光伏發(fā)電用直流熔斷器的額定電流計(jì)算方法與設(shè)計(jì)選型研究

劉 冉

(濟(jì)南城投設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引言

目前，雖然中國(guó)對(duì)于與光伏發(fā)電相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在不斷完善，但仍無(wú)系統(tǒng)的、專門針對(duì)直流熔斷器的設(shè)計(jì)規(guī)范，此方面的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也鮮見詳細(xì)解讀?；诖?，本文對(duì)IEC、NEC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于光伏發(fā)電用直流熔斷器的設(shè)計(jì)選型及其額定電流計(jì)算方法進(jìn)行介紹，對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異進(jìn)行分析，并通過(guò)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)選型分析。

1 光伏發(fā)電用直流熔斷器的作用和選型

光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)過(guò)電流保護(hù)用元器件可采用直流熔斷器或直流斷路器，這2種元器件均能夠及時(shí)切除過(guò)電流故障，保護(hù)光伏組件免受外部短路故障的影響，防止事故范圍擴(kuò)大，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

中國(guó)民用或工業(yè)用電一般為交流電，其波形為正弦曲線，存在自然過(guò)零點(diǎn)，比直流電更易分?jǐn)唷Ｒ虼?，相較于同規(guī)格的交流斷路器，直流斷路器的價(jià)格相對(duì)更高。雖然直流熔斷器也能可靠地分?jǐn)噙^(guò)電流，且分?jǐn)嗨俣缺戎绷鲾嗦菲鞲欤ǔＶ绷魅蹟嗥鲃?dòng)作后不能再次使用，需要更換。盡管存在上述情況，由于直流熔斷器的價(jià)格較低，其在光伏發(fā)電領(lǐng)域仍得到了大規(guī)模應(yīng)用。

光伏組件廠家一般會(huì)在銘牌上標(biāo)識(shí)光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下得到的短路電流ISC_MOD，但其值通常不高，考慮到光伏組件的版型、原材料不同，ISC_MOD值一般在5～20 A之間；而低壓(380 V)交流配電系統(tǒng)的短路電流值可達(dá)幾十千安。這就要求熔斷器需要在相對(duì)較小故障電流時(shí)也能可靠地分?jǐn)啵瑢?duì)熔斷器提出了更高要求。所以，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)熔斷器一般為光伏發(fā)電專用熔斷器。

2 熔斷器額定電流的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求

目前，GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中并未對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的設(shè)備如熔斷器等的選型做出明確規(guī)定。

GB/T 13539.6—2013《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》[2](等同IEC 60269-6: 2010)中，主要對(duì)光伏發(fā)電用熔斷器的約定熔斷電流進(jìn)行了更新補(bǔ)充，并未對(duì)此種熔斷器的額定電流選型進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)在其附錄BB(資料性附錄)的“BB.3.1額定電流”章節(jié)中僅進(jìn)行了舉例：“例如：在45 ℃和1200 W/m2輻照度峰值時(shí)，熔斷體的額定電流應(yīng)大于等于 1.4ISC_MOD”。

北京鑒衡認(rèn)證中心公布的CNCA/CTS0001—2011A《光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范》[3]中“5.2.4過(guò)流保護(hù)裝置的選型”章節(jié)對(duì)光伏組串匯流箱內(nèi)和光伏方陣匯流箱內(nèi)使用的熔斷器進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，其所引用的公式及說(shuō)明均來(lái)自IEC/TS 62548: 2013，但I(xiàn)EC/TS 62548: 2013已更新為IEC 62548: 2016，相關(guān)章節(jié)內(nèi)容也已進(jìn)行了更新。

根據(jù)GB/T 16895.32—2008《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)》[4](等同IEC 60364-7-712: 2002)中712.433.1和712.433.2的規(guī)定，當(dāng)電纜的連續(xù)載流量大于等于直流側(cè)任何位置的ISC_MOD的1.25倍時(shí)，連接光伏組串和光伏陣列的電纜的過(guò)負(fù)載保護(hù)可忽略。但該標(biāo)準(zhǔn)中提到的上述要求僅是針對(duì)電纜保護(hù)的要求，對(duì)熔斷器等過(guò)電流保護(hù)裝置并無(wú)明確要求。

2.2 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

對(duì)于 IEC 62548: 2016《Photovoltaic (PV) arrays—Design requirements》[5]，中國(guó)目前尚無(wú)與該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的2016年版本較2013年版本有所更新。2016年版本中的6.5.5條對(duì)光伏發(fā)電側(cè)過(guò)電流保護(hù)進(jìn)行了規(guī)定，6.5.5.1-a)條目中針對(duì)單個(gè)光伏組串時(shí)熔斷器的過(guò)電流保護(hù)進(jìn)行了規(guī)定，即：

式中：In為單個(gè)光伏組串的熔斷器的額定電流值；IMOD_MAX_COPR為光伏組件的最大過(guò)流保護(hù)值，即光伏組件允許注入的與光生電流方向相反，但并不會(huì)使其發(fā)生熱斑的最大電流。

6.5.5.1-a)條目還注明，考慮到高太陽(yáng)輻照度條件，In計(jì)算最小值時(shí)設(shè)置了設(shè)計(jì)余量，取系數(shù)1.5。但在設(shè)計(jì)中還是應(yīng)根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)輻照度、當(dāng)?shù)貧鉁貋?lái)確定，因?yàn)檠h(huán)負(fù)載、成組熔斷器及不同平行光伏組串間的不平衡穿越電流都會(huì)導(dǎo)致系數(shù)大于1.5。

值得注意的是，中國(guó)有研究[6]引用了IEC 62548 Ed.1.0 CDV，該研究認(rèn)為“熔斷體的額定電流應(yīng)在(1.4～2.4)ISC_MOD的范圍內(nèi)”，該值明顯與式(1)不符，但I(xiàn)EC 62548: 2013的6.3.6.1條目中的公式與式(1)相同。

6.5.5.1-b)條目規(guī)定了1個(gè)熔斷器保護(hù)多個(gè)光伏組串時(shí)的選型要求，即：

式中：NG為1個(gè)熔斷器保護(hù)的光伏組串?dāng)?shù)量；Ing為保護(hù)多個(gè)光伏組串的熔斷器的額定電流值。

6.5.5.2條規(guī)定了光伏子陣列熔斷器的選型要求，即：

式中：ISCS_ARRAY為光伏子陣列的短路電流；Ina為保護(hù)光伏子陣列的熔斷器的額定電流值。

式(3)中，Ina計(jì)算最小值時(shí)取系數(shù)1.25，而不是式(1)中的1.5，這是為了給光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)者更多的靈活性，但設(shè)計(jì)者也必須考慮到某些高太陽(yáng)輻照度地區(qū)可能出現(xiàn)的熔斷器頻繁熔斷的情況。

本文對(duì)6.5.5.3條中提到的光伏方陣及其上級(jí)過(guò)電流保護(hù)的選型不再贅述。

根 據(jù) NFPA 70—2011《National Electrical Code》[7]中條目690.8(A)的規(guī)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的最大電流值為1.25ISC_MOD。該值是考慮到實(shí)際的太陽(yáng)輻照度會(huì)比STC下的1000 W/m2高后，在電路中可能出現(xiàn)的非故障最大短路電流值。

再根據(jù)NFPA 70—2011中條目 690.8(B)[7]光伏發(fā)電系統(tǒng)中過(guò)電流保護(hù)裝置的額定值規(guī)定，過(guò)電流保護(hù)裝置的額定電流值應(yīng)選擇大于等于條目690.8(A)中所計(jì)算的1.25ISC_MOD的1.25倍，即1.25×1.25ISC_MOD=1.5625ISC_MOD，這也是國(guó)內(nèi)很多研究中提到的系數(shù)1.56的來(lái)源。其與IEC 62548:2016規(guī)定的1.5倍的設(shè)計(jì)余量相近。

綜上可知，IEC 62548: 2016的要求更為詳細(xì)。IEC和NEC規(guī)定的計(jì)算熔斷器額定電流所需的設(shè)計(jì)系數(shù)主要考慮了2個(gè)因素：1)可靠性，即在故障情況下流過(guò)短路電流時(shí)，熔斷器能夠動(dòng)作，但考慮到光伏組串間不平衡電流等因素后，則應(yīng)乘以一個(gè)可靠系數(shù)，以防止熔斷器誤動(dòng)作；2)由于ISC_MOD是在STC下測(cè)得的短路電流，項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)輻照度有可能比1000 W/m2高，因此光伏組件的實(shí)際短路電流會(huì)大于ISC_MOD。

對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC和UL關(guān)于熔斷器額定電流要求的差別，本文不再詳述。

3 設(shè)計(jì)選型舉例

3.1 不同地區(qū)太陽(yáng)輻照度對(duì)光伏組串用熔斷器選型的影響

在中國(guó)，不同地區(qū)的太陽(yáng)輻照度存在較大差別，根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C[8]得到夏季不同緯度下太陽(yáng)時(shí)12:00時(shí)水平面接收的總太陽(yáng)輻照度，具體如表1所示。

表1 夏季不同緯度下12:00時(shí)水平面接收的總太陽(yáng)輻照度Table 1 Total solar irradiance received by horizontal plane at different latitudes in summer at 12:00

從表1中可以看出，中國(guó)20°N～45°N區(qū)域在夏季12:00時(shí)的總太陽(yáng)輻照度大于STC下的太陽(yáng)輻照度1000 W/m2。

目前，隨著光伏組件技術(shù)不斷升級(jí)，中國(guó)大型地面光伏電站所用光伏組件類型已由以多晶硅為主升級(jí)為以單晶硅為主，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率也普遍超過(guò)20%。以某品牌型號(hào)為TSMDE18M(II)的500 Wp單晶硅光伏組件為例，其在STC下的參數(shù)情況如表2所示。

表2 某品牌單晶硅光伏組件參數(shù)情況Table 2 Parameters of a brand of mono-Si PV module

考慮到夏季極端溫度情況，此時(shí)光伏組件的短路電流ISC_TMAX可修正為：

式中：Tmax為光伏組件最高工作溫度，此處取 85 ℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)可得ISC_TMAX=12.486 A。

考慮到中國(guó)20°N～30°N地區(qū)(比如，西藏等地區(qū))的太陽(yáng)能資源豐富，則此情況下光伏組件的最大短路電流ISCmax=12.486×1.14=14.23 A=1.16ISC_MOD，并且ISCmax＜1.25ISC_MOD。

綜上可知，由于太陽(yáng)輻照度的原因，在中國(guó)某些區(qū)域也適用于NEC所采用的1.25倍的設(shè)計(jì)余量系數(shù)。

雖然短路電流的大小與太陽(yáng)輻照度成正比，但在中國(guó)，即使最大太陽(yáng)輻照度一般也應(yīng)小于太陽(yáng)常數(shù)(1367±7 W/m2)。若當(dāng)最大太陽(yáng)輻照度采用太陽(yáng)常數(shù)時(shí)，光伏組件的最大短路電流ISCmax=12.486×1.367=17.07A=1.39ISC_MOD，并且ISCmax＜1.56ISC_MOD。

可見，在最極端環(huán)境情況下，按照1.56系數(shù)選型，光伏組件正常的短路電流值不會(huì)超過(guò)熔斷器額定電流值。但此種情況下的設(shè)計(jì)余量已經(jīng)較小，設(shè)計(jì)系數(shù)宜大于1.56，以保證光伏組件安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 多光伏組串并聯(lián)時(shí)熔斷器的選型舉例

參考表2中光伏組件ISC_MOD的取值12.28 A，選用截面積為4 mm2的光伏專用電纜，則該電纜工作溫度為80 ℃時(shí)的截面載流量I為35 A。光伏子方陣中光伏組串的并聯(lián)數(shù)量N取4，則光伏組串的最大短路電流ISCMAX可表示為：

將相關(guān)參數(shù)值代入式(5)可得ISCMAX=36.9 A。

由于36.9 A大于電纜截面載流量35 A，因此單個(gè)光伏組串也需要設(shè)置熔斷器保護(hù)，此時(shí)熔斷器額定電流In的計(jì)算式為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)可得In=19.2 A，此時(shí)需選擇額定電流為20 A的熔斷器；然后再根據(jù)光伏組串內(nèi)光伏組件的串聯(lián)數(shù)量等，選擇合適額定電壓的熔斷器，這樣熔斷器就能很好地保護(hù)光伏組串。對(duì)可滿足此情況下要求的型號(hào)為PV-20A10F的某品牌熔斷器(圓柱形)參數(shù)進(jìn)行列舉，具體如表3所示。

表3 某品牌光伏發(fā)電用熔斷器的參數(shù)表Table 3 Parameters of certain brand of fuses for PV power generation

3.3 小結(jié)

由于每個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)輻照度不同，因此在實(shí)際的光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)熔斷器的額定電流建議選擇大于1.56倍的光伏組串額定短路電流 (即光伏組串匯流箱處的短路電流)，這個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性更高；而光伏方陣處及其上級(jí)的過(guò)電流保護(hù)可依此類推。但無(wú)論是1.5還是1.56都為推薦參考選型系數(shù)，設(shè)計(jì)者還應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地的實(shí)際環(huán)境情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏發(fā)電用直流熔斷器的選型及其額定短路電流計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，目前除了IEC和NEC標(biāo)準(zhǔn)中明確指出熔斷器額定電流選型系數(shù)應(yīng)采用1.5或1.56外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)與此對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB 50797目前仍為2012年版本，后續(xù)版本應(yīng)補(bǔ)充熔斷器選型標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的光伏電站設(shè)計(jì)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)熔斷器的額定電流建議選擇大于1.56倍的光伏組串額定短路電流 (即光伏組串匯流箱處的短路電流)，這樣較為可靠；而光伏方陣處及其上級(jí)的過(guò)電流保護(hù)可依此類推。無(wú)論是1.5還是1.56都為推薦參考選型系數(shù)，設(shè)計(jì)者還應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地的實(shí)際環(huán)境情況進(jìn)行詳細(xì)分析，這樣才能有效保護(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)。