光伏系統(tǒng)電涌保護器新國標的解讀

/德州市氣象局 李斌 竇俊杰/

光伏系統(tǒng)電涌保護器新國標的解讀

/德州市氣象局 李斌 竇俊杰/

應用于新能源光伏系統(tǒng)電涌保護器的首部國家標準將于2016年9月1日正式實施，填補了我國在光伏電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法方面的空白。對于提升新能源光伏系統(tǒng)雷電防護的水平將會起到極大的推動作用。對電涌保護器的制造廠商提高光伏電涌保護器產(chǎn)品性能，以及對新能源光伏供電系統(tǒng)合理選配光伏電涌保護器，有了一本國家級的指導文件。光伏電涌保護器新國標內容豐富，概括了當前國內外光伏電涌保護器（SPD）技術發(fā)展的水平，本文試圖作一淺顯的解讀。

新能源；光伏供電系統(tǒng)；電涌保護器；新國標

0　引言

我國新能源領域中的光伏產(chǎn)業(yè)，這些年來的發(fā)展前景可觀，光伏系統(tǒng)使用壽命要求達到25年，其中光伏系統(tǒng)雷電防護的能力一直備受關注。2010年歐盟首次頒布了光伏系統(tǒng)電涌保護器標準的最終稿，立即引起國內雷電防護和電涌保護器行業(yè)的高度重視。

2012年期間，上海防雷中心和TüV認證機構等防雷產(chǎn)品檢測部門，都分別以不同的方式，在行業(yè)中對光伏系統(tǒng)電涌保護器標準發(fā)展開展了技術培訓，介紹和講解了EN 50539-11光伏電涌保護器的主要內容。

2013年，北京鑒衡認證中心為確保光伏系統(tǒng)的電涌保護器的質量、促進產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，結合金太陽鑒衡認證的實際需要制定了相應的認證標準，并與2014年初實施。

2013年，國家標委會也正式啟動了光伏電涌保護器標準的起草工作，并指出標準制定目的和意義：“近兩年是新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展時期，根據(jù)全球知名的太陽能市場研究和咨詢公司Solarbuzz公司調查，2011年全球光伏發(fā)電需求繼續(xù)飛速?！保ㄒ妵鴺宋?013年第一批擬立項推薦性國家標準項目》）。

2016年2月24日，中國國家標準管理委員會正式發(fā)布了GB/T 18802.31—2016 《低壓電涌保護器 特殊應用（含直流）的電涌保護器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法》國家標準，并將于2016年9月1日實施。這部首次頒布的國家標準是由上海市防雷中心和西安高壓電器研究院有限責任公司牽頭，國內知名品牌的電涌保護器、敏感元件制造廠商和認證機構參與起草，標志著我國雷電防護及其電涌保護器（SPD）行業(yè)邁向了一個新的臺階。

以下是對新國標部分條款的解讀。

1　范圍

GB/T 18802.31—2016規(guī)定了電涌保護器（SPD）的性能要求和試驗方法。定義了該電涌保護器安裝的位置是光伏系統(tǒng)直流側，連接于額定電壓不超過1500V 的光伏發(fā)電設備的直流電源回路中。其目的是為了減小雷電感應或直擊雷對光伏發(fā)電設備直流側的影響。

光伏發(fā)電設備不同于其他設備（如低壓配電系統(tǒng)），具有不同特性，標準作了詳盡描述，引述如下：

本部分考慮到光伏發(fā)電設備的以下特性：

——類似電流源的特性；

——標稱電流取決于光照強度；

——短路電流幾乎等于標稱電流；

——以串聯(lián)和/或并聯(lián)組合的方式輸出各種大小的電壓、電流和功率，從幾

百瓦（民用設施）到幾兆瓦（光伏發(fā)電場）。

光伏發(fā)電設備直流側這些特殊的電氣參數(shù)，決定了對電涌保護器（SPD）測試要求的特殊性。這也是本標準為何要制定的意義所在。

范圍中還明確了以下幾點：

輸入和輸出分開，端子之間有特殊的串聯(lián)阻抗為二端口電涌保護器（SPD）需要額外考慮。

連接在電池組和其他直流設備的光伏設備的電涌保護器（SPD）需要有額外的要求和試驗。

制造商聲明過載特性為短路模式的電涌保護器（SPD），為防止直流電弧對操作人員的傷害，在維護和更換時，必須要有特別的防范措施。

2　術語、定義和縮寫詞

標準中術語、定義和縮寫詞部分圍繞著光伏發(fā)電設備的特性作了切合實際的表述。例如：試驗類型只定義了Ⅰ類和Ⅱ類試驗，沒有Ⅲ類試驗的具體定義。再比如：只定義了一端口電涌保護器（SPD），而沒有二端口的定義。

針對光伏系統(tǒng)的特性，在電涌保護器術語和定義中有以下六個條款值得關注，引述如下：

3.1.6

保護模式 modes of protection

端子間的電流通路包含一個或多個保護元件，并且制造商聲明了該電流通路的保護水平，例如+對-， +對地， -對地。

注：該電流通路中可能包含額外的端子。［EN 61643-11:2012，定義3.1.8］

3.1.7

SPD的電流支路 current branch of an SPD

一條在兩個節(jié)點之間既定的電流通路，包含一個或多個保護元器件。

注1：SPD 的一條電流支路可能等同于 SPD 的一種保護模式。

注2：該既定電流通路不包括額外的端子。

3.1.11

光伏系統(tǒng)的大持續(xù)工作電壓 maximum continuous operating voltage for

PV application Ucpv

可連續(xù)地施加在SPD保護模式上的大直流電壓。

3.1.12

光伏系統(tǒng)的持續(xù)工作電流 continuous operating current for PV application

Icpv

當SPD依據(jù)制造商的說明連接，施加大持續(xù)工作電壓 CPV U 時，流過其帶電導線間的電流。

3.1.23

額定短路電流 short-circuit current rating

Iscpv

SPD與指定脫離器連接后可以承受的電源系統(tǒng)的大預期短路電流額定值。

［EN 61643-11:2012，定義3.1.27］

3.1.37

確定電氣間隙電壓 Voltage for clearance determination

U max

根據(jù)7.4.4施加沖擊時得到的大測量電壓，用于確定電氣間隙。

［EN 61643-11:2012，定義3.1.47］

此外，在標準的術語、定義和縮寫詞中，基本上引用了EN 61643-11.2012的標準，體現(xiàn)了電涌保護器行業(yè)最新的技術水準。

3　分類

GB/T 18802.31—2016對電涌保護器（SPD）作了10個項目的分類，細分一下，或有11個分類項目，為便于理解，列表1如下。

表1　電涌保護器項目分類

其中，對連接結構的分類了解尤為重要，它與低壓配電系統(tǒng)電涌保護器的保護模式有點相似，但有著本質上的區(qū)別，不能混淆。連接結構的圖形如圖1所示。

圖1　連接結構圖形

4　技術要求

在標準的第六章節(jié)，規(guī)定了光伏系統(tǒng)電涌保護器的技術要求，共計6項條款，有以下幾個重點要求：

1）電涌保護器（SPD）I型連接結構，若用于Y型結構的話，則需要分別根據(jù)Ⅰ型和Y型結構的參數(shù)進行試驗。Y型結構有一體化和分體式兩種形式，而分體式的Y型結構可用I型結構連接而成，因此，兩種參數(shù)都要進行驗證和測試。

2）產(chǎn)品標識中，電涌保護器在光伏系統(tǒng)的最大持續(xù)工作電壓，每種保護模式有一個Ucpv值，若Ucpv值相同，則只需一個值。另：在制造商聲明每種保護模式的SPD類型和放電參數(shù)中，須靠近印制“PV”字母字樣。標識的參考圖如圖2所示。

圖2　標識參考圖

3）對于連接于等電位連接導體端子的電涌保護器（SPD），需按制造商說明的接線方式連接并測量殘流（IPE）。測量電壓為電涌保護器（SPD）的最大持續(xù)工作電壓（Ucpv）。須通過標準7.4.2試驗來檢驗其是否符合要求。

4）SPD的過載特性是應用于光伏系統(tǒng)的一個極為重要的技術要求，引述條款如下：

6.2.5.2SPD 過載特性

SPD失效應不會造成危險的后果，或SPD應能耐受在SPD失效過程中可能出現(xiàn)的聲稱的預期短路電流Iscpv。

通過7.4.7的試驗檢驗其是否符合要求。

該試驗不適用于只包含電壓開關型元器件的SPD。本試驗也不適用于保護模式中一條電流支路僅含電壓開關元件的SPD。

如果SPD的一條電流支路僅含電壓開關元件，且這條電流支路接地，那么這種SPD不能用于接地的PV系統(tǒng)。在這種條件下，即使SPD沒有進行試驗，制造商也可以聲明具有相應的保護模式。

如果如 7.4.7 中描述的內部和外部脫離器交替動作，則需要做一個附加試驗。該試驗的電流設定為外部脫離器的額定電流的5倍（如果沒有超過Iscpv），且對時間不作要求。

由于在更換器件時產(chǎn)生的直流電弧可能危及人身和財產(chǎn)安全，具有過載特性短路模式的插入式SPD（不需要工具就能更換的SPD）需要制造商聲明合適的斷開方式。通過安裝說明的檢查來驗證是否符合要求。

檢查制造商聲稱措施效能的特別試驗正在考慮中。

5　型式試驗

型式試驗分為標志的耐久性、電氣試驗和機械試驗，共有10個試驗序列，包含了輸入/輸出端子分開的一端口 SPD、戶外型SPD和分離隔離電路SPD的附加試驗。細分試驗項目共計29項。其中，應予以關注的有以下幾點：

1）殘流（IPE）試驗，是在直流和交流兩種電源條件下進行試驗，直流電源輸出的試驗電壓為Ucpv。交流電源輸出的試驗電壓則為峰值相當于最大持續(xù)工作電壓Ucpv的50Hz的正弦電壓。 殘流（IPE）值不應高出制造商的聲稱值。

2）SPD的過載性能試驗，這是應用與光伏系統(tǒng)的電涌保護器關鍵試驗項目之一。它對試驗電源、試驗樣品準備和短路電流Iscpv值都有著特殊要求。

光伏系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）有兩種預期過載特性，開路模式（OCM）的過載特性，其電源特性采用DC3或PV4（DC3僅基于制造商協(xié)定）。短路模式（SCM）的過載特性，則為PV4 。根據(jù)不同的SPD設計，試驗時應采用電壓為Ucpv /1.2 的電源。其中，DC3為線性直流電源，PV4為模擬光伏電源。其I/V特性圖如圖3所示。

圖3　I/V特性

試品的準備要根據(jù)電涌保護器（SPD）不同的連接結構進行。L、U、△和Y型結構通俗來講采用減一法，即將其中某一支路的電壓限壓元件用替代銅塊連接。而I型的則要降低MOV的參考電壓至50%～60%。其配置圖如圖4～5所示。

此外，標準中對短路電流Iscpv也作了明確規(guī)定。為便于理解，列表見表2。

表2　短路電流Iscpv規(guī)定

機械實驗中，驗證電氣間隙使用Umax作為輸入?yún)?shù)來確定，而爬電距離則以直流工作電壓值來確定。標準中還明確規(guī)定，對于海拔2000m以上，需要參考EN 60664-1∶2007中表F.2來確定電氣間隙。對于戶內和類似環(huán)境的SPD，其設計應按污染等級2來進行。

濕熱條件下的壽命測試，是對電涌保護器（SPD）在相對惡劣環(huán)境下，材料和器件使用壽命的考核。其條款引述如下：

7.6.1濕熱條件下的壽命測試

測試依據(jù)標準EN 60068-2-78進行，并適用于每種保護模式的樣品。

圖4　SPD過載性能試驗的試品準備（Y型和U型結構）

圖5　SPD過載性能試驗的試品準備（△型、L型和I型結構）

在試驗開始前先測量Icpv以備參考。試品隨后放入溫度為40℃±2K，相對濕度為93±3%的環(huán)境箱500h。在試驗過程中，每種保護模式被連接在一個預期短路電流至少為100mA的試驗電源上，將直流電壓調節(jié)至Ucpv。

7.6.2合格判據(jù)

試驗后，將樣品從環(huán)境箱中取出1h±10min后測量Icpv。

將樣品從環(huán)境箱中取出1h±10 min后必須滿足表6中的合格判據(jù)C，E和G。

6　結束語

以上例舉了GB/T 18802.31—2016 《低壓電涌保護器 特殊應用（含直流）的電涌保護器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法》的一些值得關注的部分條款，其實，在標準還有更多條款和細節(jié)值得深入解讀。

光伏系統(tǒng)電涌保護器的使用條件中，標準描述的氣壓和海拔為：“氣壓在80～106kPa。對應的海拔為+2000m～-500m。”（見標準4.2）。從實際光伏系統(tǒng)電涌保護器（SPD）的應用來看，海拔確實有要求到達4000m高度的，而很少有要求在海拔為“-”的使用要求。那么，標準所定義的海拔為 -500m的使用條件，其意義在哪里呢？值得進一步思考。

電涌保護器的連接結構，常用的多為Y型結構，而在此基礎上所衍生出來其他類型的連接結構，可能對于標準來講，還需要對其性能要求和測試方法要有一個相應的闡述。

隨著新能源光伏產(chǎn)業(yè)的技術迅猛發(fā)展，系統(tǒng)工作電壓為1500V光伏發(fā)電設備也將逐漸普及應用，所配套的電涌保護器（SPD）也許會遇到一些新的問題，需要不斷總結，并提升到標準的層面上來。

此外，一般電涌保護器除了性能要求和試驗方法標準外，還有一個選擇和使用導則的標準相配套，對于光伏系統(tǒng)電涌保護器而言，是否也應如此值得考慮。

總之，GB/T 18802.31－2016的頒布和實施，必將極大地推動我國新能源光伏產(chǎn)業(yè)雷電防護事業(yè)向前發(fā)展，并為其他新能源行業(yè)（如風電）等起到引領作用。

［1］GB/T 18802.31—2016 低壓電涌保護器 特殊應用（含直流）的電涌保護器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法［S］.

［2］ CGC/GF 026：2013 （CNCA/CTS 0026-2013） 低壓電涌保護器 特殊應用（含直流）的電涌保護器：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法 ［S］.

［3］ EN50539-11.2013Low-voltage surge protective devices -Surge protective devices for specific application including d.c. -Part 11： Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications［S］.