光伏熔絲知多少

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司 ■ 馬勇

0 引言

筆者作為光伏從業(yè)人員，在走訪電站期間，經(jīng)常會(huì)看到運(yùn)維人員奔波于子陣間更換熔絲，也?？吹綗龤У娜劢z盒及接線端子。那么光伏中為什么要使用熔絲？在使用中存在哪些問(wèn)題？有沒(méi)有更好的解決方法？帶著這些疑問(wèn)，筆者經(jīng)過(guò)大量的信息搜集及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，掌握了光伏熔絲的一些資料，供業(yè)界同行參考。

圖1 失效的熔絲、燒毀的熔絲盒及接線端子

1 熔絲概述

熔絲，也稱為保險(xiǎn)絲、熔斷器，它是一種串聯(lián)在電路中，保障電路安全運(yùn)行的元件，廣泛用于配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。熔絲的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理都是利用金屬的熱熔特性。

圖2 光伏熔絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 熔絲的發(fā)展歷史

熔絲的使用歷史已有100多年，最早的記載出現(xiàn)在1864年，當(dāng)時(shí)熔絲被用來(lái)保護(hù)海底電纜。光伏熔絲是隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的，其國(guó)標(biāo)GB/T 13539.6《低壓熔斷器 第6部分：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷體的補(bǔ)充要求》在2013年發(fā)布，是一個(gè)相對(duì)比較新鮮的事物。其標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)還處于不斷優(yōu)化的過(guò)程中，并不成熟，實(shí)際應(yīng)用中質(zhì)量難免出現(xiàn)問(wèn)題。

光伏熔絲的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于體積小(10 mm×38 mm)，直流高壓滅弧難。前兩年，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都認(rèn)為在這么小的體積上做到1000Vdc是不可能完成的事情，這也從側(cè)面反映了光伏熔絲的設(shè)計(jì)和制造難度。

1.2 熔絲在光伏中的應(yīng)用

在光伏電站中不采用斷路器，而采用熔絲，最主要的原因是降低成本。直流斷路器昂貴，價(jià)格是熔絲的5倍。因此，集中式電站、部分組串式解決方案和目前剛推出的集散式方案，都不約而同地采用了大量熔絲。

以典型的集中式電站為例。在當(dāng)前的集中式電站中，并聯(lián)的組串?dāng)?shù)量高達(dá)100串，當(dāng)有1串發(fā)生短路故障，所有組串的電流均會(huì)反灌故障組串，反灌電流可能超過(guò)800 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了線纜和組件的安全要求，易引發(fā)火災(zāi)事故。所以必須使用熔絲來(lái)切斷故障電流，保護(hù)線纜和組件。

圖3 集中式光伏組件故障時(shí)的電流流向

相比集中式、集散式方案，當(dāng)前部分廠家的組串式電站方案未使用熔絲。組串式方案最多2串組件并聯(lián)，即使有1串發(fā)生短路故障，反灌電流最大不會(huì)超過(guò)10 A，所以較安全，無(wú)需熔絲進(jìn)行保護(hù)。

圖4 組串式光伏組件故障時(shí)的電流流向

2 熔絲在光伏應(yīng)用中存在的問(wèn)題

筆者走訪了大量電站，發(fā)現(xiàn)熔絲在每個(gè)電站都存在一些問(wèn)題，本文主要從熔絲的安全風(fēng)險(xiǎn)和熔絲失效造成的損失等方面進(jìn)行分析。

2.1 熔絲增加了直流節(jié)點(diǎn)，埋下安全隱患

集中式1 MW需使用熔絲400個(gè)，每個(gè)熔絲與熔絲盒夾片之間有2個(gè)接觸點(diǎn)，每個(gè)熔絲盒與接線有2個(gè)接觸點(diǎn)。所以每個(gè)熔絲將有4個(gè)接觸點(diǎn)，集中式因使用了熔絲就有1600個(gè)直流節(jié)點(diǎn)。熔絲盒對(duì)線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不容易做到，經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，引起燒毀或直流拉弧，是匯流箱著火的主要原因。

圖5 直流匯流箱著火

圖6 熔絲接線不良引發(fā)的燒毀著火案例

圖7 熔絲與底座接觸不良

圖8 熔絲安裝質(zhì)量堪憂，一段時(shí)間后肯定會(huì)發(fā)熱燒毀

2.2 熔絲在低倍過(guò)載時(shí)，熔斷慢，發(fā)熱高，存在著火風(fēng)險(xiǎn)

熔絲的保護(hù)原理是利用金屬的熱熔特性，這一特性決定了熔絲的熔斷時(shí)間與過(guò)電流的大小呈反時(shí)限的關(guān)系：電流越大，其熔斷時(shí)間越短；電流越小，其熔斷時(shí)間越長(zhǎng)。電池板的電流受天氣影響，大小不可控制，當(dāng)熔絲處在小電流過(guò)載時(shí)，其熔斷時(shí)間將變得很長(zhǎng)，在這種“將斷未斷”的情況下，熔絲將處于一個(gè)非常高溫的熱平衡狀態(tài)。這么高的溫度將破壞線纜和熔絲盒的絕緣，最終引發(fā)著火事故。

圖9 熔絲發(fā)熱使熔絲盒燒毀

另外，部分熔絲在熔斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，電弧溫度非常高，會(huì)使相鄰的塑料元件、線纜絕緣等著火。

圖10 熔絲熔斷時(shí)噴弧燒毀相鄰元件

2.3 熔絲并不能有效地保護(hù)組件

熔絲的工作原理是利用金屬的熱熔特性，15 A的熔絲要在大于15 A的電流下才能熔斷，那么到底是多大的電流呢？筆者查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到如下答案：標(biāo)準(zhǔn)要求15 A的熔絲在16.95 A下(1.13倍)，1 h不能熔斷；在21.75 A下(1.45倍)，1 h內(nèi)熔斷。標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6 對(duì)熔絲的要求見(jiàn)表1。

最大保險(xiǎn)絲額定電流15 A是組件性能的一個(gè)參數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)IEC 61730-2 對(duì)組件的要求可知，最大保險(xiǎn)絲額定電流15 A的組件，標(biāo)準(zhǔn)要求在20.25 A(1.35倍)下，2 h不能燃燒。值得一提的是，標(biāo)準(zhǔn)只是要求組件不起火，卻不能保證組件不損壞，實(shí)際上組件一直在承受反向電流而發(fā)生熱斑效應(yīng)，性能會(huì)下降，輸出功率會(huì)降低。

表1 標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6 對(duì)熔絲的要求

同時(shí)，熔絲的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.45倍的電流熔斷，而組件的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.35倍的電流，那么在1.35～1.45倍之間出現(xiàn)一個(gè)保護(hù)空擋。在這個(gè)保護(hù)空擋內(nèi)，熔絲不能有效地保護(hù)組件，可能出現(xiàn)組件著火的嚴(yán)重事故。

從上述光伏熔絲熔體結(jié)構(gòu)上可看出，熔絲狹徑非常細(xì)，對(duì)制造工藝要求很高，普通廠家很難控制好熔絲的質(zhì)量。若生產(chǎn)的熔絲偏大，不能在規(guī)定的電流和時(shí)間內(nèi)及時(shí)熔斷，更會(huì)加劇組件的損壞，帶來(lái)著火風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 熔絲在電站的失效率統(tǒng)計(jì)

筆者利用走訪電站的機(jī)會(huì)，與業(yè)主多次交流熔絲失效的問(wèn)題并收集了一些熔絲失效數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)匯總整理，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)熔絲失效率統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)擬合分析，熔絲的失效率符合隨工作年數(shù)逐年上升的趨勢(shì)，5年后失效率超過(guò)15%。

圖11 熔絲失效率擬合曲線

表2 熔絲失效數(shù)據(jù)整理

筆者認(rèn)為光伏熔絲頻繁失效，熔絲老化致使通流能力下降是主要原因。在光伏應(yīng)用中，晝夜溫差大，每天一次的高低溫循環(huán)會(huì)顯著加速熔絲的熱疲勞效應(yīng)，降低熔絲的通流能力，縮短熔絲壽命。

圖12 熔絲老化機(jī)理

2.5 熔絲失效造成的發(fā)電量損失

熔絲一旦失效，則會(huì)損失這一串的發(fā)電量。若更換的時(shí)間快，發(fā)電量損失會(huì)少一些。目前，國(guó)內(nèi)大型地面電站更換熔絲的平均時(shí)間約為15天(通訊斷鏈或沒(méi)有使用智能匯流箱，1個(gè)月才能檢查一輪)，山地電站時(shí)間更長(zhǎng)，有個(gè)別項(xiàng)目甚至半年才會(huì)檢查一次，發(fā)電量損失嚴(yán)重。當(dāng)然也有幾天完成的，前提是監(jiān)控穩(wěn)定，能從后臺(tái)清晰看到熔絲的狀態(tài)。

以1 MW子陣為單位，第5年開始因熔絲失效造成的發(fā)電量損失在1.5%以上，假設(shè)電價(jià)為1元/kWh，每年將造成收益損失至少22500元。以熔絲市場(chǎng)價(jià)格12元/支進(jìn)行計(jì)算，物料更換成本至少720元。相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 熔絲失效導(dǎo)致的發(fā)電量損失

表3數(shù)據(jù)中并未包含人工運(yùn)維成本。若電站未使用熔絲，無(wú)需更換熔絲這一項(xiàng)工作，每50 MW能減少1個(gè)運(yùn)維人員的話，那么可節(jié)省開支7萬(wàn)多元，分?jǐn)偟矫縈W約有1500元。人工運(yùn)維成本加上發(fā)電量損失和熔絲物料成本，每MW因熔絲失效每年將損失至少25000多元。100 MW電站25年的損失將至少5500萬(wàn)，這并未包括因熔絲造成的著火事故損失，實(shí)際損失將更大。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)以上分析，可得出以下結(jié)論：1)熔絲方案增加了直流節(jié)點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)熔絲盒、接線端子、線纜等燒毀的事故；2)熔絲在低倍過(guò)載電流情況下，熔斷慢，發(fā)熱高，存在著火風(fēng)險(xiǎn)；3)由于熔絲和組件之間存在保護(hù)空擋，熔絲并不能有效地保護(hù)組件；4)熔絲失效率逐年升高，5年后失效率超過(guò)15%，發(fā)電量損失1.5%以上；5)100 MW電站25年因熔絲失效造成的損失將至少5500萬(wàn)。

在霧霾成為人們“心肺之患”的今天，變革傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展太陽(yáng)能等清潔能源成了人們最急迫的呼聲，光伏電站建設(shè)也迎來(lái)了前所未有的投資機(jī)遇。安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報(bào)的根基所在，特別是在山地、屋頂?shù)扰c光伏結(jié)合的項(xiàng)目上，安全幾乎是一票否決的原則問(wèn)題。

不管是集中式方案，還是集散式方案或部分組串式方案，因電站中使用大量的熔絲，埋下了安全隱患，易引發(fā)著火事故，成為光伏電站安全的“頭號(hào)殺手”。使用熔絲可降低成本，但熔絲的高失效率不僅造成了高額的發(fā)電量損失，也為電站運(yùn)維增加了難度，反而得不償失。只有采用類似本文提到的最多2串組件并聯(lián)的組串式方案，才是安全的，無(wú)需熔絲進(jìn)行保護(hù)。這種無(wú)熔絲的組串設(shè)計(jì)方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護(hù)問(wèn)題，而且徹底根除了因使用熔絲帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)和失效損失，相信會(huì)是電站更好的選擇。

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