【贴士】光伏工程中组件线缆如何管理（上）

光伏系统的运营寿命预期约为25年，阵列线缆管理解决方案需要满足该寿命预期。因此设计者与施工人员需要持续解决阵列中裸露线缆管理相关的挑战。

对裸露线缆进行安全可靠且符合标准的线缆管理并非易事

组件自带引线可能过长或者过短，对特定的项目需要在线缆支撑与连接方法上定制适用的解决方案。微型逆变器和交流组件的装备接地、直流导线及逆变器出线也必须进行适当的管理以防护潜在的风险。光伏阵列中的多种线缆常常固定在组件边框，支架导轨和其他支架系统结构件上。把线缆固定起来似乎是一项简单工作，但事实上事实起来还是需要面临数个挑战。

使用抗紫外的柔性塑料扎线带对线缆进行绑扎是一种常见的既方便又廉价的解决方案，但是这些扎线带并不能一劳永逸，它们需要定期检查和更换。不锈钢电缆夹常常用来把线缆固定在组件边框上，但是这种方法只能同时固定2根线缆，而且也不是所有的组件都有边框。结构线槽或者集成在组件支架导轨上的线槽可以辅助保护线缆，但是也要注意线槽端口的锐利边角有可能对线缆绝缘造成损伤。又因支架导轨一般都是东西向或者南北向，所以当线缆走向垂直于导轨所在平面时，导线无法得到有效的支撑。

光伏行业一直缺乏针对穿梭于阵列间的暴露导线的标准化线缆管理解决方法。

伴随着严苛的环境状况，尤其是暴露在紫外辐射、大风、极端环境温度、冰雪和扬尘中的阵列导线，线缆管理也一直是大多数光伏安装商的阿喀琉斯之踵。本文中作者与数位光伏行业专家针对线缆管理与暴露电缆防护进行了讨论，以更好地理解行业内现存的挑战与顾虑、规范的要求与增补需求等，这些专家包含但不限于规范编制者、现场验收人员、运维服务专员。

线缆管理的重要性

大多数光伏系统都使用组件自带的引线完成组件间的电路串联。所以阵列中的组件引线与组串回线在安装好之后都是暴露在空气中，也意味着无法像放在穿线管中的线缆一样受到适当的防护。在电站正常运行时，如果这些暴露导线的防护失效，那么它的电压与电流都足以使无意接触的人致命或者引发火灾。因此我们需要线缆管理解决方案以确保光伏系统安全可靠，预防上文中提及的种种极端情况。

恶劣的环境

一位新墨西哥州立大学的高级电气研究专员，对暴露在极端环境中的线缆材料研究提供了可靠的背景支撑。在参阅NEC对线缆管理要求之前，我们必须要对室外环境的恶劣程度有所认知：环境温度范围为-60°C （-76°F） 至+90°C （+194°F）。每年紫外照射时间超过2000小时。90–130 mph风速的持续风与阵风也十分常见。室外环境中还会受到沙雹雨雪的侵蚀以及各种动物的光顾骚扰，某些动物时不时还会啃食线缆外部绝缘。所有室外输配电系统面临的导线环境暴露问题在光伏系统中一个也不少，甚至更多。

糟糕线缆管理的后果

笔者曾从事部分火灾调查。处于调查细则的保密原则，在此只能告知数种类型的事故都是由于糟糕的线缆管理引起。希望以下火灾案例能引起读者们的重视：

USE-2导线被锐利边角割裂造成接地短路，光伏阵列跳闸。

　　对导线端子未做标记，在汇流箱内电极反接造成短路、汇流箱起火。

　　未按说明书指示正确安装热膨胀附件造成起火，尤其是回路中涉及多种附件的线路。

　　未复核热膨胀附件与导线的总重量造成导线与屋檐锐利边角受压接触。

　　未合理排布电缆托架中热膨胀导线，导致接线盒附件受损。

　　未合理使用不锈钢电缆夹导致导线绝缘受力过大。

　　线缆接头接合不牢。

　　接线盒与线缆接头受压，导致导线间连接松动或者断开，在有负载的情况下会引起电弧。

　　在汇流箱的端子紧固时使用了不当的扭矩。汇流箱端子扭矩不当的情况下，会随着热循环次数的增加，屋顶的振动加速松动。

光伏组件在至少40至50年甚至是更长的工作年限中都会产生足以致命的电压和电流——30V以上的点击和30~50毫安的电流就足以使心脏停止跳动。所以那些暴露线缆甚至是在电缆托架内安装的线缆必须能够抵御恶劣环境，其绝缘材料应在整个生命周期都足以维持性能以确保系统安全。笔者见识过在暴露在太阳下使用了33年仍然表现良好的USE-2导线，也见过3个月就连接松动出现磨损问题的USE-2导线。

接地的风险

光伏阵列中的暴露线缆在安装时很容易接触到组件边框和支架导轨。导线在安装与绑扎的时候应该注意对绝缘的防护，以免其被物理磨损或者穿刺造成接地故障。接地故障比较难以发现，一般是火灾事故之后才追溯到这样的结果，就像2次影响非常大的加州伯克利光伏系统火灾（“The Bakersfield Fire，” Solar Promagazine， February/March 2011， and The Ground-Fault Protection Blind Spot： A Safety Concern for Larger Photovoltaic Systems in the United States， Solar America Board for Codes and Standards， January 2012.）。接地保护盲区的接地故障在事故时一般会引发电弧甚至火灾。接地故障不仅仅导致光伏系统宕机、发电收益受损，更应是所有系统设计师、电气工程师、安装商和运维商要重视的安全隐患。避免接地故障的核心是进行核实的线缆管理，尤其是阵列中容易受损的暴露导线。

业内的实践

为了尽可能地分享实践经历以共同攻克光伏系统线缆管理的难题，笔者请教了数个业内同事分享他们关于光伏系统线缆管理的专业知识。

我们都喜欢简便的工作方法，但是仅仅只是把直流导线放在屋面上并不能称之为线缆管理，即使它们已经被绑扎好。当线缆被直接放在屋面时，运维人员和其他在楼顶上逗留的人员都有可能踩踏线缆或者被线缆绊倒。

常见的线缆错误管理

线缆管理中最常见的问题是由于安装不当造成的弯扭夹引起接地故障。例如组件引线在安装时被夹在组件边框与金属支架之间。其他状况经常发生在使用金属电缆夹绑扎的线缆。考虑到即使使用抗紫外的塑料电缆夹也会逐渐失效，且需要定期更换，所以我们倾向于金属电缆夹以最大化电缆夹的单次使用寿命。但是金属电缆夹的边缘会切入电线绝缘引起各种各样的故障。这种现象在追踪系统中尤其严重，特别是线缆会随着追踪器发生位移，而且接地故障也只发生在特定的姿态会使得故障难以定位排查。

线缆接触到锐利边角也是线缆管理中的常见问题之一，导线接触到粗糙的屋顶材料，把直流导线放在薄膜屋顶上，不遵守NEC 338.42规定的弯曲半径，托架支撑不足以及接线盒和连接器受压。

斜屋顶阵列也常常忽视线缆管理以及保护。即使斜屋顶系统上的线缆比较隐蔽或者不易触碰，但是线缆还是会受到冰，碎石和动物的侵害。

执行线缆管理时会遇到的挑战

除了小动物的侵扰，我们面临的最大的问题还是如何在安装25年寿命系统时依旧能满足NEC规则，为此革新的技术及材料必不可少。现有的用以优化线缆管理的材料都比较贵，例如使用不锈钢的电缆夹和镀锌的钢制电缆夹。我们需要重新审视这个问题，也需要组件制造商与支架制造商合作共同探索更加简便的实施方案。笔者认为这些问题不应当由安装商解决。NEC 392.3（B）（1）（a） 要求在电缆托架中的单芯导线必须大于1/0号且标记。显然很多直流导线都是使用不合规的小于1/0号的PV导线和USE-2导线。是否能使用这种线缆解决方案取决于当地相关部门的态度，不同的线缆方案将对设计和验收人员造成一定的困扰。其他问题也涉及到组件的引线。2行竖排或者4行横排在大型地面电站中的应用比较普遍，依赖于组件摆法其引线接入电缆托架的难易程度也有所不同，所以需要使用电缆夹或者扎线带把线缆固定在组件边框或者支撑导轨上。而且要注意如果把组件引线也固定在电缆桥架中，桥架填充率的计算应包含这些引线。

平屋顶压载系统中的行间跨接线也是项目中的难点。大多数的支架制造商都不提供整体的解决方案，但是已经有少数支架制造商开始着手解决这些挑战。安装刚性或者其他金属穿线管是非常耗时的，而且PVC管在屋顶环境使用寿命有限。在实际光伏项目应用UL认证中不包含支架，而用于其他行业的电缆桥架不是成本过高就是还未通过UL认证。

使用穿线管进行行间跨接的另一个问题是屋顶上的安装间距。电缆桥架的安装高度一般高于屋顶平面6英寸，这可能导致电缆桥架与组件或者支架之间的安装间距不足。

行间跨接线管理的挑战平屋顶支架制造商很少提供行间布线管理的解决方案，只有部分安装商选择自行解决。

线缆管理是安装过程中工作量最大的任务。如果在安装之前没有一个条理清晰的线缆管理计划，那么这项工作不仅很枯燥无味，而且在安装导体阵列时还将会面临缺少合适材料和工具的困扰。在六月份105华氏度的屋顶上碰到这种情况，施工人员就会想着去“走捷径”。因此有经验的专业施工人员需要训练新手让其重视线缆管理。

如果要坚持NEC334.30规则的要求，那么横向的组件安装将给线缆管理带来大量问题。该规范具体的要求是导线紧固位置与其相关的各组件接线盒、配电柜、穿线管或者其他端子不能超出12英寸。如果同一行的横向安装组件的接线盒都是同一朝向的，那么由于组件引线太短，为了满足规范要求在连接组件引线时必须要增加跨接线。跨接线施工会使时间与物料成本显著增加。

选择线缆管理解决方案时考虑的要素

关键因素包括规范的要求、方便安装和人力成本。对于大型地面电站，由于线缆管理解决方案的附加成本都是与支架相关的，所以解决方案的可选项就归结为支架系统的选择。

基于人力优先于物料的原则，相对于当地住建部门的规定和成本，我们应优先考虑应用场景、安装处所和NEC规范。

在没有特殊要求时，我们的主要考虑因素包括：规范的要求，当地住建部门的许可，确保线缆得到有效防护的经验方法，耐用性，易于安装，成本。

我们考虑的是线缆管理产品的预期生命周期以及产品是否能满足25年的需求，包括抗UV等级和暴露在暴晒或高温条件下的易碎性。我们也会评估该解决方案能否保护导线不受安装结构的锋利边缘损伤，以及能否让导线不接触屋顶表面。我们需要的解决方案要能够避免以后可能发生的问题，比如接地故障。

锋利的边缘。当安装布置光伏阵列的导线时，要格外注意保护导线的绝缘，避免接触到组件支撑导轨的锋利切口和锋利金属部分。要注意导线和相关安装部件在大风或者热膨胀的条件下会产生相对移动。

最小弯曲半径。NEC 338.24规定明确指出，最小弯曲半径是导线直径的五倍。12号光伏导线的平均外径为0.219英寸，所以其最小弯曲半径大约是1英寸。组件引线太短会导致导线拉的过紧，违反最小弯曲半径的规定的同时也会使组件连接点处应力集中。

当选择支架系统和组件时关于优化线缆管理所考量的因素

目前安装方法和组件制造商之间是严重脱节的。通常情况，对于纵向安装组件引线会太长但是对于横向安装组件引线又会太短。在纵向情况下，每一个组件的安装都会浪费几英寸的铜导线，对于制造商而言这会增加成本，对于安装者而言，又要为管理多余线缆而头痛。在横向情况下，几乎没有组件的引线长度长到可以满足NEC要求。好的线缆管理意味着弯曲半径至少是线缆直径的五倍，以保证组件引线被拉到边框或者支架系统的连接点时组件接线盒的应力不会过大，同时满足距离接线盒或者配电柜的12英寸内紧固的要求。过短的引线在物理连接上一定无法同时满足上述要求。

诚然，当下许多支架系统被设计的可以进行快速安装，其中很多在安装的过程中也能同时完成组件接地，但是少有支架系统考虑到线缆管理的便利。当评估新的支架系统时，我们通常会想象一种匹配的线缆管理解决方案，计算出由于线缆管理的复杂度引起的成本增量以校正支架成本。组件生产商一般会考虑到线缆管理，但是偶尔也会出现引线过短导致组件横向安装时过于绷紧甚至必须使用额外的跨接线完成连接。例如边框整合了耐用线缆夹的组件，这样的组件自带新颖强大的引线管理功能。