光伏背板用KPK絕緣封裝材料局部放電特性研究

尹月琴 張華健 張展圖 李庚宸

摘? ?要：隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，KPK型背板在光伏背板市場(chǎng)中的占有率日益增長(zhǎng)。但在高電壓情況下，KPK型背板會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，破壞光伏發(fā)電絕緣系統(tǒng)。為此，文章利用脈沖電流法搭建了局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)KPK型背板通電不同時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制局部放電相位分布（PRPD）圖譜，分析研究KPK型背板的局部放電特性。這將有助于深入研究光伏背板老化機(jī)理，提高光伏系統(tǒng)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：局部放電;KPK型背板;局部放電相位分布圖譜

隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)其使用壽命、發(fā)電效率有了更加嚴(yán)格的要求。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，光伏組件直接決定了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。光伏組件通常由玻璃、EVA、電池片、背板組成。而背板作為光伏組件最外側(cè)的屏障，其質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響封裝性能，更直接決定光伏組件的運(yùn)行性能。KPK型背板作為有雙面含氟材料的特性以及具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)需求日益增加[1]。

但在高電壓條件下，KPK型背板會(huì)發(fā)生局部放電反應(yīng)，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)絕緣出現(xiàn)過(guò)早失效現(xiàn)象。因此，研究KPK型背板局部放電特性，對(duì)進(jìn)一步揭示絕緣老化機(jī)理、延長(zhǎng)背板使用壽命，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，現(xiàn)有研究多是對(duì)PET膜進(jìn)行局部放電分析，但尚未對(duì)整體KPK型背板進(jìn)行相關(guān)研究。例如，英國(guó)Adhikart等[2]分析了PET膜受到局部放電影響后其化學(xué)和物理劣化過(guò)程，研究了其相位成分和元素組成的變化;日本Okamota等[3]進(jìn)行了絕緣材料在高溫情況下發(fā)生局部放電使用壽命研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)放電脈沖會(huì)導(dǎo)致PET膜隨時(shí)間發(fā)生顯著變化。本文對(duì)KPK型背板進(jìn)行了局部放電實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)采集局部放電信號(hào)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理，繪制局部放電相位分布（Phase Resolved Pluse Sequence，PRPD）圖譜，進(jìn)而分析和研究KPK型背板局部放電特性。

1? ? 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文基于脈沖電流法設(shè)計(jì)了局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其原理如圖1所示。

為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，本平臺(tái)選用遠(yuǎn)方GK10010交流變頻穩(wěn)壓電源作為電源輸出，其作用在于當(dāng)輸入端口電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可以及時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)輸出電壓幅值進(jìn)行調(diào)整，以減少電壓波動(dòng)所產(chǎn)生的干擾;為模擬實(shí)際運(yùn)行條件下的局部放電，選用HNSC BK1200型200/3 000 V的升壓變壓器提高實(shí)驗(yàn)電壓;采用佳儀HFCT-050高頻帶脈沖電流互感器收集局部放電信號(hào);利用品極DP-100高壓差分探頭采集樣品兩端電壓信號(hào)，然后將所采集信號(hào)實(shí)時(shí)傳至KETSIGHT MSO-X 4104A示波器和計(jì)算機(jī)中進(jìn)行儲(chǔ)存。

實(shí)驗(yàn)樣品為厚度為340 μm的KPK型背板，在進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)樣品進(jìn)行物理性壓平，以減少其褶皺對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。然后用無(wú)水酒精清洗樣品，以消除表面雜質(zhì)，并使用施耐德SL-001電離鼓風(fēng)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行干燥處理。最后將樣品放置于銅電極之上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，首先測(cè)量樣品的起始局部放電電壓（PDIV），測(cè)得其電壓約為1 364 V，然后將實(shí)驗(yàn)電壓調(diào)至其1.1倍，即1 500 V，并在25 ℃，45%～65%相對(duì)濕度條件下分別以30 min，60 min，120 min進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。

2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)局部放電量、相位和放電次數(shù)及三者之間關(guān)系，繪制PRPD圖譜能夠更深入研究局部放電特性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用如圖2—4所示的PRPD圖譜，其中，“○”表示為局部放電信號(hào)密集區(qū)域，“?”表示局部放電信號(hào)稀疏區(qū)域。

可以看出，樣品在正半周期發(fā)生放電主要集中在18°～85°，而在負(fù)半周期發(fā)生放電主要集中在198°～261°，并且放電幅值在正負(fù)半周內(nèi)是不相同的。理論上，在正半周期和負(fù)半周期的放電規(guī)律應(yīng)是對(duì)稱(chēng)的。但由于電極與絕緣材料之間的氣體在不同程度上被電離擊穿，不同氣體對(duì)正負(fù)半周放電擊穿的空間電荷影響不同，進(jìn)而影響絕緣中的放電發(fā)展。因此，實(shí)際的正、負(fù)半周放電圖形存在一定的差異[4]。對(duì)于放電幅值較低的PRPD圖，放電時(shí)間相對(duì)較短且放電頻率相對(duì)較高。相反，對(duì)于放電幅值較高的PRPD圖，放電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且放電頻率相對(duì)較低。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文搭建了局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)KPK型背板進(jìn)行了局部放電實(shí)驗(yàn)，通過(guò)繪制PRPD圖譜分析了局部放電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同放電時(shí)間下，放電幅值、放電頻率均有所差異。此外，本文還對(duì)引起此差異的原因進(jìn)行了探討，為延長(zhǎng)KPK型背板的使用壽命、分析絕緣失效及老化機(jī)理提供了參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]夏文進(jìn)，章博，張育政，等.從光伏背板技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)談氟碳涂料技術(shù)發(fā)展[J].涂料工業(yè)，2016（4）：82-87.

[2]ADHIKARI D，HEPBURN D M，STEWART B G.PD characteristics and degradation in PET insulation with vented and unvented internal voids[J].Electric Power Systems Research，2013（4）：65-72.

[3]OKAMOTO T，SUZUKI H，HOZUMI N，et al.Partial discharge endurance life of polymer insulating materials at high temperature[J].Electrical Engineering in Japan，1999（1）：15-22.

[4]李慶民，劉偉杰，韓帥，等.環(huán)氧樹(shù)脂絕緣高頻電熱聯(lián)合老化中局部放電特性分析[J].高電壓技術(shù)，2015（2）：389-395.