光伏系统保护用熔断器的发展与应用

高览电气（上海）有限公司 ■ 杜晓牧

光伏系统保护用熔断器的发展与应用

高览电气（上海）有限公司 ■ 杜晓牧

介绍光伏系统中用于过电流保护的熔断器的发展历程，通过对IEC和UL标准中对于光伏熔断器部分的规定，结合国内外知名逆变器和直流汇流箱的制造厂家的工程实践，给出正确选用光伏系统保护用熔断器的注意事项。

过电流保护；gPV级熔断器；光伏直流汇流箱；大功率集中式逆变器

0　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”，并被誉为线路保护“最后的防线”。

熔断器对直流电气系统的线路保护可追溯到1879年，汤伯生(Thampson)教授在当年生产了一种改进型的熔断器，由两根铁丝连接到一个金属球上，该球是用铅、锡合金或其他低熔点的导电材料制成。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，约在1890年前，大部分电路采用直流电流，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，并将故障部分的损坏限制在尽可能小的范围内。根据额定电流的大小，熔断器可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]。

1　熔断器的标准——质量的基石

早在1931年，国际电工技术委员会IEC就已明确：

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[2]。

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。表1列出了光伏行业应用的各国和地区的熔断器标准。

表1　光伏熔断器标准在各国和地区的实施情况

2　熔断器在欧美国家光伏系统中的普遍应用

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，这推动了熔断器在光伏行业的普遍应用。John Wiles教授曾在2008年撰文指出，之所以在超过150 V直流的环境下推荐采用熔断器作为过电流保护装置，是将电流等级、有效性和较低的成本进行综合考虑的结果[3]。

可以发现，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。由表2可知，由于太阳电池板制造工艺的不同，导致短路电流的差异性很大。

表2　光伏组件短路电流与串联熔断器的最大电流等级统计

3　熔断器在整个光伏系统的使用位置和种类

以ABB公司在北美市场推出的逆变器为例，在欧美国家和地区的光伏系统中，熔断器的使用一般有如下几个位置[4]：

1)直流汇流箱进线侧：保护太阳电池组串(gPV级熔断器，IEC 60269-6)；

2)集中式逆变器直流进线侧：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：保护逆变器模块(aR级熔断器，IEC 60269-4)；

4)集中式逆变器内充电接触器的熔断器保护：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：用于接地故障报警(gPV级熔断器)；

6)集中式逆变器交流侧：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。熔断器在光伏系统中的使用共计6个位置，熔断器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。

表3列举了熔断器常见种类，从其使用位置来看，可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流产品。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。

表3　常见熔断器的使用类别

表3中，第一个小写字母表示熔断器的分断范围；第二个及以后的大写字母表示特性，即标明使用类别，定义应用范围。

1)“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单独的保护器件。

2) “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只能用于短路保护，因此可用于与其他提供过流保护的器件的组合。范围分断能力熔断体也常用作其他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。

4　gPV级熔断器概念的提出

gPV既可认为是用于光伏直流系统的普适性熔断器，也代表其是全范围分断能力的熔断器。

这类熔断器的概念是随着IEC 60269-6标准的提出而诞生的，此前欧洲地区曾采用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UL 2579标准(Fuses for Photovoltaic Systems)最初在2007年12月提出，这些标准的提出是基于熔断器的基础标准UL 248之上，规定了更多符合光伏线路保护特点的试验要求。

IEC标准中规定，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[5-7]：

1)额定分断能力最低值为直流10 kA。

2)约定不熔断电流Inf=1.13 In，约定熔断电流If=1.45 In(注：UL标准中约定熔断电流If=1.35 In)，其中， In为熔断体的额定电流。

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极端温度条件下的功能验证。另外，熔断体的约定电流和分断能力试验应安排在可接受的热感应漂移水平的验证(即温度循环)结束后，且测试品应恢复至室温(25±5 ℃)至少3 h后继续进行。

电流循环测试就是针对光伏现场实际工程环境下不断变化的温度和电流负荷，保障gPV级熔断器长期稳定运行。而且标准规定的只是最低的要求，从实际使用来看，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选取了共8家熔断器制造商的gPV熔断器作为研究对象，深入研究了接地故障报警(GFPD)的敏感度问题[8]。

对于gPV级熔断器在时间电流曲线上和其他熔断器的区别，图1可以看出gPV级熔断器响应速度非常快，在进入1.45 In(UL标准If=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。

由于直流电流本身的特点(与交流电流相比没有过零点的情况)，直流熔断器动作越快，才会更有效地降低短路故障对系统的冲击，做到分断直流故障电流可靠。

图1　gPV级熔断器与其他类型熔断器的曲线的区别[9]

5　正确选用汇流箱进线侧的gPV级熔断器

5.1光伏熔断器额定电压等级的确定

式中，Un为需要选取的光伏熔断器的额定电压；Uoc(STC)为在STC条件下测得的光伏系统的开路电压(STC，即室温下辐照度为1000 W/m2时)。

需要注意的是，根据NEC 690.7的规定，若光伏系统需要在-40 ℃以下的温度运行，应将系数1.2提升为1.25。

5.2光伏熔断器安培等级确定步骤

1)判定最大线路电流Imax。对于光伏线路输出的Imax，应按照并联在一起的各组串的额定短路电流之和乘以1.25的安全系数来考虑，以n串为例，公式为：

NEC 690.8-A中(1)和(2)项条款的此项规定是考虑到组件的额定短路电流Isc是在实验室内的标准试验环境(STC)下测得，但当光伏组件运行在现场的极端环境下时，如在冬季低温且光照强，或由于积雪的反射增强了幅照度等情况下，太阳电池板的输出电流将会超过Isc，所以NEC规定需要将Isc乘以1.25的系数来计算Imax。

2)判定名义上的熔断器安培等级。NEC 690.8-B-1-a项条款规定，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在其名义安培等级下超过80％范围内持续工作(1/0.8=1.25=125％)。

3)如有必要，需要对超出正常工作范围的极端环境进行降容处理。

式中，Irated为需要选取熔断器的额定值；Kf为降容系数，此参数可由熔断器制造厂家提供的降容曲线来确定。

4)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，应按照较高的电流等级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(单位：A)：1，2，3，4，5，6，7，8，10，12，15，16，20，25。

5)验证熔断器保护的电缆。需要验证选取的标准电流等级的熔断器安培数≤选取的电缆导体的安培等级，若不符合要求，出于安全考虑，需要将电缆的线径提升。

根据以上光伏熔断器安培等级确定的5步骤，可得：

5.3工程实践注意事项

在工程实践中还需要注意事项为[10,11]：

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无需再考虑。

2)如果无法避免温度超过40 ℃，需要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 h，对于温度引起的降容也无需再考虑。

3)如果需要降容，可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，内部温度会达到或超过55～60 ℃，这时需要考虑降容。经过降容考虑的熔断器的安培等级可能会更高，但该电流等级(在寒冷环境下的)不能超过光伏直流电缆的安培等级和组件背面标注的推荐熔断器的安培等级。

6　结论

目前gPV级光伏熔断器在光伏系统中得到了广泛应用。一方面由于熔断器是质优价廉的过电流保护装置，另一方面是由于熔断器自身技术的不断发展，非常适合于高压直流环境下的现场应用。光伏系统的设计人员和运维人员只要掌握好gPV级熔断器的选用原则和方法，将会给光伏电站的安全稳定运行带来切实有效的保护。

[1] (英). 莱特, (英)牛伯来. 蔡龙权[译]. 熔断器[M]. 北京:机械工业出版社, 1987.

[2] 王季梅. 低压熔断器[M]. 北京: 机械工业出版社, 1979.

[3] John Wiles. To fuse or not to fuse?[EB/OL]. http:// iaeimagazine.org/magazine/2008/05/16/questions-from-the-ahj-tofuse-or-not-to-fuse, 2008-05-16.

[4] The ABB group. Hardware manual PVS800-57 central inverters (100 to 1000 kW). [EB/OL]. 2014-07-09. https://library. e.abb.com/public/.../EN_PVS800_57_HW_H_A4_screen.pdf.

[5] 吴庆云，梁利娟. 太阳能光伏系统保护用熔断体标准分析[J]. 低压电器, 2013, (7): 47-49.

[6] GB/T 13539.6-2013, 低压熔断器 第6部分太阳能光伏系统保护用熔断体的补充要求[S].

[7] IEC 60269-6(2010) Ed.1, Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[8] Flicker Jack D, Jay Johnson. Photovoltaic ground fault and blind spot electrical simulations [EB/OL]. http://energy.sandia. gov/wp-content/gallery/uploads/SAND2013-3459-Photovoltaic-Ground-Fault-and-Blind-Spot-Electrical-Simulations.pdf, 2013-06.

[9] Franck Ageron. Safe photovoltaic systems[EB/OL]. http:// www.powersystemsdesign.com/safe-photovoltaic-systems/34, 2011-10-07.

[10] John Wiles. Conductor sizing ＆amp; over-current device ratings[EB/OL]. http://iaeimagazine.org/magazine/2011/01/16/ conductor-sizing-and-overcurrent-device-ratings/, IAEI NEWS, 2011-02.

［11］ Ryan Mayfield. PV circuit sizing ＆amp; current calculations［EB/ OL]. http://www.homepower.com/articles/solar-electricity/ design-installation/code-corner-pv-circuit-sizing-currentcalculations,Home Power 159, 2014-03.

2015-11-17

杜晓牧(1983—)，男，工程师，主要从事光伏系统过电流保护和低压电器应用方面的研究。duxiaomu@163.com