1所示。

應(yīng)用于光伏陣列保護(hù)的熔斷體應(yīng)符合以下要求：

(1) 額定電壓大于等于根據(jù)安裝地點(diǎn)預(yù)期最低氣溫按光伏板制造商的說(shuō)明或表1修正得出的最大電壓；

表1 單晶硅和多晶硅光伏板最大電壓修正系數(shù)

(2) 直流熔斷體；

(3) 如果存在故障電流，則額定分?jǐn)嗄芰Σ坏陀趤?lái)自光伏陣列和其他連接的電源(如電池、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的故障電流)；

(4) 符合IEC 60269-6標(biāo)準(zhǔn)并適合PV過(guò)電流和短路保護(hù)的型號(hào)。

應(yīng)用于光伏陣列保護(hù)的熔斷體支持件應(yīng)符合以下要求：

(1) 額定電壓大于等于根據(jù)安裝地點(diǎn)預(yù)期最低氣溫按光伏板制造商的說(shuō)明或表1修正得出的最大電壓；

(2) 額定電流大于等于對(duì)應(yīng)熔斷體的額定電流；

(3) 保護(hù)等級(jí)適合安裝地點(diǎn)且不低于IP 2X。

三 過(guò)電流保護(hù)熔斷體額定電流的選擇和安裝位置要求等

對(duì)于光伏串的保護(hù)，熔斷器應(yīng)安裝在光伏串導(dǎo)線連接到光伏子陣列導(dǎo)線的位置，如子陣列匯流箱等光伏匯流箱位置，且正負(fù)極位置都要安裝，如圖1所示。熔斷體的額定電流應(yīng)在(1.4～2.4)Isc-MOD的范圍內(nèi)，Isc-MOD為光伏板或光伏串在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流，是光伏板制造商規(guī)定在產(chǎn)品銘牌上的規(guī)格值。在此要注意的是，對(duì)于一些光伏板，在其工作的前幾周或前幾個(gè)月，其Isc-MOD比定義值要高。

對(duì)于光伏子陣列的保護(hù)，熔斷器應(yīng)安裝在光伏子陣列導(dǎo)線連接到光伏陣列導(dǎo)線的位置，如光伏陣列匯流箱等光伏連接箱位置，且正負(fù)極位置都要安裝，如圖1所示。熔斷體的額定電流應(yīng)在(1.25～2.40)Isc-ARRAY的范圍內(nèi)，Isc-ARRAY為光伏子陣列在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流，其值為光伏串短路電流Isc-MOD的n倍，n是子陣列中并列的光伏串?dāng)?shù)。

對(duì)于整個(gè)光伏陣列的保護(hù)，熔斷器應(yīng)安裝在光伏陣列導(dǎo)線和應(yīng)用電路導(dǎo)線連接位置，一般安裝在電池和電池組與充電控制器之間，并盡可能靠近電池位置安裝。如圖1所示，熔斷器是用于保護(hù)系統(tǒng)和導(dǎo)線，防止其他地點(diǎn)光伏陣列或其他連接的電源，如電池或電池組等故障電流的流入。若熔斷體的額定值靠近下限選定，則對(duì)光伏陣列導(dǎo)線和充電控制器都提供保護(hù)，這時(shí)，光伏陣列和充電充電控制器之間的光伏陣列導(dǎo)線無(wú)需再設(shè)置保護(hù)。同樣正負(fù)極位置都要安裝。該位置熔斷體的額定電流應(yīng)在(1.25～2.40)Isc-ARRAY的范圍內(nèi)，Isc-ARRAY為光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流，其值為光伏串短路電流Isc-MOD的N倍，N為陣列中并列的光伏串總數(shù)。對(duì)于額定電流很大的，可能沒(méi)有對(duì)應(yīng)的熔斷器規(guī)格，通常采用過(guò)電流保護(hù)繼電器等其他過(guò)電流保護(hù)器件。

鑒于相關(guān)的IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已基本確定，而IEC 60269-6標(biāo)準(zhǔn)本身需要完善，IEC對(duì)2010年出版的IEC 60269-6光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器標(biāo)準(zhǔn)作了再次修改。修訂稿(CD)已經(jīng)發(fā)出給各成員國(guó)，最主要的變化包括兩點(diǎn)：一是修改額定電流為32A以下(含32A)的熔斷體的約定熔斷電流和約定不熔斷電流。原來(lái)要求熔斷體通過(guò)1.45倍額定電流時(shí)，應(yīng)在1h內(nèi)熔斷，且通過(guò)1.13倍額定電流時(shí)不應(yīng)在1h內(nèi)熔斷；修改后，要求通過(guò)1.35倍額定電流時(shí)應(yīng)在1h內(nèi)熔斷，且通過(guò)1.05倍額定電流時(shí)不應(yīng)在1h內(nèi)熔斷。修改后，對(duì)于額定電流32A以內(nèi)的光伏熔斷體，IEC規(guī)格和UL規(guī)格幾乎完全相同。另一點(diǎn)是在其附錄[光伏熔斷體保護(hù)光伏組件串和光伏方陣應(yīng)用指南]中，增加了熔斷體額定電流值選擇指導(dǎo)，其內(nèi)容即為上述歸納出的IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于過(guò)電流保護(hù)額定電流的選擇方法等。

標(biāo)準(zhǔn)的變化反映出兩個(gè)需要重視的問(wèn)題：一是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板的發(fā)電量設(shè)計(jì)一般不會(huì)超出11A，通常應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)匯流箱的熔斷器的額定電流規(guī)格不會(huì)超出20A，應(yīng)用最多的是在8～15A范圍內(nèi)，所以都屬于其約定熔斷電流和約定不熔斷電流參數(shù)要調(diào)整的系列范圍。也就是說(shuō)，對(duì)于匯流箱中保護(hù)光伏串的熔斷器要求在更小的故障電流條件下就能斷開(kāi)，原來(lái)要求當(dāng)故障電流大小為熔斷體的額定電流值的1.45倍時(shí)，熔斷體應(yīng)在1h內(nèi)斷開(kāi)，現(xiàn)在IEC則希望要求故障電流為其額定電流值的1.35倍時(shí)熔斷體就在1h內(nèi)斷開(kāi)，這樣對(duì)光伏板的保護(hù)將更為有效，當(dāng)然也對(duì)熔斷體提出了更高的要求。所以，從保護(hù)有效性和可靠性考慮，匯流箱中的熔斷器應(yīng)優(yōu)先選擇那些電流為額定電流值的1.35倍時(shí)就能在1h內(nèi)熔斷的斷熔斷體。現(xiàn)在這些要求更高并被UL等第三方安規(guī)機(jī)構(gòu)確證的產(chǎn)品有：BUSSMANN的PV-xA10、HOLLYLAND的HC10PV系列等。

圖1 光伏系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

要實(shí)現(xiàn)更安全可靠的保護(hù)，除優(yōu)先選擇約定熔斷電流更低的熔斷器外，對(duì)熔斷體額定值的大小選擇則是另一個(gè)需要重視的問(wèn)題。對(duì)于應(yīng)用于光伏串保護(hù)的熔斷器，UL標(biāo)準(zhǔn)NFPA 70TM National Electrical Code第690條“太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)”中提出，該熔斷體的額定電流應(yīng)選擇≥1.56Isc，Isc為光伏串最低溫度時(shí)的最大短路電流，在此其熔斷體規(guī)格是UL標(biāo)準(zhǔn)的光伏熔斷體。對(duì)于IEC規(guī)格的光伏熔斷體，此前IEC沒(méi)有具有具體規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文作者曾提出了對(duì)于IEC光伏熔斷體的額定電流按照1.42Isc選擇，見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。現(xiàn)在IEC 62548標(biāo)準(zhǔn)中提出光伏陣列過(guò)電流保護(hù)的安全要求，并作出詳細(xì)規(guī)定，這樣，對(duì)于IEC規(guī)格的光伏熔斷器的應(yīng)用就有了一個(gè)明確的指導(dǎo)規(guī)范，將有利于廣大從事光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)借鑒，保證選型設(shè)計(jì)更合理、可靠。

[1] IEC 62548Ed.1.0CDV, Installation and safety requirements for photovoltaic (PV) generators[S].

[2] IEC 60269-6A1Ed.1, Low-voltage fuses-Part 6:Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[3] 賴文輝. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列保護(hù)用熔斷器的選擇分析[J].太陽(yáng)能, 2011, 9: 19－20.

[4] NFPA 70-2008, National electrical code¨ [S].

[5] GB/T 16895.32－2008/IEC 60364-7-712: 2002, 建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求 太陽(yáng)能光伏(PV)電源供電系統(tǒng)[S].