太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论

在光伏系统的设计中，最重要的部分并非系统结构有多合理，输出的电压电流有多匹配逆变器或者系统年产量可以优化多少个百分点，而是最大化的保证系统的安全性。对于整个光伏系统而言，最需要安全规范的是直流部分，而直流部分中最关键的安全点便是光伏阵列和隔离开关。近日通过网络平台留意到不少媒体报导光伏分布式系统的住户项目被积极的申报和安装，或者被趣称为年底的“抢装潮”。据我有限的了解范围，国内目前对于光伏系统的接地尚未有硬性的标准规定或者部分安装公司对于这部分的概念尚且模糊，希望通过本文对于澳大利亚接地(Earthing)和屋顶隔离器(Roof Isolator)的标准和规定的介绍和分析可以给国内安装公司以及光伏业内人士作为参考，并对国内光伏系统安全性的提升起到推动左右。

接地 (Earthing)

关于光伏系统接地大体可以分为两类，保护性接地(Protective Earthing)和功能性接地(Functional Earthing)。澳大利亚标准(Australian Standards)AS/NZS 3000:2007 和AS/NZS 5033:2012 对于保护性接地强调的是等电位接地(Equipotential Earthing)，换言之就是整个阵列系统暴露在外的金属部件(边框，支架等)需要接地。同时，这条标准是强制性的。我会以图一和图二为例来解释说明。

图一：未接地的组件边框 (资料来源：新南威尔士州大学课件资料)

图二：接地的组件边框(资料来源：新南威尔士州大学课件资料)

对于无隔离式逆变器(Transformerless Inverter)，根据不同的拓补结构(topology)，光伏系统的正极或者负极是和AC通路的。如果边框没有接地，在阵列出现故障的情况下，组件边框就存在带电的危险，而逆变器对于这种故障是有可能无法识别或者报错的。关于故障诱发的因素有很多，本文暂不多赘述。如图一所示，如果安装工人或住户触碰边框的同时，身体某部分又和地面保持通路，此时故障电流(Fault Current)就会流过身体。这种“电击”伤害和我们平时说的“电伤”对于人体完全是两个程度，“电击”的伤害要严重的多，而且人体对于交流电是非常脆弱的，安全电流上限是10毫安，100毫安的交流电通过人体超过1秒钟就可能致命。然而在图一的情况下，由于通路的电流值可能低于保险丝的熔断电流，也有可能因为整个回路的反应时间(Loop Responding Time)过长，触电人员可能在此情况下被电击伤害或失去意识而从屋顶滚落。如果组件边框接地的话，如图二所示，如果系统出现故障，过载的电流会熔断保险丝进而开路交流端。当操作人员触碰系统的时候，由于是开路所以是处在相对安全的状态并且极大地降低了触电危险。其实还有一种情况，就算没有出现边框绝缘故障，由于逆变器是高频IJBT开关控制，这会在直流端电线上形成少量的类似交流抖动(AC-link Fluctuation)并会积累在边框上，时间长了便会积累一定量的电压。如果维修工人在无意识情况下触碰到了，会有明显的电击感，造成安全隐患。组件边框接地是可以有效地移除这类问题。

隔离式逆变器系统虽然直流和交流两部分是隔离开的，但是光伏系统的边框和支架依然需要强制性接地。主要原因有两个，首先，这符合澳大利亚标准AS/NZS 3000:2007的标准要求：一切暴露在外的金属部件需要接地保护，同时还保持了隔离式逆变器系统和非隔离式逆变器系统对于等电位接地要求的一致性;其次，组件边框接地将会给逆变器提供接地故障(Earth Fault)的探测参考值。这里提到的接地故障，是另外一个光伏系统设计时必须要注意的故障情况。造成接地故障的原因各种各样，简单来说就是组串或阵列的正极或负极因为绝缘问题而和地面通路了。在澳大利亚标准AS/NZS 5033:2012中，把第一个接地故障称之第一故障(First Fault)，而在第一故障排除前又出现的另外一个故障称之第二故障(Second Fault)。

关于接地故障的危险性涉及了若干个不同的方面，我们就选取三个相对严重的情况来举例说明。对于一个同时包括多个并联组串(Multi String)的光伏系统，其中一个组串出现了接地故障，此时其他组串的电流因为电势差将会注入发生第一故障的组串。每个组件都有自身最大反相电流的标准值，以前叫Maximum Reverse Current，现在叫Maximum Series Fuse Rating，当从其他组串注入的电流超过这个最大值时，组件半导体结构就可能被破坏，变身为一个相当大阻值的发热器，根据热能公式 ，随着时间的推移，热量积攒到一定程度，板子就存在着很大几率的自燃的危险。而且这种自燃不是单个组件自燃，而是一整个组串自燃。这种情况在光照越强的地区和越强的季节(比如甘肃的夏季)就风险越高。我们在今年初去调研了位于澳大利亚中部的沙漠地区Kings Canyon的一起事故，起火原因就是系统在设计的时候没有考虑到反相电流的过载保护(Overcurrent Protection)这一块。澳大利亚标准AS/NZS 5033:2012 中对于过载保护的保险丝电流值的取值范围有着明确的规定，介于1.5倍和2.4倍的组件短路电流值之间，其实也是参照着组件的Maximum Series Fuse Rating制定的。当我在微博中提出这一点时，有不少业内朋友私信问我是否可以使用阻流二极管(Blocking Diode)来代替保险丝(Fuse)。然而无论是从元件内部结构上还是安全参数上，答案都是不可以。当然在系统设计时把阻流二极管设计进去是没有问题的 ，AS/NZS 5033:2012在4.3.11章节对于这部分也有明确的选择标准规定，同时明确的陈述“Blocking diodes may be used but they are not a replacement for overcurrent protection。”(阻流二极管可以被使用但是不可以用来替代系统的电流过载保护装置。)

第二个危害是来自直流电的电弧(Arc)。由于电流的特性，交流电漏电时候经常会看到电火花，但是直流电却会形成电弧，直流电流会在出现接地故障的部分形成类似“藕断丝连”的电弧路径，同时因为存在绝缘故障，电流流通不流畅，电能会堆积在被破坏的接口处，所以会持续的产生电火花并且释放热能。如果此时屋顶若堆积有易燃的杂物，就会造成火灾隐患。不过常见的情况就是直接把故障接口处的电缆烧断进而彻底断路系统。

第三个危害，我个人认为第二故障的出现危险性是最大的。AS/NZS 5033:2012标准要求逆变器需要具备识别接地故障的能力并且通过发送信息或者鸣警报错，然而这个要求被推后了24个月才会被强制实施在需要以及不需要功能性接地的组件系统上，这无疑是潜在的又增加的接地故障的危险性。另外如果系统先后出现了第一故障和第二故障分别在正极和负极上，逆变器是无法探测到的。这是因为第一故障和第二故障的同时出现会短路直流系统，同时正极故障处有个相对于地面的正电势，负极故障处有个一负电势，人员无论触碰到哪一端都存在被电击危险。直流电的安全电流上限是50毫安，同时因为光伏系统一般设计都是本着“高压低流”的理念来设计的，所以很常见到上百伏或上千伏的光伏系统。由于交流电的电流特性，当人被交流电电击的时候，身体会颤抖，有几率可能甩开电击源;可是被直流电电击的话，身体只会小幅度痉挛而不会大幅摇晃或振动，这就意味着人会被“吸”在了电击源上。电击的伤害正确的理解方式可以阐述为“电流的大小决定被伤害的程度，而被电击的时间决定生还的概率”，也就是说被“吸”的时间越长，死亡可能性就越大。就算是一直被认为安全性较高的隔离式逆变器，第二故障的存在对于它也是相当的挑战。

接地故障对于非隔离式逆变器除了安全问题，对电功质量也有一定影响，会存在直流直接注入电网的可能性，成量后会直接影响用户端变压器的功能和寿命。

功能性接地(Functional Earthing)主要是一部分组件，比如薄膜电池(Thim Film)和背面电池(Back Contact)为了正常运行，需要将正极或负极接地来引流走堆积的电子，抵抗自身的“bar-graph”腐蚀。早几年的薄膜组件如果不功能性接地几乎就不能用，工作效率在短时期内会大幅度下降。近几年因为一批组件商在制作电池板的时候，忽视了电压诱导衰减(Potential Induced Degradation)的影响。对于上百千瓦级的项目上，在一些特殊的环境下，PID对于整个系统的输出功率影响还是比较可观的。然而不同于TCO腐蚀，PID其实是因为硅片内部的P-N结处的Depletion Region因为边框的接地而产生相对电势差而导致电子偏移造成的现象，如果将直流输出端的负极接地，等同于功能性接地，便可以有效地改善PID现象。为了和功能性接地匹配，就目前的逆变器科技而言，只能使用隔离式逆变器。

功能性接地不能够也不应该被允许和无隔离式逆变器一起使用，换言之，对于已有的无隔离式逆变器系统，不能够也不应该被允许功能性接地组件系统。而且越是大功率系统这样做的后果就越严重，主要是因为两个方面，直流注入以及接地故障。据我有限的了解范围，国内系统有些无隔离逆变器系统采用把负极接地来改善组件效率，设计师的理由是因为逆变器交流端在MEN部分零线(Neutral)是和地线(Earth)连接的，所以根据无隔离逆变器的拓扑结构，直流端系统负极接地是没有问题的。这显然是不正确的。对于绝大多数的逆变器在工作的时候，在H-bridge进行逆变的时候，无论是五开关式还是六开关式，直流端的输入口的正极和负极事实上是轮流和交流输出端的火线和零线接通的，而并非负极恒定接通零线的。当直流系统的负极接通火线时，正极接通零线时，此时由于系统的负极是被功能性接地的，而零线在交流MEN端也是接地的，光伏系统就会注入一定量的直流电到电网，注入量由系统大小，IJBT开关控制时间以及回路距离长短决定。其次，无隔离式逆变器对于接地故障的探测是非常脆弱的，目前较先进的技术也只能探测到第一故障，并且还是存在十分之一左右的错报几率，而功能性接地其实相当于人为制造了一个第一故障。如果随后第二故障出现，逆变器将会无法做出正确的判断，进而可能存在一系列的安全隐患。

这里还有必要专门解释一下，虽然目前的主流的DC/DC升压控制采取的是开关控制法，但是同样有一些无隔离式逆变器依然采用较老的“Flyback Inductor Transformer”控制，就是通过调节变压器的Turning Ratio来实现升压和降压控制。这个方法的好处是将光伏系统和逆变桥隔离开来，这样就不存在直流注入的问题，缺点在于变压器效率损耗，零点交叉时间延长对波形影响以及维修成本和难度增加。那么配有该控制的无隔离式逆变器是否可以匹配系统负极直接接地的功能性接地技术呢?答案还是不行，需要优化设计处理后才可以。毫无疑问，直接采用隔离式逆变器会有效且安全的多。

对于隔离式的功能性接地，其实也有若干规定。我们将会在下一篇关于屋顶隔离器开关选择中再做详细的分析和解释。

参考资料：

新南威尔士大学并网发电系统课件，Dr Ted Spooner

澳大利亚标准， AS/NZS 3000:2007, AS/NZS 5033:2012,AS/NZS 61000:2007, AS/NZS CISPR 14.1:2013

文章作者：张帅杰