光伏熔丝知多少

摘要：当前，光伏电站普遍存在熔丝故障多、维护工作量大等问题。本文就光伏熔丝的失效机理、应用场景、保护原理与实践等通过理论分析与现场考察相结合，分析了直流熔丝应用于光伏电站的失效率、安全可靠性风险等，供广大从业者参考借鉴。

关键词：光伏，熔断器，热疲劳，反灌电流，直流拉弧，运维

1.前言

笔者作为光伏从业人员，在走访电站期间，经常会看到运维人员奔波在子阵间去更换熔丝，也经常会看到烧毁的熔丝盒及接线端子。那么光伏中为什么要使用熔丝？在使用中存在哪些问题？有没有更好的解决方法？带着这些疑问，笔者经过大量的信息搜集，现场调研，掌握了光伏熔丝的一手资料，供业界同行参考。


图1 失效的熔丝、烧毁的熔丝盒及接线端子

2.熔丝概述

熔丝，也称为保险丝、熔断器，它是一种串联在电路中，保障电路安全运行的元件，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行过电流保护。熔丝的结构如下图所示，其工作原理都是利用金属的热熔特性。

图2 光伏熔丝内部结构

2.1熔丝的发展历史

熔丝的使用历史超过了100多年，最早的记载出现在1864年，当时熔丝被用来保护海底电缆。光伏熔丝是随着光伏产业的发展而出现，其国标GB/T13539.6在2013年发布，是一个相对比较新鲜的事物。其标准及产品设计还处于不断优化的过程中，并不成熟，实际应用中质量难免出现问题。

光伏熔丝的设计难点在于体积小（1038mm），直流高压灭弧难。前两年，国内很多企业都认为在这么小的体积上做到1000Vdc是不可能完成的事情，这也从侧面反映了光伏熔丝的设计和制造难度。

2.2熔丝在光伏中的应用

光伏中为什么要使用熔丝，熔丝在光伏中起到什么作用？

在光伏电站用，不采用断路器，采用熔丝，最主要的原因是降成本。直流断路器贵，价格是熔丝的5倍。因此集中式电站、部分组串式解决方案和目前刚推出的集散式方案，都不约而同的采用了大量熔丝。

以典型的集中式电站为例，在当前的集中式电站中，并联的组串数量高达100串，当有一串发生短路故障，所有组串的电流均会反灌故障组串，反灌电流可能超过800A，远远超出了线缆和组件的安全要求，易引发火灾事故，所以必须使用熔丝来切断故障电流，保护线缆和组件。


图3 集中式光伏组件故障时的电流流向

相比集中式、集散式方案，当前部分厂家的组串式电站方案是没有使用熔丝的，他们是如何进行保护的呢？

该组串式方案最多2串组件并联，即使有一串发生短路故障，反灌电流最大也不会超过10A，所以是安全的，无需熔丝进行保护。

图4 组串式光伏组件故障时的电流流向

3.熔丝在光伏应用中存在的问题

笔者走访了大量电站，发现熔丝在每个电站都存在一些问题，本文主要从熔丝的安全风险和熔丝失效造成的损失等方面进行分析。

3.1熔丝增加了直流节点，埋下安全隐患

集中式1MW需要使用熔丝400个，每个熔丝与熔丝盒夹片之间有2个接触点，每个熔丝盒与接线有2个接触点。所以每个熔丝将有4个接触点，集中式因使用了熔丝就有1600个直流节点。熔丝盒对线缆可靠安装要求高，现场实际不容易做到，经常出现接触不良的现象，引起烧毁或者直流拉弧，是汇流箱着火的主要原因。

图5 直流汇流箱着火

图6 熔丝接线不良引发的烧毁着火案例

图7 熔丝与底座接触不良


图8 熔丝安装质量堪忧，一段时间后肯定会发热烧毁

3.2熔丝在低倍过载时，熔断慢，发热高，存在着火风险

熔丝的保护原理是利用金属的热熔特性，这一特性决定了熔丝的熔断时间与过电流的大小呈反时限的关系，电流越大，其熔断时间越短，电流越小，其熔断时间越长。电池板的电流受天气影响，大小不可控制，当熔丝处在小电流过载时，其熔断时间将变得很长，在这种“将断未断”的情况下，熔丝将处于一个非常高温的热平衡状态。这么高的温度将破坏线缆和熔丝盒的绝缘，最终引发着火事故。


图9 熔丝发热使熔丝盒烧毁

另外，部分熔丝在熔断时会出现喷弧现象，电弧温度非常高，会使相邻的塑料元件、线缆绝缘等着火。

图10 熔丝熔断时喷弧烧毁相邻元件

3.3熔丝并不能有效地保护组件

熔丝的工作原理是利用金属的热熔特性，那么15A的熔丝肯定要在大于15A的电流下才能够熔断，那么到底是多大的电流呢？笔者查阅相关标准，得到了如下答案：15A的熔丝，标准要求在16.95A下（1.13倍），1小时不能熔断，在21.75A下（1.45倍），1小时内熔断。

图11 标准IEC 60269-6 对熔丝的要求

组件有一个参数是“最大保险丝额定电流 15A”，那么组件的这个参数是怎么来的，代表什么意思？笔者查阅相关标准，得到了如下答案：最大保险丝额定电流15A的组件，标准要求在20.25A（1.35倍）下，2小时不能燃烧。值得一提的是，标准只是要求组件不起火，却不能保证组件不损坏，实际上组件一直在承受反向电流而发生热斑效应，性能会下降，输出功率会降低。


图12 标准IEC 61730-2 对组件的要求

从上面可以看到，熔丝的标准要求是1.45倍的电流熔断，而组件的标准要求是1.35倍的电流，那么在1.35倍到1.45倍之间就出现了一个保护空挡。在这个保护空挡内，熔丝不能够有效地保护组件，可能出现组件着火的严重事故。

从前文光伏熔丝熔体结构上可以看出，熔丝狭径非常细，对制造工艺要求很高，普通厂家很难控制好熔丝的质量。若生产的熔丝偏大，不能够在规定的电流和时间下及时熔断，更会加剧组件的损坏，带来着火风险。

笔者听闻2014年青海及内蒙电站先后出现过多块组件损坏的问题，有可能就是熔丝没能及时的熔断，使组件承受了长时间的反向电流导致。

3.4熔丝在电站的失效率统计

笔者利用走访电站的机会，与业主多次交流熔丝失效的问题收集了一些熔丝失效数据，经过汇总整理如下：




根据熔丝失效率统计的数据，经过拟合分析，熔丝的失效率符合随工作年数逐年上升的趋势，5年以后失效率超过15%。


图13 熔丝失效率拟合曲线

光伏熔丝为什么会频繁失效，笔者认为熔丝老化致使通流能力下降是主要原因。在光伏应用中，昼夜温差大，每天一次的高低温循环会显著加速熔丝的热疲劳效应，降低熔丝的通流能力，缩短熔丝寿命。


图14 熔丝老化机理

3.5熔丝失效造成的发电量损失

熔丝一旦失效，那么这一串的发电量肯定就要损失了，更换的时间快，发电量损失的就少一些，更换的时间慢，发电量损失的就多一些。目前，国内大型地面电站更换熔丝的平均时间在15天左右（通讯断链或没有使用智能汇流箱，一个月才能检查一轮），山地电站时间更长，有个别项目甚至半年才会检查一次，发电量损失严重。当然也有几天完成的，前提是监控稳定，能够从后台清晰看到熔丝的状态。

按照1MW子阵为单位，第五年开始因熔丝失效造成的发电量损失1.5%以上，假设电价为1元/kWh，每年将造成收益损失至少22500元。以熔丝市场价格12元每支进行计算，物料更换成本至少720元。


上面表格中的数据并没有包含人工运维成本，若电站没有使用熔丝，无需更换熔丝这一项工作，每50MW能够减少一个运维人员的话，那么可节省开支7万多元，分摊到每MW也有1500元左右。人工运维成本，加上发电量损失，熔丝物料成本，每MW因熔丝失效每年将损失至少25000多元。100MW电站25年的损失将至少5500万，这还不包括因熔丝造成的着火事故损失，实际损失将更大。

4.总结
经过以上分析，笔者得出以下几条结论：

1.熔丝方案增加了直流节点，经常出现熔丝盒、接线端子、线缆等烧毁的事故。
2.熔丝在低倍过载电流情况下，熔断慢，发热高，存在着火风险。
3.由于熔丝和组件之间存在保护空挡，熔丝并不能有效地保护组件。
4.熔丝失效率逐年升高，5年以后失效率超过15%，发电量损失1.5%以上。
5.100MW电站25年因熔丝失效造成的损失将至少5500万。

在雾霾成为人们“心肺之患”的今天，变革传统能源结构，发展太阳能等清洁能源成了人们最急迫的呼声，光伏电站建设也迎来了前所未有的投资机遇。安全是光伏电站的命脉，也是取得投资回报的根基所在，特别是在山地、屋顶等与光伏结合的项目上，安全几乎是一票否决的原则问题。

不管是集中式方案，还是集散式方案或部分组串式方案，因电站中使用大量的熔丝，埋下了安全隐患，易引发着火事故，成为光伏电站安全的“头号杀手”。使用熔丝可以降低成本，但熔丝的高失效率，不仅造成了高额的发电量损失，也为电站运维增加了难度，反而得不偿失。只有采用类似上文中提到的最多2串组件并联的组串式方案，才是安全的，无需熔丝进行保护。这种无熔丝的组串设计方案，不仅从源头解决了组件和线缆的保护问题，而且彻底根除了因使用熔丝带来的安全风险和失效损失，相信会是电站更好的选择。

参考文献：
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[2] 王季梅. 低压熔断器. 北京:机械工业出版社, 1979.
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[4] 吴庆云, 梁利娟. 太阳能光伏系统保护用熔断体标准分析. 低压电器, 2013.
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