光伏电站一类烧负极熔断器故障原因分析

李俊超

（广州发展新能源股份有限公司，广州 510623）

0 引言

管状熔断器是一种广泛使用的电路保护元件，目的是在某一设备工作中发生电流过载或短路等不正常情况下，熔断器瞬间熔断，将故障部分的损坏限制在尽可能小的范围内[1-2]。随着全球光伏产业的蓬勃发展，IEC 60269-6 标准的制定，原gR 级熔断器在光伏直流侧的保护位置被gPV级熔断器取代[3]。

针对个别光伏电站频发汇流箱负极保险熔断故障，开展了深入地调查、分析。通过现场熔断器的失效分析、直流汇流箱结构分析、不同品牌熔断器底座结构比对分析，发现此类熔断器故障为非常规过电流造成，而是A 品牌的熔断器底座存在设计缺陷，原因分析如下。

图1 渔光互补电站直流汇流箱内部结构

1 设备概况

1.1 直流汇流箱

渔光互补A电站与地面B光伏电站均采用DC1 000 V、16路防雷直流汇流箱，智能型带电流采集板，内部结构及电气原理如图1～2所示。由图可见，汇流箱正极由一整条铜排直接汇流。负极同样为铜排连接，但各支路上方均串入了采集模块，搭接固定汇流后接入断路器。

图2 直流汇流箱电气接线原理图

1.2 熔断器和熔断器底座

A 电站与B 电站均采用美国Bussmann 的圆管形熔断器及A 品牌熔断器底座。熔断器规格为10 mm 38 mm（直径 长度），型号为PV-15A10F，gPV级光伏发电专用熔断器，额定电流15 A，额定电压DC1 000 V，印度制造。A品牌熔断器底座为光伏发电专用熔断器底座，允许使用温度为不高于75 ℃的熔断器或不高于90 ℃的铜熔芯，中国制造。

2 检查情况

（1）A、B光伏电站检查。2019年，两个光伏电站烧负极保险故障频发，尤其在天气温度高的时候。现场检查保险熔断大多都发生在负极，且熔断部位集中在熔断器的下端头（与底座下触头铜夹片相连接），如图3～4所示。

图3 A 品牌熔断器底座解体下触头烧灼痕迹

图4 熔断器下端头烧灼发黑

（2）现场使用万用表测量负极母排对地电压正常，熔断器下端头与上端头开路电压正常，取出熔断器测量通断显示为断开。更换新熔断器后测得支路电流正常。

（3）解体烧断的熔芯检查，熔断器内部结构如图5 所示。发现熔芯下端头已熔断，有发黑烧灼痕迹。熔芯其余部位完好，未见熔断，如图6所示。

图5 熔断器解体内部结构

图6 熔芯下端头熔断

（4）更换熔断器时，烧坏的熔断器发烫，取出的手感温度较常规过流熔断的熔断器要高。

（5）现场汇流箱开箱盖测温，正常运行时，负极保险区域较正极保险区域温度高约10 ℃。

（6）经了解其他地面光伏电站，采用同品牌的1 000 V直流汇流箱，同品牌熔断器，而非采用A 品牌熔断器底座，则少有发生烧负极熔断器故障。

（7）另了解采用直流汇流箱的分布式光伏电站，其中一电站采用不同品牌的汇流箱，但选用了A 品牌熔断器底座，也出现了频发烧负极熔断器故障，且频发熔断部位同A、B光伏电站一致，同为负极熔断器的下端。如图7所示，本分布式光伏电站汇流箱的电气接线方式与A、B光伏电站汇流箱基本一致，负极串列上方同样布置了采集模块。

通过上述现场检查和各电站了解、比对分析，初步判断频发烧负极保险故障主要原因在熔断器底座的品牌选择上，次要原因在汇流箱负极串列上方串接了采集模块。

图7 分布式光伏电站汇流箱内部结构

3 原因分析

3.1 采集模块

采集模块串接在负极保险上方，减少了负极保险区域的散热空间，且采集模块自身有一定阻值，运行中也会发热。经与汇流箱厂家求证，此类汇流箱结构在实验室测试，负极保险区域会比正极保险区域高13～15 ℃。

3.2 熔断器

通过更换熔断器，测得支路电流正常，判断接入的阵列组串无过流现象。另外，从熔芯发热传导角度分析[4]，当遇到过电流升温时，熔芯两头靠近金属帽盖，其散热性应比熔芯中部（完全被石英砂包覆）要好，常规过电流优先熔断部位应在熔芯中部的狭径处。所以，判断频发烧熔断器端头（下端头）的现象，非瞬时过电流造成。

3.3 熔断器底座

（1）解体A 品牌熔断器底座，座触头熔断端的铜夹片、夹片卡簧色泽发黑，周边底座塑料壳发黄，明显此端头存在异常发热，如图8～9所示。

图8 熔断器底座解体（不含熔断器）

图9 熔断器、座触头连接方式

（2）按图10～13所示的方向和顺序，将熔断器装入座触头，再拔出。发现熔断端的座触头可轻松拔出熔断器，表明熔断器与铜片已无接触力，夹片和卡簧组成的夹紧力已失效。在通电的过程中，因长期接触不良，熔断器端头持续发热，最终导致熔芯非正常熔断。

图10 熔断器装入座触头

图11 熔断器装好状态

图12 熔断器拔出座触头

（3）对几组已烧下端头的底座进行拆解，测量比对熔断端与正常端铜夹片张口距离，发现同一底座，熔断端铜夹片开口距离比正常端大0.15～0.43 mm，如表1所示。

表1 上、下端座触头与熔断体接触的圆弧部位最大开口尺寸

3.4 不同品牌熔断器底座比对

从同一分布式光伏电站拆取A 品牌和B 品牌熔断器底座，对各自的卡簧、铜夹片结构进行分析。

3.4.1 铜夹片对比

A品牌熔断器底座夹片长度为18 mm，未装卡簧的开口距离约为10 mm。B品牌熔断器底座夹片长度为21 mm，未装卡簧的开口距离约为9 mm。

3.4.2 卡簧对比

A品牌熔断器底座卡簧下部宽处间距约为11 mm，上部略窄处间距约为10 mm。B品牌熔断器底座卡簧下部宽处间距约为12 mm，上部窄处间距约为8 mm。铜夹片及卡簧对比如图13 所示。当装入熔断器关合底座盖口，熔断器下端头将从铜夹片下部（窄）往上部（宽）就位。从对比可知，由于A 品牌熔断器底座下部间距更窄，当熔断器端头刚进入夹片下部，若稍有偏移（未对中或熔断器放入底座未顶到位），将更容易使夹片单侧受挤压变形，导致上端夹片的一侧与熔断器接触松弛，同时也是烧熔断器下端头概率更大的原因。

3.4.3 铜夹片和卡簧组装后对比

铜夹片和卡簧组装后，即为常规与熔断器端头接触的座触头状态。组装后，A 品牌熔断器底座夹片开口距离约为10 mm，B品牌熔断器底座夹片开口距离约为8.5 mm，如图14所示。由此可知，B品牌熔断器底座的座触头装入直径10 mm的熔断器后，夹紧力比A 品牌熔断器底座要大。装入熔断器，用手拔出，也能感知到两品牌夹紧力的明显差异。

图13 铜夹片及卡簧对比

3.5 综合分析

由于A 品牌熔断器底座的座触头卡簧开口距离设计较大（约10 mm），装入熔断器端头（直径10 mm）刚好无间隙，当生产装配或检修支路拉合保险，在装入熔断器过程，稍不正装，将导致铜夹片变形，开口间距变大，形成间隙，造成与熔断器端头接触不良发热，此为A 品牌底座频繁发生熔芯下端熔断的主要原因。另外，汇流箱负极保险区域上方串接采集模块，导致负极区域温度比正极高至少10 ℃，此为负极区域更易烧保险的原因。加上光伏组件所受太阳辐照度升高（所发电流增大）、户外汇流箱环境温度升高等因素叠加，将造成负极保险下端头温度极高，频发熔断故障。

图14 铜夹片及卡簧组装后对比

4 纠正建议

（1）根据相关工程实践经验，若熔断器安装环境温度超过40 ℃，持续时间超过2 h，可考虑提高熔断器的安培等级[5-6]，但目前所选熔断器的电流等级为15 A，已达到组件推荐熔断器的最大安培等级，已无降容使用空间。

（2）考虑到A、B光伏电站采用A品牌熔断器底座的数量较多，今后需将此类故障的熔断器连同底座一并更换，且熔断器底座更换为其他品牌。对于曾经发生过烧负极保险的熔断器底座，触头夹片很可能已存在变形，建议择机分片区逐步更换。

（3）分布式光伏电站逐步将A 品牌熔断器底座更换为其他品牌。

（4）各场站在采购熔断器底座时，应避免采用A 品牌熔断器底座。已采购的，建议停止使用。

（5）后续新建项目在汇流箱熔断器底座的选型和品牌上，需多加考虑。汇流箱尽量安装在太阳能电池板下，避免太阳直射。

（6）持续关注已更换新品牌熔断器底座的使用情况。

5 结束语

光伏电站已向集中监控、无人值守、少人值班的趋势发展，本文通过分析一类负极熔断器频发故障，找出了共性原因，提出了解决建议，避免类似故障重复发生，极大地减少了电站运维人员的检修工作量，也提高了光伏电站的发电量。