直流熔断器在光伏系统直流侧配置的分析

作者：陈祥，中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650011

摘要：

直流熔断器作为光伏电站直流侧配置的保护元件，各设计方案中存在一定的差异。本文首先描述熔断器的保护原理、应用情况，结合各标准的技术要求，提出光伏直流熔断器的参数配置要求；再结合目前国际主流设计方案及设备方案，对其存在问题及优势进行阐述。结论认为：直流熔断器配置对保障光伏电站安全可靠运行具有举足轻重的作用，不可或缺。

关键词：光伏组串逆变器；直流汇流箱；直流熔断器；分析

中图分类号：TK89

1 前言

2014年我国光伏电站新增装机容量10.6GW，位列世界第一。 2015年国家能源局规划新建光伏电站容量17.8GW，预计年内我国光伏电站累计装机容量将位列世界第一。

我国在光伏电站快速发展中，针对直流熔断器在光伏系统直流侧配置与否各设计方案、设备方案中还存在差异。本文将从直流熔断器保护原理的基础上，对此差异进行分析。

2 直流熔断器保护原理

光伏电站直流侧根据光伏逆变器方案配置的不同，分别将多个组串并联汇集至直流汇流箱（集中式逆变器方案）或组串式逆变器（组串式逆变器方案）的直流母线。

当若干光伏组串并联，如某组串发生短路故障，直流母线上的其它组串的和电网将向短路点提供短路电流。如缺少相应的保护措施，将导致光伏组件、与之联接的电缆等设备烧毁。同时，可能引起设备附近的附着物的燃烧。目前国内发生多起类似的屋顶光伏火灾事故，因此需在各组串的并联回路安装保护器件以增强光伏电站安全。同时，标准IEC62548[1]针对光伏电站直流侧的过电流保护也进行了明确要求。

基于此，光伏电站设计方案中多在各并联组串回路中串入直流熔断器。

2.1 熔断器的应用情况

串联在电路中的熔断器利用金属的热熔特性在设备出现过电流时切断电路，以保障电路安全运行。其作为过电流保护装置的一种，广泛应用于电力系统、电力电子、电信通信、轨道交通、光伏发电系统等新能源、工业自动化、宇航及军用等相关行业。

目前光伏行业标准解决方案是采用熔断器用于过电流保护。熔断器已成为光伏电站普遍应用的保护器件，广泛的应用于汇流箱、逆变器中，国际主流逆变器厂家也都将熔断器作为直流保护的基本元件。同时，熔断器厂家如Bussman、Littelfuse等也推出了光伏专用直流熔断器。

2.2 光伏电站中对熔断器保护的技术要求
根据标准IEC61730-2[2]要求：光伏组件需具备承受反向电流过载能力。其对承受反向过电流试验的规定如下：若采用最大保险丝额定电流15A的光伏组件，需在20.25A（1.35倍）下进行2小时测试，要求组件不能燃烧、与组件接触的细纱棉布和白薄纸均应无燃烧或焦斑，以及MST 17试验（湿漏电流试验）应满足与最初测试的相同。
因此，光伏组件按照IEC61730-2认证的组件应具备在承受1.35倍的反向电流2h的能力。
针对上述要求，从增强光伏组件的安全性、延长其寿命，应对光伏逆变器（或直流汇流箱）侧的直流母线采取保护措施。因此，IEC60269-6[3]标准对光伏用熔断器（15A）的技术要求为：“需在电流为21.75A（1.45倍）情况下1小时内熔断”。而在UL2579[4]标准中则要求“需在电流为20.25A（1.35倍）情况下1小时内熔断”。
综合组件反向电流过载能力（IEC61730-2）来看，UL标准的要求更合理，而IEC 60269-6标准也将对其要求矛盾之处做出修订：对于额定电流为32A以下(含32A)的熔断器要求通过1.35 倍额定电流时应在1h 内熔断。而对技术反应迅速的主流熔断器厂家如Bussmann、Littelfuse在设计光伏专用熔断器时，亦对上矛盾之处更新了产品参数要求。
因此当熔断器的熔断电流不大于光伏组件可耐受反向电流限值且熔断时间不大于光伏组件可耐受反向电流时间时，熔断器可实现对光伏组件的保护。


2.3 光伏系统中熔断器应用现状

为了避免直流侧短路造成的设备损失。目前，主流的技术方案均在直流侧增加熔断器。同时，国际主流的逆变器设备商亦要求直流侧增加熔断器。例如：SMA公司推出的ST12000/15000/20000/24000TL-US系列逆变器；Sungrow公司推出的SG60KTL/SG40KTL系列逆变器；Kaco公司推出的Powador 60.0TL3逆变器等均采用直流熔断器保护的设计方案。而对于目前存在的每路MPPT中的两路组串并联的设备方案，按照上述技术标准的要求，仍需配置熔断器等过流保护器件对设备进行保护。不采用熔断器等过流保护器件或仅采用二极管用于反向电流保护均存在安全隐患，可能导致设备烧毁，甚至引发火灾。

显而易见，光伏逆变器直流侧（或直流汇流箱）母线配置熔断器为光伏电站直流侧设计的主流方案。

2.4 熔断器保护可能存在的问题

与各类电力工程的中的断路器等保护装置类似，因熔断器的配置，不可避免的增加了“断点”，但目前的的技术手段可避免因设备损坏引起的电量损失。

1）针对组串式逆变器，因其自身具备组串检测能力，可完成每路组串电流电压采集；可实现熔断器的快速检测；及时更换设备，降低组串开路的时间。

2）针对集中式逆变器组成的光伏电站，目前智能汇流箱同样具备组串检测能力。也可避免上述问题。

3 结论

综上所述，无论从熔断器的保护原理；光伏电站的规范要求、应用现状来看。光伏电站的直流配置侧配置熔断器有其合理性及必要性。

1）光伏组件作为光伏电站的主要设备投资，应保护其设备的安全性。同时，根据国际通用标准的要求，应配置熔断器实现对其保护。

2）通过对技术规范合理性的对比分析，选用的直流熔断器应满足1.35倍额定电流下1小时内熔断的技术要求。

3）熔断器为目前广泛应用于光伏电站直流侧保护方案，为主流设计方案。国际主流的逆变器厂家均按照前文IEC的标准技术规定，在直流侧配置熔断器作为保护器件。

4）目前光伏电站中无论是集中式方案还是组串式方案，均可实现对熔断器故障的快速检测，并及时更换。反之，对无熔断器等过流保护元件的系统，一次短路所引起的事故造成的损失将可能是灾难性的，尤其是在建筑光伏和少人值守的大型并网光伏电站中。

参考文献：

[1] IEC62548, Photovoltaic (PV) arrays – Design requirements [S]
[2] IEC61730-2, Photovoltaic (PV) module safety qualification - Part 2: Requirements for testing [S]
[3] IEC60269-6, Low-voltage fuses – Part 6: Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S]
[4] UL2579, Outline of Investigation for Low-Voltage Fuses: Fuses for Photovoltaic Systems Issue No:1 [S]

作者简介：

陈祥（1980），男，硕士，高级工程师，注册电气工程师（发输变）、注册咨询工程师（投资）。就职于中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，2008年起从事新能源类电站设计、研究工作。主持设计国家能源局首座特许权招标项目“甘肃敦煌10兆瓦光伏并网发电特许权示范项目”及数座大型并网光伏电站，主持参与设计的光伏电站近1GW。email：skiecx@126.com