太陽能光伏發電系統光伏陣列保護用熔斷器的選擇分析

好利來(中國)電子科技股份有限公司 ■ 賴文輝

光伏發電系統是由能把太陽光能直接轉換為電能的部件和子系統構成。其中的光伏陣列是將入射的太陽輻射能直接轉換為直流電能的單元，太陽電池板組成的陣列與光伏陣列連接箱連接，電流經連接箱匯流后輸出到逆變器或直接應用環節。太陽電池板組成的光伏陣列約占光伏發電系統總成本的70%，如何保護光伏陣列和充分提高發電效率成為技術的重點之一。

為實現更高效率，要由多個光伏板串聯成光伏串，多個光伏串并聯成光伏陣列。光伏陣列內各光伏串電流匯集到光伏陣列連接箱，再并聯到光伏發電器連接箱，其輸出供直接應用或經逆變等處理。為及時隔離光伏板出現故障的光伏串，提高發電效率(光伏板出現故障不發電時，則成為消耗電能負載)，也為避免安裝階段錯接或其他原因引起局部異常接線形成的過流危害，在每個光伏串的兩端安裝保險絲后，由于光伏陣列短路電流大于單個光伏串的電流，因而可致光伏串串聯的保險絲熔斷以隔離故障光伏串。在陣列中設置熔斷器，判斷下級逆變器元件反饋的電流(如電容或者電容器反饋到光伏陣列和陣列布線的放電)，在熔斷器的額定分斷能力范圍內也能對光伏陣列提供保護。

關于在光伏系統直流側的保護，在美國國家標準NASI/NFPA 70《National Electrical Code》之Article 690-Solar Photovoltaic Systems中的690.99條款(Overcurrent Protection)中已明確：光伏子系統電路、光伏輸出電路、逆變器輸出電路和儲能電池電路的導體和設備應當按條款240要求予保護(注：條款240關于導線和設備的保護條文)。

我國等同采用IEC60364-7-712:2002《Electrical installations of buildings-Part 7-712: Requirments for special installations or locations-Solar photovoltaic(PV)power supply systems》的GB/T 16895.32—2008《建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏(PV)電源供電系統》(2010-02-01正式實施)，其中雖在直流側的過負荷保護中提出當電纜的連續載流量等于或大于任何位置1.25倍的Isc(STC)時(Isc(STC)為標準測試條件下的短路電流)，光伏串和光伏陣列電纜的過負載保護可忽略(標準的712.433.1和.2提到)。但標準同時注明：上述要求僅為關于電纜保護的規定，同時也要考慮制造廠關于光伏模塊保護的說明書；其在關于光伏陣列連接箱(PV array junction box)的定義中也闡明如需要也可用熔斷器保護。GB/T 16895.32—2008未硬性規定設置保護電器的原因，一方面是標準只規定最低限度的要求，保證施行；但另一主因是相關標準還在制定中。

專門針對太陽能光伏系統保護用的熔斷體標準IEC 60269-6: 2010，2010年10月IEC委員國已投票通過，2011年有可能出版，國家標準也將跟進制定；UL在2005年或更早就已設立了保護光伏電池組件串和光伏陣列的熔斷體的技術規范：Subject 2529 OUTLINE OF INVESTIGATION FOR LOW-VOLTAGE FUSES-FUSES FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS，其最新版即2010版。

這些相關標準的頒布，預示著包括中國在內IEC各成員國后續相關的標準和安規認證要求可能將會如NASI/NFPA 70那樣考慮直流側的過流保護問題，事實上，業界現有大部分光伏發電系統的光伏串和光伏陣列都已設計安裝了保險絲。如圖1所示，好利來科技HOLLY光伏保險絲HC10aR 1000V DC和HC10N 600V DC被廣泛應用于PV光伏連接柜中熔斷器A位置、光伏保護的NH00 1000V 100A和NH1 1000V DC 200A，以及PV光伏連接柜中熔斷器B位置。

圖1 光伏發電系統簡圖

北美標準NASI/NFPA 70已明確規定，直流側的保護電器均要求直流規格，對于保護光伏電池串的熔斷器(即圖1中的熔斷器A)，要求額定電流In≥1.56Isc(Isc為光伏串的短路電流)，額定電壓不小于光伏電池串當地最低溫度時的開路電壓Voc，并提供了修正系數供計算實際使用溫度下的Voc；而保護光伏陣列的熔斷器B，其要求1.25倍限制電流I≤In＜1.56Isc，該位置導線規格要不小于1.56Isc，所以取電流1.56Isc計算值以下系列化規格中最大的額定電流是合適的。

IEC體系的光伏保險絲約定熔斷電流為1.45In、美國Subject 2529技術規范對應的光伏保險絲約定熔斷電流為1.35In，即IEC體系的光伏保險絲的實際承載能力約為美國Subject 2529保險絲的1.1～1.2倍，因而考慮到實際承載能力的不同，對于圖1中的熔斷器A位置的IEC體系的光伏保險絲應參考公式In≥1.56Isc修正為In≥1.42Isc。所以按修正后的公式算出熔斷器規格值In，并取大于計算值且和計算值最接近的電流等級的熔斷體，另外導線的規格須不低于Isc，最好大于1.25Isc；同理，對于圖中的熔斷器B位置的IEC體系光伏保險絲參考公式In＜1.56Isc修正為In＜1.42Isc，取電流1.42Isc計算值以下的系列化規格中最大的額定電流規格。熔斷器周圍溫度較高時，如高出45℃或在匯流箱中緊挨著安裝多個保險絲時，應降容使用，降容量按熔斷器廠家建議。

綜上所述，在光伏陣列設置直流光伏保險絲至關重要，選擇光伏保險絲的額定電壓要考慮光伏板可能使用地最低氣溫時的開路電壓Voc，額定電流要考慮光伏板使用地最高溫度時的短路電流Isc，以及循環負載對長期工作壽命的影響，保證長期工作的前提下取低額定值，實現保護作用。