光伏電站MC4連接器變色監(jiān)視護(hù)套研究

中廣核新能源貴州分公司 羅 康 楊明進(jìn) 胡 曦 陳太剛 王 昊

光伏電站每一個環(huán)節(jié)都充斥著安全的不確定性，在系統(tǒng)建設(shè)期就應(yīng)做好對光伏發(fā)電各個環(huán)節(jié)質(zhì)量把關(guān)，處理光伏區(qū)故障時要確保各個項(xiàng)操作的正確。連接器類的小元件與光伏發(fā)電系統(tǒng)的融合，在光伏電站設(shè)計(jì)階段、工程建設(shè)階段甚至運(yùn)維階段產(chǎn)生的問題都因其過于應(yīng)用廣泛而常被忽視。當(dāng)光伏發(fā)電單元運(yùn)行發(fā)電時，在連接器導(dǎo)體內(nèi)有電流通過時，連接器的接觸電阻增大將導(dǎo)致導(dǎo)體運(yùn)行溫度增加，并超出該元件設(shè)計(jì)時所能承受的最高溫度。此時連接器表面的絕緣材料將逐漸碳化，由絕緣體逐漸變?yōu)閷?dǎo)體，最終發(fā)展為電氣短路故障。在高溫、高濕的環(huán)境中，潮濕空氣易侵入MC4連接件，會加快導(dǎo)體因接觸不良而發(fā)熱、短路的發(fā)展速度，該環(huán)境中運(yùn)行的MC4連接件更容易出現(xiàn)上述故障。

1 具有發(fā)熱自檢功能的光伏電站MC4連接器介紹

1.1 光伏電站MC4連接器現(xiàn)狀調(diào)查

光伏組件以及MC4連接器長期暴露在風(fēng)雨、烈日和極端的溫度變化中，連接器須能適應(yīng)這些惡劣環(huán)境，同時要做到防水、抗高溫和對紫外線具有穩(wěn)定性，還要做到絕緣保護(hù)、高載流能力及運(yùn)行穩(wěn)定性。其中，MC4連接器的低接觸電阻也是重要考量指標(biāo)。MC4連接器采用低電阻設(shè)計(jì)，其對內(nèi)導(dǎo)體還須考慮電氣連接部分具有適當(dāng)電氣連接接觸壓力配合，其絕緣部分還須考慮實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)奈锢磉B接。

雖然不同廠家生產(chǎn)的MC4連接器外形多有不同，但整體框架和MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體的連接方式基本原理幾近相同。現(xiàn)在市場中的MC4連接器材料用的是絕緣材質(zhì)中的硬質(zhì)塑料，為實(shí)現(xiàn)MC4連接器的設(shè)計(jì)和安裝簡便，利于同光伏組件配合使用、利于施工現(xiàn)場安裝，逐漸成為MC4連接器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。盡量降低MC4連接器內(nèi)連接導(dǎo)體的觸電阻，同時降低整個光伏發(fā)電鏈路整體損耗，提升光伏發(fā)電各單元發(fā)電效率有著強(qiáng)有力的促進(jìn)作用[1]。

1.2 自主專利的發(fā)熱自檢MC4連接器護(hù)套

隨著光伏產(chǎn)業(yè)在市場中的發(fā)展，MC4連接器已經(jīng)成為光伏發(fā)電行業(yè)中不可缺少的一個重要組成部分。本專利致力于在極端環(huán)境下，如在亞熱帶的夏季高溫、熱帶高溫潮濕、沙漠或鹽堿等惡劣環(huán)境下，給出一種可為MC4連接器提供保護(hù)的護(hù)套解決方案，為上述環(huán)境中MC4連接器能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

經(jīng)過對光伏電站全年排查，以現(xiàn)場實(shí)際實(shí)施驗(yàn)證為基礎(chǔ)，開發(fā)了一款具備防潮能力和高溫變色預(yù)警MC4連接護(hù)套，并且對其相應(yīng)使用的連接器進(jìn)行技術(shù)分析，考慮過低變溫點(diǎn)變色層易受外界環(huán)境或者制程影響導(dǎo)致提前變色，增加故障MC4連接器發(fā)熱故障判斷的困難程度，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了多款適用于不同環(huán)境溫度下的MC4連接器變色膠帶。這樣MC4連接器護(hù)套具有較強(qiáng)的密封性，配合使用更適宜本區(qū)域環(huán)境溫度下的變色護(hù)套，既能提升MC4連接器絕緣密封性，又能夠達(dá)到對MC4連接器發(fā)熱情況的監(jiān)測。根據(jù)變色情況能快速判斷該MC4連接器內(nèi)部導(dǎo)體接觸電阻情況，安排預(yù)防性檢修。利用該護(hù)套能提升光伏電站MC4密封性，輔助快速查找存在發(fā)熱隱患的MC連接器，整體提升光伏電站運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。

圖1 MC4連接器護(hù)套模型圖

2 MC4連接器變色監(jiān)視護(hù)套的功能

2.1 變色監(jiān)視護(hù)套的變溫點(diǎn)控制

將變色監(jiān)視護(hù)套設(shè)置于MC4連接器易發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行測試，考慮到阻水密封膠與變色層材料粘連困難性，變色阻水膠帶定位為變溫、預(yù)警作用，封膠層為阻水作用，將上述兩種材料分開進(jìn)行貼合使用，最后再將阻水密封膠和變色層壓合形成一體化操作。同時使用壓敏膠，防止膠層厚度影響熱傳導(dǎo)，并適當(dāng)調(diào)整變色層溫度。試驗(yàn)初期因?yàn)镸C4連接器發(fā)熱情況不便于現(xiàn)場模擬，為充分保證變色膠帶的試驗(yàn)可靠性，先期在烘箱內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)開始方案是控制烘箱加熱溫度對變色膠帶進(jìn)行加熱，模擬MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體因接觸不良而發(fā)熱的工作溫度對變色膠帶顏色的影響。

驗(yàn)證方法：先在加熱臺上貼一層密封膠，再貼合變色膠帶，然后控制加熱臺溫度觀察變色膠帶變色情況。對變色膠帶發(fā)生顏色、溫度變化時間進(jìn)行記錄，針對MC4連接器運(yùn)行環(huán)境溫度不同的光伏電站，采取對變色膠帶內(nèi)參雜變色組份總量的不同來擴(kuò)寬變色膠帶的適應(yīng)環(huán)境寬度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際使用應(yīng)用檢測可發(fā)現(xiàn)，本自主專利的發(fā)熱自檢MC4連接器護(hù)套具有較寬的溫變系數(shù)，同時具備較廣的適應(yīng)性，具備較強(qiáng)的推廣應(yīng)用能力。

變色膠帶具備更廣的變色溫度，其對不同運(yùn)行環(huán)境溫度的光伏電站適用性更廣，以此來降低變色材料的采購成本。同時針對試驗(yàn)范圍內(nèi)的光伏組件MC4護(hù)套的密封膠進(jìn)行統(tǒng)一選型和設(shè)計(jì)，擴(kuò)寬密封膠的適用范圍。利用上述兩種方案同步實(shí)施，能降低MC4連接器防潮變色護(hù)套的采購成本。當(dāng)MC4連接器具備了在高溫、高濕環(huán)境下能夠不受環(huán)境濕度影響穩(wěn)定運(yùn)行時，且MC4連接器內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良發(fā)熱時變色膠帶能反映出該隱患時，就能將光伏電站運(yùn)行維護(hù)由“滅火”似的消缺提升至光伏電站隱患自主處理階段。不但能提升光伏電站發(fā)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，更能提升光伏電站運(yùn)行安全性，最終是提升了光伏電站的發(fā)電能力[3]。

2.2 保護(hù)高溫下阻水功能

當(dāng)環(huán)境溫度升高且空氣濕度較大、甚至是夏季雨后最惡劣的情況，環(huán)境溫度較高且MC4連接器因內(nèi)部導(dǎo)體虛接、MC4連接器運(yùn)行溫度逐漸升高時，也須保證阻水膠帶的阻水功能，防止阻水膠帶運(yùn)行過程中發(fā)生開膠，導(dǎo)致潮濕空氣進(jìn)入MC4連接器引起其接地甚至短路的狀況發(fā)生。在高溫、高濕的試驗(yàn)環(huán)境下測試阻水膠帶阻水功能時，時刻觀察加熱臺的加熱溫度是否發(fā)生波動，而不能長時間的維持加熱臺的溫度恒定。因MC4連接器內(nèi)部導(dǎo)體虛接時其發(fā)熱是恒定的，若因試驗(yàn)環(huán)境下加熱、增濕過程中阻水膠帶發(fā)生溫度的動蕩，將不能很好的模擬現(xiàn)場實(shí)際情況，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差[4]。

試驗(yàn)時利用恒溫加熱臺持續(xù)保持MC4連接器阻水膠帶溫度，確保不會因試驗(yàn)臺濕度變化而發(fā)生溫度動蕩，持續(xù)記錄并測量MC4連接器阻水膠帶表面溫度情況。此測試行為模擬光伏MC4連接器內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良發(fā)熱的狀態(tài)，以及模擬光伏MC4連接器發(fā)熱的熱積累變溫時間，以此變溫時間來對MC4連接器溫變護(hù)套的具體功能進(jìn)行改進(jìn)與研究。

如，在MC4連接器內(nèi)部導(dǎo)體發(fā)熱量少、熱積累溫度低時，MC4連接器變色護(hù)套保持穩(wěn)定、降低故障誤判率。隨著時間推移、熱積累溫度的升高，光伏組件MC4連接器內(nèi)部溫度達(dá)到變色護(hù)套變色溫度時顏色逐漸發(fā)生變化，將MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體接觸不良的安全隱患體現(xiàn)出來。同時MC4連接器阻水膠帶具有較高的熱穩(wěn)定性，如若夏季被雨淋濕、冬季雪花堆落在光伏組件MC4連接器上不能及時融化時，阻水膠帶也將會發(fā)揮其優(yōu)勢，防止MC4連接器進(jìn)水形成直流接地或光伏發(fā)電單元短路的幾率。

3 MC4監(jiān)視護(hù)套對絕緣材質(zhì)的影響

3.1 MC4連接器變色護(hù)套溫變特性試驗(yàn)注意事項(xiàng)

MC4連接器變色護(hù)套在研究的過程中，不僅要保證MC4連接器變色護(hù)套對高溫有足夠預(yù)警能力，還要注重其與MC連接器阻水膠帶的貼合緊密性。如果因?yàn)樽兩o(hù)套與阻水膠帶貼合不夠緊密，MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體接觸不良發(fā)熱溫度將部分被損耗掉，降低了變色護(hù)套對MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體接觸不良檢測的準(zhǔn)確性，變色護(hù)套對MC4連接器內(nèi)導(dǎo)體接觸不良檢測的準(zhǔn)確性提升，更加強(qiáng)了MC4連接器運(yùn)行時的穩(wěn)定性[5]。

試驗(yàn)時可通過烘箱加熱變色膠帶外層，驗(yàn)證變色層與外界溫度的變化是否均衡一致。如不是同時升溫變色，則要加以修改變色護(hù)套參雜感溫物質(zhì)的均度，當(dāng)變色護(hù)套外層的變色基本能達(dá)到與烘箱內(nèi)空間溫度變化相同時，變色護(hù)套的變色特性就能實(shí)現(xiàn)變色能力和MC4連接器表面溫度相符合。變色護(hù)套在試驗(yàn)環(huán)境和工程實(shí)際應(yīng)用環(huán)境均完成了該特性的實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)最后需要注意變色護(hù)套的穩(wěn)定考慮。因?yàn)樽儨貙硬牧咸匦缘牟煌兩o(hù)套材料穩(wěn)定性也是不同的。但是需要考慮膠帶長時間在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，紫外線、早晚溫度差、環(huán)境濕度等環(huán)境特性均會對變色護(hù)套運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。故通過烘箱加熱模擬不同環(huán)境溫度對變色膠帶的影響時，要對上述環(huán)境特性進(jìn)行考慮，以確定MC4連接器變色護(hù)套安全運(yùn)行環(huán)境特性和溫度，以增加MC4變色護(hù)套的耐熱性以及穩(wěn)定性。

3.2 MC4連接器阻水膠帶材料的選取研究

針對于高溫預(yù)警阻水膠帶的研究，對其相關(guān)使用材料也要有選取考量。從組件到溫度監(jiān)控線和填充層都將要有嚴(yán)格的把控。內(nèi)芯選取耐高溫屏蔽導(dǎo)體線芯、半導(dǎo)電阻水膠帶層、變色膠帶以及密封膠，其中運(yùn)行使用時防止：密封膠貼合時避免手直接接觸膠體，避免因膠粘手導(dǎo)致膠與連接器貼合不緊。MC4連接器阻水膠帶材料選取時，還需考慮若因?yàn)楣夥娬具\(yùn)維人員未及時發(fā)現(xiàn)MC4連接器發(fā)熱的故障隱患，導(dǎo)致MC4連接器長時間處于發(fā)熱狀態(tài)，MC4連接器阻水膠帶需要有足夠的熱穩(wěn)定性。不能因?yàn)镸C4連接器阻水膠帶能夠?qū)崿F(xiàn)阻水能力而喪失熱穩(wěn)定性，嚴(yán)防阻水膠帶因?yàn)楦邷囟蓟蚋邷厝紵?，成為光伏電站運(yùn)行的新安全隱患。

3.3 提升光伏電站發(fā)電能力

通過上述分析，自主專利的變色阻水MC4連接器護(hù)套，將光伏電站運(yùn)行維護(hù)由“滅火式”的被動故障處理提升至光伏電站隱患整改。隨著處理思路的變化，能夠提升光伏電站運(yùn)維的安全性和故障處理的效率，更重要的是光伏電站運(yùn)維人員能夠合理地選取隱患整改的時間，避開光伏電站輻照度較好的時間段進(jìn)行隱患整改，降低電量損失，提升故障處理安全性。

光伏電站運(yùn)行維護(hù)第一大的痛點(diǎn)不是故障處理，而是故障點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。尤其對于大型光伏電站要在光伏區(qū)去尋找到疑似MC4連接器發(fā)熱安全隱患，猶如大海撈針。自主專利的變色阻水MC4連接器護(hù)套就是通過變色護(hù)套將存在發(fā)熱安全隱患的MC4連接器標(biāo)識出來，提高安全隱患發(fā)現(xiàn)的效率。

光伏電站運(yùn)行維護(hù)第二大痛點(diǎn)就是每當(dāng)進(jìn)入天氣變化比較頻繁的夏季，MC4連接器時常發(fā)生進(jìn)水短路造成逆變器停機(jī)，甚至引發(fā)光伏區(qū)火災(zāi)的安全風(fēng)險。并且夏季光伏區(qū)輻照度較高，逆變器停機(jī)故障損失較大。自主專利的變色阻水MC4連接器護(hù)套就能很好的解決該痛點(diǎn)，將廠家成批量生產(chǎn)的MC4連接器阻水能力較差，或者施工時因工藝控制問題破壞了MC4連接器阻水能力等安全隱患充分避免，以提升MC4連接器運(yùn)行穩(wěn)定性。

自主專利的變色阻水MC4連接器護(hù)套充分抓住上述兩個光伏電站運(yùn)維過程中的痛點(diǎn)，找到一條事宜的解決方案，提升了光伏電站MC4連接器運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了因?yàn)镸C4連接器故障所導(dǎo)致的電量損失，總體能夠提升光伏電站的發(fā)電能力。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，光伏能量隨之出現(xiàn)在大家視野，光伏組件的消耗也在大幅度的增加，所有的能源基于環(huán)境與溫度的影響逐漸被約束著，自主專利針對于發(fā)熱的MC4護(hù)套能夠?qū)夥l(fā)電成為未來可持續(xù)能源的目標(biāo)做一個助推作用，使我們未來光伏產(chǎn)業(yè)運(yùn)行維護(hù)時能更穩(wěn)定、更高效。