光伏發(fā)電系統(tǒng)中的低壓電器

卜 浩 民

(上海良信電器股份有限公司, 上海 200137)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的低壓電器

卜 浩 民

(上海良信電器股份有限公司, 上海 200137)

介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)低壓電器的特殊要求,分析了低壓電器為適應(yīng)光伏系統(tǒng)要求應(yīng)采取的技術(shù)措施,闡述了用于系統(tǒng)各級(jí)、有代表性的幾類斷路器產(chǎn)品的技術(shù)解決方案,以便能更好地促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

光伏系統(tǒng); 低壓電器; 可靠性; 斷路器

0 引 言

我國一次能源對(duì)化石能源的過分依賴,造成能源結(jié)構(gòu)的極度不合理。大氣污染、環(huán)境惡化不僅嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,更危及到人們的健康和生存。發(fā)展清潔能源、調(diào)整能源結(jié)構(gòu),是我國今后長期的發(fā)展國策。太陽能、風(fēng)能是世界各國關(guān)注的新能源,近年來得到快速發(fā)展。

我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過前些年的快速發(fā)展和近年的增速放緩,又將步入高速發(fā)展期。統(tǒng)計(jì)表明,按全國1/10的屋頂及1/15的立面利用來計(jì)算,可開發(fā)的光伏容量達(dá)1 000 GW?！缎履茉串a(chǎn)業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃》將2020年我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量目標(biāo)設(shè)定為20 GW;預(yù)計(jì)到2030年,可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上,將極大改善我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。

1 光伏系統(tǒng)對(duì)低壓電器的要求

1.1 光伏系統(tǒng)所需的低壓電器

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏板陣列、光伏匯流箱、直流配電屏(柜)、逆變器、交流配電屏(柜)、變壓器等子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、保護(hù)都離不開低壓電器:光伏板陣列需要PLC程序控制器、可逆接觸器、電動(dòng)機(jī)控制器的控制;光伏匯流箱、直流配電屏和逆變器都需要直流型隔離開關(guān)、直流型塑殼斷路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)、直流型小型斷路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)的匯集、傳輸和保護(hù),還需要直流型電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)提供抗雷擊電涌的保護(hù);由交流萬能式斷路器(Air Circuit Breaker,ACB)、MCCB、MCB、接觸器和SPD構(gòu)成的交流配電屏,將逆變后的交流電輸往變壓器、進(jìn)而輸向電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)所需低壓電器如圖1所示。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)低壓電器的要求

沙漠、高原地區(qū)的光照豐富,是大型光伏電站的首選地,沿海地區(qū)也是光伏發(fā)電選擇地。光伏系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)能適應(yīng)在這些地區(qū)環(huán)境條件下的正常運(yùn)行。需滿足的條件和運(yùn)行要求如下:

(1) 高海拔。高海拔地區(qū)氣壓低,介質(zhì)絕緣能力下降,熱輻射能力下降,散熱條件惡化。

(2) 高防護(hù)。在沙漠、沿?；驖駸岬貐^(qū)運(yùn)行,要求具備較高的防護(hù)等級(jí),有的柜體要求達(dá)到IP65、IP66。

(3) 高電壓。串接的光伏板數(shù)量逐漸增加,使額定工作電壓增高,達(dá)DC 500～1 000 V,甚至DC 1 200 V;在較高的工作電壓下運(yùn)行的電器,需要承受更高的沖擊電壓。

圖1 光伏系統(tǒng)所需低壓電器

(4) 大溫差。內(nèi)陸高原溫度變化大,傳統(tǒng)電器的溫差為-5～40 ℃,遠(yuǎn)不能滿足環(huán)境溫度變化要求。按UL 489B要求,運(yùn)行溫度須達(dá)到-25～55 ℃,儲(chǔ)存溫度須達(dá)到-40～70 ℃。

(5) 高壽命。光伏產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用壽命一般都在10～20年,因此提高相應(yīng)電器元件的工作壽命十分必要。

(6) 高可靠。光伏電站或維護(hù)相對(duì)困難,為減少維護(hù)成本,提高設(shè)備可靠性至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)備可靠性的關(guān)鍵是所用電器的可靠性。

(7) 對(duì)直流感性負(fù)載的保護(hù)。從光伏匯流箱到配電柜的距離一般為100～200 m,有的甚至超過300 m,電纜電感增大。線路越長,電感越大,時(shí)間常數(shù)越大,導(dǎo)致燃弧時(shí)間越長,觸頭電氣壽命下降,甚至持續(xù)的燃弧會(huì)導(dǎo)致整個(gè)斷路器燒毀。分?jǐn)嘀绷鞲唠妷焊行载?fù)載及應(yīng)對(duì)直流電弧和反向過電壓,是對(duì)斷路器的一大挑戰(zhàn)。

2 低壓電器應(yīng)對(duì)光伏系統(tǒng)的需求

2.1 傳統(tǒng)低壓電器的使用條件

(1) 環(huán)境溫度。溫度為-5～40℃。

(2) 海拔。海拔一般不超過2 000 m。

(3) 濕度。最高溫度為40 ℃時(shí),空氣相對(duì)濕度不超過50%,在較低溫度下允許有較高的濕度。

(4) 污染等級(jí)。按電器所處環(huán)境條件分1、2、3、4等級(jí)。

(5) 工作電壓。雖然低壓的范圍是交流1 000 V及以下,直流1 500 V及以下,但目前生產(chǎn)的低壓電器一般用于交流220(230)、380(400)、660(690)V及直流110、220、440 V。

(6) 沖擊、振動(dòng)。要求使用于少有沖擊、振動(dòng)的場(chǎng)合。

傳統(tǒng)低壓電器的適用條件顯然不能滿足光伏系統(tǒng)的要求。

2.2 低壓電器的應(yīng)對(duì)措施

(1) 高海拔。需要采用高絕緣等級(jí)材料提高絕緣強(qiáng)度;優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以增大電氣間隙和爬電距離。需要改善溫升:優(yōu)化載流材料,優(yōu)化焊接設(shè)備和焊接工藝,以減小回路阻抗,減少發(fā)熱。

(2) 高防護(hù)。提高配合尺寸精度,或增加外部防護(hù)罩,以提高防護(hù)等級(jí)。

(3) 高電壓。提高絕緣材料等級(jí)、加大電氣間隙、爬電距離,以提高絕緣電壓。增加斷點(diǎn)、加大開距,以提高耐壓。采用產(chǎn)氣吹弧、壓力密封等措施應(yīng)對(duì)電壓提高帶來的電弧能量增大,提高滅弧能力。

(4) 耐低溫。選用耐低溫材料,運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用寬溫潤滑脂,保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)耐低溫性。選用高級(jí)別(如軍標(biāo)級(jí))電子器件,保證電子模塊寬溫段可靠性。

(5) 高壽命。選用高耐弧能力的觸頭材料,提高觸頭抗(電弧)磨損能力。設(shè)計(jì)更有效的引弧、滅弧結(jié)構(gòu),減少電弧在觸頭表面的滯留時(shí)間,縮短燃弧時(shí)間。設(shè)計(jì)優(yōu)化的載流導(dǎo)電路徑,提高限流能力。

(6) 高可靠。引入可靠性工程,從材料選用、冗余設(shè)計(jì)到工藝控制,嚴(yán)格把關(guān)。優(yōu)化生產(chǎn)加工、檢測(cè)設(shè)備,逐步實(shí)現(xiàn)制造過程的自動(dòng)化、智能化水平,提高產(chǎn)品一致性、可靠性。

(7) 適應(yīng)直流感性負(fù)載。設(shè)計(jì)直流專用型觸頭及滅弧裝置和具有限流功能的載流結(jié)構(gòu)。

3 解決方案

3.1 系列配套性

針對(duì)太陽能光伏發(fā)電的特殊要求,開發(fā)了從交流到直流,具有多種分?jǐn)嗄芰?，用于寬環(huán)溫、耐濕熱、適應(yīng)高海拔等性能的多款光伏系統(tǒng)專用低壓電器。從ACB、MCCB到MCB,形成完整解決方案的產(chǎn)品系列,覆蓋光伏系統(tǒng)中光伏板陣列、匯流箱、直流屏、逆變器、交流屏,直至并網(wǎng)前的各段控制與保護(hù)。

3.2 典型產(chǎn)品及技術(shù)

3.2.1 NDB6Z-PV系列MCCB

(1) 采用雙觸頭、雙滅弧室結(jié)構(gòu),提高分?jǐn)嗪湍蛪耗芰Α?/p>

(2) 采用合閘門檻技術(shù)實(shí)現(xiàn)觸頭的儲(chǔ)能速動(dòng),提高了電壽命。

(3) 電動(dòng)力限流的導(dǎo)電路徑設(shè)計(jì)提高了限流能力,有利于與上級(jí)斷路器組成選擇性保護(hù)的級(jí)聯(lián)配合。

這些技術(shù)的應(yīng)用,使NDB6Z-PV能在DC 1 000 V下分?jǐn)嗄芰_(dá)5 kA。NDB6Z-PV MCB外形如圖2所示。

圖2 NDB6Z-PV MCB外形

3.2.2 NDM5Z系列MCCB

(1) 采用旋轉(zhuǎn)型雙觸頭結(jié)構(gòu),能大幅提高分?jǐn)嗄芰?有極強(qiáng)的限流能力。

(2) 各相封閉獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)提高相間絕緣水平,杜絕相間短路的可能。

(3) 能量脫扣技術(shù)的應(yīng)用有利于系統(tǒng)的選擇性配合。

(4) 熱磁脫扣全可調(diào)技術(shù),方便用戶按實(shí)際需要整定,保護(hù)更可靠。

(5) 熱磁故障識(shí)別及顯示技術(shù),有利于故障分析及排除,使系統(tǒng)運(yùn)行更高效。

(6) 功能件全模塊化結(jié)構(gòu),提高生產(chǎn)和運(yùn)行效率,提高可靠性。

(7) 解決了觸頭防跌落功能,防止因強(qiáng)限流能力的旋轉(zhuǎn)雙觸頭被尚未來得及動(dòng)作的機(jī)構(gòu)拉回而重合閘。

(8) 解決了使脫扣裝置可靠再扣的小跳功能,減小斷路器的再扣操作力;并能解決斷路器實(shí)現(xiàn)再扣的檢測(cè),防止因未真正再扣而合閘誤操作。

這些技術(shù)的應(yīng)用,使NDM5Z系列MCCB實(shí)現(xiàn)了熱磁式瞬動(dòng)、延時(shí)脫扣均可調(diào),故障狀態(tài)(短路、過載)可顯示,電壽命最高達(dá)15 000次,在AC 400、DC 1 000、DC 1 200 V時(shí)分?jǐn)嗄芰Ψ謩e達(dá)到150、85、40 kA,且Ics=Icu。NDM5Z MCCB外形如圖3所示。

圖3 NDM5Z MCCB外形

3.2.3 NDW3系列ACB

(1) 采用產(chǎn)氣吹弧和壓力密封定向吹弧觸頭技術(shù),有效提高了斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

(2) 操作機(jī)構(gòu)支撐機(jī)構(gòu)的改進(jìn),有效提高了動(dòng)作可靠性和機(jī)械壽命。

(3) 控制器檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn),使故障脫扣時(shí)間縮短為11 ms。

(4) 自吸式雙繞組欠電壓脫扣,既提高可靠性,又使能耗降低了80%。

(5) 改進(jìn)的手柄結(jié)構(gòu),帶來操作的韌性、舒適的手感和壽命的提高。

這些技術(shù)的應(yīng)用,使NDW3系列ACB在AC 400、690、1 000 V下的分?jǐn)嗄芰Ψ謩e達(dá)到100、80、50 kA,且Icw=Ics=Icu,機(jī)械壽命為15 000次,電氣壽命為6 000次。NDW3 ACB外形如圖4所示。

圖4 NDW3 ACB外形

4 驗(yàn)證和應(yīng)用

為驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)海拔的適應(yīng)性,在昆明高原電器試驗(yàn)所進(jìn)行了模擬海拔4 000 m條件下的多項(xiàng)試驗(yàn),如4 000 m、-40 ℃條件下的動(dòng)作(保護(hù))特性、溫升、濕熱、工頻耐壓、沖擊耐壓、剩余電流等。

5 結(jié) 語

結(jié)合我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,說明了光伏發(fā)展的態(tài)勢(shì)。結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成,說明了對(duì)低壓電器各類交直流產(chǎn)品的需求。結(jié)合光伏系統(tǒng)所處環(huán)境和運(yùn)行條件,提出了對(duì)低壓電器的特殊要求。低壓電器產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電機(jī)組逆變系統(tǒng)、匯流箱以及配電系統(tǒng)等,形成了太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)電器技術(shù)和完整解決方案。

[1] 陸儉國,王景芹.低壓保護(hù)電器可靠性理論及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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[3] 王長貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

捕捉行業(yè)熱點(diǎn) 引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

學(xué)術(shù)交流的園地 產(chǎn)品推介的平臺(tái)

Low Voltage Apparatus in Photovoltaic Power Generation System

BU Haomin

(Shanghai Liangxin Electrical Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

This paper introduced the special requirements of photovoltaic power generation system for low voltage apparatus.The technical measures for meeting the requirements of photovoltaic system were analyzed.The technical solutions of representative several types of circuit breakers used in the each level of the photovoltaic power generation system were expounded,which can better promote the development of photovoltaic industry.

photovoltaic power generation system; low voltage apparatus; reliability; circuit breaker

卜浩民(1941—),男,高級(jí)工程師,從事低壓電器方面的研究。

2014-10-28

TM 615+.2

B

1674-8417(2015)03-0056-04