光伏系統(tǒng)中的安全器件選型與設(shè)計(jì)

光伏電站一般安裝在荒郊野外，或者屋頂，組件必須安裝在露天狀態(tài)下，自然環(huán)境惡劣，不可避免會(huì)遇到天災(zāi)人禍，臺(tái)風(fēng)，雪災(zāi)，沙塵等自然災(zāi)害會(huì)損壞設(shè)備，老鼠等小動(dòng)物咬壞設(shè)備，電纜也有可難被小偷剪斷。電站的安全性非常重要，不管是分布式小型電站，還是集中式大型地面電站，都具有一定的危險(xiǎn)性，所以必須在光伏系統(tǒng)的設(shè)備中，都配有專門的安全器件，如熔斷器和防雷器，平時(shí)默默無(wú)聞，關(guān)鍵的時(shí)候挺身而出，時(shí)刻保衛(wèi)電站安全。

1、熔斷器

熔斷器是根據(jù)電流超過(guò)規(guī)定值一定時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開(kāi)的原理制成的一電流保護(hù)器。熔斷器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設(shè)備中，作為短路和過(guò)電流保護(hù)，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一。光伏電站的熔斷器分為直流熔斷器和交流熔斷器。

光伏電站直流側(cè)根據(jù)光伏逆變器方案配置的不同，分別將多個(gè)組串并聯(lián)匯集至直流匯流箱(集中式逆變器方案)或組串式逆變器(組串式逆變器方案)的直流母線。當(dāng)若干光伏組串并聯(lián)，如某組串發(fā)生短路故障，直流母線上的其它組串的和電網(wǎng)將向短路點(diǎn)提供短路電流。如缺少相應(yīng)的保護(hù)措施，將導(dǎo)致光伏組件、與之聯(lián)接的電纜等設(shè)備燒毀。同時(shí)，可能引起設(shè)備附近的附著物的燃燒。目前國(guó)內(nèi)發(fā)生多起類似的屋頂光伏火災(zāi)事故，因此需在各組串的并聯(lián)回路安裝保護(hù)器件以增強(qiáng)光伏電站安全。

目前直流熔斷器應(yīng)用于匯流箱、逆變器中，用于過(guò)電流保護(hù)。主流逆變器廠家也都將熔斷器作為直流保護(hù)的基本元件。同時(shí)，熔斷器廠家如Bussman、Littelfuse等也推出了光伏專用直流熔斷器。

隨著光伏行業(yè)對(duì)直流熔斷器的需求日益增多，如何正確選用直流熔斷器進(jìn)行有效的保護(hù)，是用戶和制造廠都應(yīng)認(rèn)真關(guān)注的問(wèn)題，選用直流熔斷器時(shí)，不能簡(jiǎn)單地照搬交流熔斷器的電氣規(guī)格和結(jié)構(gòu)尺寸，因?yàn)閮烧咧g有許多不同的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)理念，關(guān)乎到能否安全可靠分?jǐn)喙收想娏骱筒话l(fā)生意外事故的綜合考量。

1)由于直流電流沒(méi)有電流的過(guò)零點(diǎn),因此在開(kāi)斷故障電流時(shí),只能依靠電弧在石英砂填料強(qiáng)迫冷卻的作用下，自行迅速熄滅進(jìn)行開(kāi)斷，比開(kāi)斷交流電弧要困難許多，熔片的合理設(shè)計(jì)與焊接方式，石英砂的純度與粒度配比、熔點(diǎn)高低、固化方式等因素，都決定著對(duì)直流電弧強(qiáng)迫熄滅的效能和作用。

2)在相同的額定電壓下，直流電弧產(chǎn)生的燃弧能量是交流燃弧能量的2倍以上，為了保證每一段電弧能夠被限制在可控制的距離之內(nèi)同時(shí)迅速熄滅，不會(huì)出現(xiàn)各段電弧直接串聯(lián)導(dǎo)通釀成巨大的能量匯集，導(dǎo)致持續(xù)燃弧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)發(fā)生熔斷器炸裂的事故，直流熔斷器的管體一般要比交流熔斷器長(zhǎng)，否則在正常使用時(shí)看不出的尺寸差異，當(dāng)故障電流出現(xiàn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

3)根據(jù)國(guó)際熔斷器技術(shù)組織的推薦數(shù)據(jù)，直流電壓每增加150V，熔斷器的管體長(zhǎng)度即應(yīng)增加10mm，依次類推直流電壓為1000V 時(shí)，管體長(zhǎng)度應(yīng)為70mm。

4)熔斷器在直流回路使用時(shí)，必須考慮電感、電容能量存在所產(chǎn)生的復(fù)雜影響，因此時(shí)間常數(shù)L/R 是不可忽略的重要參數(shù)，應(yīng)根據(jù)具體線路系統(tǒng)的短路故障電流發(fā)生和衰減率做準(zhǔn)確評(píng)估，不是隨意選大或選小都可以。由于直流熔斷器時(shí)間常數(shù)L/R 大小決定著分?jǐn)嗳蓟∧芰亢头謹(jǐn)鄷r(shí)間及允通電壓，所以管體的粗細(xì)與長(zhǎng)短必須合理而安全的選擇使用。

交流熔斷器：在離網(wǎng)逆變器的輸出端，或者集中式逆變器內(nèi)部電源的輸入端，要設(shè)計(jì)安裝交流熔斷器，以防止負(fù)載過(guò)流或者短路。

2、防雷器

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部分都安裝在露天狀態(tài)下，且分布的面積較大，組件和支架都是導(dǎo)體，對(duì)雷電有相當(dāng)大的吸引力，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與相關(guān)電氣設(shè)備及建筑物有著直接的連接，因此對(duì)光伏系統(tǒng)的雷擊還會(huì)涉及相關(guān)的設(shè)備和建筑物及用電負(fù)載等。為了避免雷擊對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設(shè)置防雷與接地系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

雷電是一種大氣中的放電現(xiàn)象。在云雨形成的過(guò)程中，它的某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負(fù)電荷，當(dāng)這些電荷積聚到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成雷電。 雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統(tǒng)、電氣設(shè)備及其配線等處，以及近旁周圍的雷擊。直擊雷的侵入途徑有兩條：一條是上述所說(shuō)的直接對(duì)光伏方陣等放電，使大部分高能雷電流被引入到建筑物或設(shè)備、線路上;另一條是雷電直接通過(guò)避雷針等可以直接傳輸雷電流入地的裝置放電，使得地電位瞬時(shí)升高，一大部分雷電流通過(guò)保護(hù)接地線反串入設(shè)備、線路上。

感應(yīng)雷是指在相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的附近及更遠(yuǎn)些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的過(guò)電壓，這個(gè)浪涌過(guò)電壓通過(guò)靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)的形式串入到相關(guān)電子設(shè)備和線路上，對(duì)設(shè)備、線路造成危害。

對(duì)于較大型的或安裝在空曠田野、高山上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是雷電多發(fā)地區(qū)，必須配備防雷接地裝置。

電涌保護(hù)器(Surge protection Device)是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去常稱為“避雷器”或“過(guò)電壓保護(hù)器”英文簡(jiǎn)寫為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。下面是光伏發(fā)電系統(tǒng)常用避雷器主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明。

(1)最大持續(xù)工作電壓Ucpv：該電壓值表示可允許加在避雷器兩端的最大電壓。在這個(gè)電壓下，避雷器必須能夠正常工作，不可出現(xiàn)故障。同時(shí)，該電壓連續(xù)加載在避雷器上，不會(huì)改變避雷器的工作特性。

(2)額定放電電流(In)：也叫標(biāo)稱放電電流，是指避雷器所能承受的8/20μs雷電流波形的電流峰值。

(3)最大放電電流Imax：給保護(hù)器施加波形為8/20ms的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊1次時(shí)，保護(hù)器所耐受的最大沖擊電流峰值。

(4)電壓保護(hù)水平Up(In)：保護(hù)器在下列測(cè)試中的最大值：1KV/ms斜率的跳火電壓;額定放電電流的殘壓。

電涌保護(hù)器采用了一種非線性特性極好的壓敏電阻，在正常情況下，電涌保護(hù)器外于極高的電阻狀態(tài)，漏流幾乎為零，保證電源系統(tǒng)正常供電。當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，電涌保護(hù)器立即在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速導(dǎo)通，將該過(guò)電壓的幅值限止在設(shè)備的安全工作范圍內(nèi)。同時(shí)把該過(guò)電壓的能量釋放掉。隨后，保護(hù)器又迅速的變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，因而不影響電源系統(tǒng)的正常供電。

除了雷電能夠產(chǎn)生浪涌電壓和電流外，在大功率電路的閉合與斷開(kāi)的瞬間、感性負(fù)載和容性負(fù)載的接通或斷開(kāi)的瞬間、大型用電系統(tǒng)或變壓器等斷開(kāi)也都會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)浪涌電壓和電流，同樣會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備、線路等造成危害。小功率逆變器直流輸入端，為了防止感應(yīng)雷，加入壓敏電阻，如SFV20D系列的壓敏電阻，最大放電電流可達(dá)10kVA，基本可以滿足家用光伏防雷系統(tǒng)需要。