深入浅出理解光伏直流系统(二)

引言：

1864年电气工业就采用铂丝作为熔断器来保护海底电缆。熔断器诞生于白炽灯的时代，拥有超过150年的应用历史。熔断器从未过时且由于公认的可靠性成为电气线路保护的常青树且被誉为线路保护“最后的防线”。熔断器对直流电气系统的线路保护可以追溯到1879年，汤伯生(S.P. Thampson)教授在当年生产了一种改进型的熔断器，它是由两根铁丝连接到一个金属球上。这个球是用铅、锡合金或其它低熔点的导电材料制成的。当有足够大的电流在足够长的时间内通过熔断器时，金属球就会熔化而坠落，从而导线分开，电路断开。

值得注意的是，大约在1890年以前，大部分电路采用的是直流电流，因此电路突然断开后，无疑会产生电弧。所以，熔断器的保护率先应用于直流环境，之后才应用于交流环境。熔断器的基本原理是让一小段导电材料在必要时熔断，使得被保护电路的健全部分免受损害，并使故障部分的损坏限制在尽可能小的范围。 根据额定电流的大小，熔断器可以由一根或数根熔体并联组成。当有足够大的过电流通过熔断器时，熔体熔化，随后产生电弧。[1]

图1 世界上早期用于直流的熔断器[1]

第一部分 熔断器标准—质量的基石

早在1931年，国际电工技术委员会IEC就已经明确：

(1)设计和生产的每个熔断器都应能在额定电流范围内持续地使用;

(2)过载引起电流超过某一规定值时，熔断器应当能在足够短的时间内动作，以保护设备免受损坏;

(3)当设备或线路发生事故时，熔断器应迅速动作，以使事故部分受损最小，同时不使健全部分遭受损坏。

所以，熔断器必须具有反时间-电流特性,对于任何使用场合，应当正确选用熔断器，一旦故障发生，能使故障程度得到正确鉴别，以避免不必要的断路。下面两个表格作者列出了低压熔断器的各类IEC标准和光伏行业应用的各国和地区的熔断器标准。

第二部分 熔断器在欧美国家光伏系统中的普遍应用

不是由于IEC(国际电工委员会)制订了光伏熔断器的相关标准，才推动了熔断器在光伏行业的普遍应用。而是由于在欧美国家参与设计与分析整个光伏系统的研究人员，经过仔细比较与衡量才选用了熔断器作为光伏直流系统中过电流保护的低压电器。

例如，John Wiles教授(受美国能源部委托研究光伏系统超过20年，同时也是作为美国太阳能标准委员会的资深委员)曾在2008年撰文指出，之所以在超过150V直流的环境下推荐采用熔断器作为过电流保护装置是由于电流等级、有效性和较低的成本综合考虑的结果[3]。

我们会发现在光伏组件的标签上都会标注有“series fuse”或“Maximum Series Fuse“一项，即与组件串联的熔断器的最大电流等级。

图2 . 组件背后技术参数标签上标明的串联熔断器的最大电流等级[3]

根据表3可知，由于光伏电池板制造工艺的不同，导致短路电流的差异性很大。所以在选择过电流保护装置时，由于熔断器的电流等级具备以下额定电流等级：

1,2,3,4,5,6,7,8,10,12,15,16,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,110,125,150,

175,200,225,250,300,350,400,450,500,600A一共37个电流等级(注：实际可以有更多的额定电流等级，20A及以下常用于直流汇流箱内)非常符合光伏电池组件的电流特性[ 请参考“深入浅出理解光伏直流系统(一)”]，既保证了能够顺利通过自身线路产生的短路电流，又能够非常快速有效地切除其他并联电池串的反向电流。并且熔断器结构简单、稳定可靠性高，价格合理，所以成为了欧美地区光伏直流系统占据压倒性优势的过电流保护装置。各个国家和地区的组件制造商都会在标签上都会标注有“series fuse”或“Maximum Series Fuse“一项。

第二部分 熔断器在整个光伏系统的使用位置和种类

在欧美国家熔断器在整个光伏系统的使用位置一般有如下几个位置，我们以ABB公司(收购Power One后，世界排名第二)在北美市场的逆变器为例[4]：

1. 直流汇流箱进线侧：保护光伏电池组串(gPV级熔断器，IEC标准为60269-6)

2. 集中式逆变器直流进线侧DC fuses for DC input connections：保护直流侧进线连接(gPV级熔断器)

3. 集中式逆变器内部模块保护Inver DC fuse：保护逆变器模块(aR级熔断器，IEC标准为60269-4)

4. 集中式逆变器内充电接触器的熔断器保护Charging circuit fuses：预充电回路接触器保护(gPV级熔断器)

5. 接地故障报警检测GFPD，Ground Fault Protection Device：用于接地故障报警(gPV级熔断器)

6. 集中式逆变器交流侧AC fuses：保护逆变器模块和交流侧主线路电器(aR级熔断器)

其中aR和gPV级熔断器是熔断器的种类。共计6个位置，熔断器的使用可以说是承担了汇流箱和逆变器几乎全部直流侧的过电流保护和大部分交流侧的过电流保护，在样本中ABB公司仅在100kW逆变器机型上使用了直流断路器(型号为S804PV-S80)，在低压电器的选型上颇耐人寻味。在表4中作者列举了常见的熔断器种类，从使用位置来看，可以得知熔断器在集中式光伏并网发电系统中是电力电子线路保护的主力军。从欧美地区大面积和长时间的使用情况来看，只要能够正确选用熔断器，不但能长期稳定保护整个电气系统内的元器件，更能有效保护集中式逆变器本身。若想了解更多的信息可以参考上一篇拙作中作者统计的欧美各国世界排名靠前的集中式逆变器厂家(ABB, Schneider Electric，Eaton，KACO等)的低压电器选型情况。

表4. 常见熔断器的使用类别

第一个小写字母指示了熔断器的分断范围。

※“g”代表全范围分断能力熔断体，意指该熔断体能够分断从最小熔化电流直至其分断能力的所有过电流。全范围分断能力熔断体能用作为单独的保护器件。

※ “a”代表部分范围分断能力熔断体，意指该熔断体只能够分断其额定电流的某个倍数的高电流。部分范围分断能力熔断体设计成只能用于短路保护，因此可用于与其它提供过流保护的器件的组合。它们也常用作其它有较低分断能力的开关器件(如接触器或断路器)的后备保护。

第二个及以后的大写字母指示了特性，即标明使用类别，定义了应用范围。

专题：gPV级熔断器概念的提出

gPV既可以认为是用于光伏直流系统的普适性熔断器(general purpose fuse for photovoltaic applications)，也代表了其是全范围分断能力的熔断器。

这一类的熔断器的概念是随着IEC 60269-6标准的提出而诞生的，在此之前欧洲地区曾采用gR作为直流侧的保护用熔断器，gPV级熔断器的概念提出后，gR熔断器在光伏直流侧的位置被取代。美国UL2579标准(Fuses for Photovoltaic Systems)最初在2007年12月份提出。这些标准的提出是基于熔断器的基础标准UL248之上，结合光伏系统的特点(在2011年就提出了光伏熔断器电压可以用于高达DC1500V的光伏系统)，规定了更多符合光伏线路保护特点的试验要求。

总结下来，光伏系统保护用熔断体(gPV级熔断器)用于直流电路应满足如下要求[5]：

(1)额定分断能力至少为10kA。

(2)约定不熔断电流Inf为1.13In，约定熔断电流If为1.45In(UL标准If为1.35In)。

(3)额定电流验证以3000个电流循环进行。

(4)增加可接受的热感应漂移水平验证和在50℃条件下的功能验证，且熔断体的约定电流和分断能力试验在可接受的热感应漂移水平验证后进行。

其中电流循环测试就是针对光伏现场的实际工程环境下不断变化的温度和电流负荷，保障了gPV级熔断器长期稳定地运行。而且标准规定的只是最低的要求，从实际使用上来看，欧美地区的熔断器在现场表现非常稳定与可靠。

另外，gPV级熔断器在预报整个光伏直流系统的接地故障中贡献非常大，2013年美国的圣地亚国家实验室就选取了共8家熔断器制造商的gPV熔断器，如：Cooper-Bussman PV-10A10F、Mersen HPM6M 600V、LittelFuse KLKD、Socomec 1000V 10*38gR、ABB E9F gPV10*38mm、Hill Technical 10*38mm、SIBA URZ-DMI 10*38mm和Df Electric 600VDC 10*38mm作为研究对象，深入地研究了接地故障报警(GFPD)的敏感度问题。[6]

那么gPV级熔断器在时间电流曲线上和别的熔断器有什么区别呢?图3表明了gPV级熔断器相应速度非常快，在进入1.45In(UL标准If为1.35In)的熔断电流范围内就开始熔断，保证在直流环境下，系统短路故障电流较低的情况下也能够迅速有效地分断短路电流。

因为直流电流本身的特点(与交流相比没有过零点的情况)所以越快动作，才会更有效地降低短路故障对系统的冲击，做到可靠地分断直流故障电流。

图3. gPV级熔断器与其他类型熔断器时间-电流曲线的区别[11]

第四部分 熔断器的选用

熔断器选用大致可以从两个方面入手，首先是外形方面，如光伏系统常见的有汇流箱内使用的10.3*38mm或14*65mm圆柱形熔断器。集中式逆变器普遍使用的是刀型触头管状熔断器(又叫NH型熔断器，NH是德文—Niederspannungs Hochleitungs 低压高分断能力的缩写，英文缩写为HRC)。

然后要根据光伏系统的电气参数进行正确选择，可以按照如下问题考虑，

1. 熔断器工作在直流(DC)还是交流(AC)的工作环境?

2. 系统电压多少?(600V，1000V还是1500V)

3. 额定工作电流多少?

4. 预期的短路电流多大?(分断能力要求至少达到多少kA)

5. 是否需要降容?

专题：如何正确选择汇流箱进线侧的gPV级熔断器?

光伏熔断器额定电压等级的确定：

Un≥1.2Uoc(STC)

注：根据NEC690.7的规定，若光伏系统需要在零下40摄氏度以下的温度运行，应将系数1.2提升为1.25

光伏熔断器安培等级确定五步走：

STEP1. 判定最大线路电流

对于光伏线路输出的最大电流Imax根据NEC 690.8(A)(2)，应该按照并联在一起的各个组串的电流的最大值来计算，公式如下(以n串为例)：

Imax=(Isc1+ Isc2+ Isc3+…+ Iscn)*1.25

STEP2. 判定名义上的熔断器安培等级

NEC690.8(B)(1)(a)规定考虑过电流保护装置保险系数时不能低于125%，换句话说就是过电流保护装置不能再其名义安培等级下超过80%范围内持续工作(1/0.8=1.25,125%)。

In= Imax*1.25

In= Imax*1.25= (Isc1+ Isc2+ Isc3+…+ Iscn)*1.25*1.25

≈(Isc1+ Isc2+ Isc3+…+ Iscn)*1.56

STEP3. 如有必要，需要对超出的正常工作范围的极端环境进行降容处理

Irated= In/Kf

(Kf为降容系数)

图4.CH10*38降容系数表

STEP4. 确定熔断器的电流等级

Irated 通常情况下不是正好等于熔断器的标准电流等级，应该按照就大不就小的原则确定属于标准电流等级的熔断器。

汇流箱内使用的熔断器电流等级有如下安培数：

1,2,3,4,5,6,7,8,10,12,15,16,20,25。

STEP5. 验证熔断器保护的电缆

最后需要验证选取的标准电流等级的熔断器安培数小于或等于选取的电缆导体的安培等级，若不符合要求处于安全考虑需要将电缆的线径提升。

总结：光伏熔断器安培等级确定五步骤的结论公式：

I rated=Isc*1.56/Kf

注：

1. 若熔断器安装的环境温度可能超过40℃,考虑将其安装到阴凉处，尽量避免阳光直射。这将 减轻熔断器的受热程度，对于温度引起的降容将不用再考虑。

2. 如果温度无法避免的超过40 ℃，请接着考虑高温的持续时间。如果熔断器暴露在高温的持续时间不超过2小时，对于温度引起的降容也不用再考虑。

3. 如果需要降容，可以按照熔断器制造厂提供的降容系数表进行考虑。

4. 在户外现场的汇流箱工作温度可达50 ℃，若被阳光直射的话，内部温度会达到或超过55-60 ℃，这时候就需要考虑到降容。经过降容考虑的熔断器的安培等级可能会更高但这个电流等级(在寒冷环境下的)不要超过电缆的安培等级和组件背面标注的熔断器安培等级。

第五部分 熔断器的限流特性[10]

具备限流特性(Current-limiting Fuse)可以说是熔断器在过电流保护方面能够脱颖而出的重要因素。这一概念或许让人感到迷惑，过电流保护装置动作后，电路断开，线路中的电流自然达到了零点。但是其实限流特性指的是面对故障电流，过电流保护装置到底能够多快才能动作。即短路故障发生时，线路会在很短的时间内达到电流的峰值。如果过电流保护装置能够非常快的动作将严格限制线路内的故障电流使其达不到峰值，,从而有效地保护了系统中的电器元件。而断路器要做到这一点，价格会非常昂贵。

Non-current limiting current-limiting

图5.不具限流特性(Noncurrent-limiting)与限流特性(Current-limiting)的过电流保护电器的区别

感悟

国内低压电气工程界的前辈任元会先生(《工业与民用配电设计手册》作者，参加注册电气工程师考试的朋友们一定不会对这本书感到陌生)在2003年撰写的《低压熔断器和断路器的比较和应用》一文开篇中这样描述道：“都什么年代了，还使用熔断器!”“熔断器已经过时了!“这话似乎很有道理，但又是一个实际面对的技术问题。(《低压电器》2003 No.5)。正如任老文中指出的那样，在低压配电系统保护电器的应用中，只有正确和全面的认识，才能合理地选用保护电器。

当得知美国的登月探测车(以太阳能电池板作为电源)和阿帕奇武装直升机电气系统采用的过电流保护装置就是熔断器后，在吃惊之余，深感对这一低压电器的正确认识或许才刚刚开始。

参考文献

[1] Newbery , P.G., 莱特 , A., Wright , A., 牛伯来 , P.G., 蔡龙权译，熔断器，机械工业出版社，1987

[2] 王季梅，低压熔断器，机械工业出版社，1979

[3] John Wiles，“To Fuse or Not to Fuse?”，Home Power 125, June&July,2008

[4] The ABB group,” Hardware manual PVS800-57 central inverters (100 to 1000 kW), 2014-07-09

[5] 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

[6] Jack D. Flicker，Jay Johnson，Sandia National Laboratories，美国圣地亚国家实验室," Photovoltaic Ground Fault and Blind Spot Electrical Simulations“，June 2013

[7] John Wiles, “Conductor Sizing & Over-current Device Ratings.”IAEI NEWS, January/February, 2011

[8] Ryan Mayfield, “PV Circuit Sizing & Current Calculations”, Home Power 159, February/March 2014(注：Ryan的著作《达人迷-太阳能光伏发电系统设计及安装》已被翻译成中文引入国内， Ryan为人热情，亦师亦友，对中国光伏的同行特别友好，对他的悉心指导和点滴帮助致以我最崇高的敬意)

[9] Mersen, “PVPN5: Sizing Fuses for Photovoltaic Systems per the National Electrical Code”, 2012

[10] John Wiles，“ Focusing On Fuses”，Home Power #67, October/November 1998

[11] Franck Ageron, Mersen Group,” Safe Photovoltaic Systems”, 2011

参考样本

[1] Eaton (Bussman),”Solar Circuit Protection Application Guide”, May 2014

[2] Eaton (Bussman),” Bussman series NH photovoltaic fuse links”, April 2014

[3] Siemens AG,”Fuse Systems-Photovoltaic fuses part”, Oct 2014

[4] Mersen (Ferraz-shawmut), “Solar Power Product Solutions”, 2011

[5] Mersen,”UL 2579: Fuses for Photovoltaic Systems”, 2011

[6] Mersen,”Sizing Fuses for Photovoltaic Systems per the National Electrical Code®”, 2011

[7] SIBA,”Just four steps to getting the PV Fuse that suits your needs”, 2009

[8] SIBA,” WHITE PAPER: Fusing For Photovoltaic Solar Power Applications”, 2008

[9] SIBA,” Short circuit protection in PV systems Requirements for photovoltaic fuses”, 2012

[10] Littelfuse, “Solar Products Catalog”, 2015

[11] Schneider Electric,” Safe and reliable photovoltaic energy generation”, 2012

[12] The ABB Group, "E 90 Range of Fuse Disconnectors and Fuseholders”, 2014

[13] Socomec, "PV Fuses" General Catalog, 2011-2012

[14] DF Electric, "Photovoltaic Fuse-links & Fuse Holders”, 2012

[15] ETI,”GREEN PROTECT- PROTECTION OF PV SYSTEMS”, 2015

[16] KPS,” Solar Circuit Protection Application Guide”, 2015

文章作者：杜晓牧