光伏發電用直流熔斷器的額定電流計算方法與設計選型研究

劉 冉

(濟南城投設計有限公司，濟南 250000)

0 引言

目前，雖然中國對于與光伏發電相關的設計標準在不斷完善，但仍無系統的、專門針對直流熔斷器的設計規范，此方面的相關國際標準也鮮見詳細解讀。基于此，本文對IEC、NEC等國際標準關于光伏發電用直流熔斷器的設計選型及其額定電流計算方法進行介紹，對不同標準之間的差異進行分析，并通過案例進行設計選型分析。

1 光伏發電用直流熔斷器的作用和選型

光伏發電系統直流側過電流保護用元器件可采用直流熔斷器或直流斷路器，這2種元器件均能夠及時切除過電流故障，保護光伏組件免受外部短路故障的影響，防止事故范圍擴大，是光伏發電系統中不可或缺的一部分。

中國民用或工業用電一般為交流電，其波形為正弦曲線，存在自然過零點，比直流電更易分斷。因此，相較于同規格的交流斷路器，直流斷路器的價格相對更高。雖然直流熔斷器也能可靠地分斷過電流，且分斷速度比直流斷路器更快，但通常直流熔斷器動作后不能再次使用，需要更換。盡管存在上述情況，由于直流熔斷器的價格較低，其在光伏發電領域仍得到了大規模應用。

光伏組件廠家一般會在銘牌上標識光伏組件在標準測試條件(STC)下得到的短路電流ISC_MOD，但其值通常不高，考慮到光伏組件的版型、原材料不同，ISC_MOD值一般在5～20 A之間；而低壓(380 V)交流配電系統的短路電流值可達幾十千安。這就要求熔斷器需要在相對較小故障電流時也能可靠地分斷，對熔斷器提出了更高要求。所以，光伏發電系統直流側熔斷器一般為光伏發電專用熔斷器。

2 熔斷器額定電流的相關標準研究

2.1 國內相關標準規范要求

目前，GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[1]中并未對光伏發電系統直流側的設備如熔斷器等的選型做出明確規定。

GB/T 13539.6—2013《低壓熔斷器 第6部分：太陽能光伏系統保護用熔斷體的補充要求》[2](等同IEC 60269-6: 2010)中，主要對光伏發電用熔斷器的約定熔斷電流進行了更新補充，并未對此種熔斷器的額定電流選型進行詳細規定。該標準在其附錄BB(資料性附錄)的“BB.3.1額定電流”章節中僅進行了舉例：“例如：在45 ℃和1200 W/m2輻照度峰值時，熔斷體的額定電流應大于等于 1.4ISC_MOD”。

北京鑒衡認證中心公布的CNCA/CTS0001—2011A《光伏匯流設備技術規范》[3]中“5.2.4過流保護裝置的選型”章節對光伏組串匯流箱內和光伏方陣匯流箱內使用的熔斷器進行了詳細規定，其所引用的公式及說明均來自IEC/TS 62548: 2013，但IEC/TS 62548: 2013已更新為IEC 62548: 2016，相關章節內容也已進行了更新。

根據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》[4](等同IEC 60364-7-712: 2002)中712.433.1和712.433.2的規定，當電纜的連續載流量大于等于直流側任何位置的ISC_MOD的1.25倍時，連接光伏組串和光伏陣列的電纜的過負載保護可忽略。但該標準中提到的上述要求僅是針對電纜保護的要求，對熔斷器等過電流保護裝置并無明確要求。

2.2 國外相關標準規范

對于 IEC 62548: 2016《Photovoltaic (PV) arrays—Design requirements》[5]，中國目前尚無與該標準對應的國家標準。該標準的2016年版本較2013年版本有所更新。2016年版本中的6.5.5條對光伏發電側過電流保護進行了規定，6.5.5.1-a)條目中針對單個光伏組串時熔斷器的過電流保護進行了規定，即：

式中：In為單個光伏組串的熔斷器的額定電流值；IMOD_MAX_COPR為光伏組件的最大過流保護值，即光伏組件允許注入的與光生電流方向相反，但并不會使其發生熱斑的最大電流。

6.5.5.1-a)條目還注明，考慮到高太陽輻照度條件，In計算最小值時設置了設計余量，取系數1.5。但在設計中還是應根據每個項目所在地的太陽輻照度、當地氣溫來確定，因為循環負載、成組熔斷器及不同平行光伏組串間的不平衡穿越電流都會導致系數大于1.5。

值得注意的是，中國有研究[6]引用了IEC 62548 Ed.1.0 CDV，該研究認為“熔斷體的額定電流應在(1.4～2.4)ISC_MOD的范圍內”，該值明顯與式(1)不符，但IEC 62548: 2013的6.3.6.1條目中的公式與式(1)相同。

6.5.5.1-b)條目規定了1個熔斷器保護多個光伏組串時的選型要求，即：

式中：NG為1個熔斷器保護的光伏組串數量；Ing為保護多個光伏組串的熔斷器的額定電流值。

6.5.5.2條規定了光伏子陣列熔斷器的選型要求，即：

式中：ISCS_ARRAY為光伏子陣列的短路電流；Ina為保護光伏子陣列的熔斷器的額定電流值。

式(3)中，Ina計算最小值時取系數1.25，而不是式(1)中的1.5，這是為了給光伏發電系統設計者更多的靈活性，但設計者也必須考慮到某些高太陽輻照度地區可能出現的熔斷器頻繁熔斷的情況。

本文對6.5.5.3條中提到的光伏方陣及其上級過電流保護的選型不再贅述。

根 據 NFPA 70—2011《National Electrical Code》[7]中條目690.8(A)的規定，光伏發電系統直流側的最大電流值為1.25ISC_MOD。該值是考慮到實際的太陽輻照度會比STC下的1000 W/m2高后，在電路中可能出現的非故障最大短路電流值。

再根據NFPA 70—2011中條目 690.8(B)[7]光伏發電系統中過電流保護裝置的額定值規定，過電流保護裝置的額定電流值應選擇大于等于條目690.8(A)中所計算的1.25ISC_MOD的1.25倍，即1.25×1.25ISC_MOD=1.5625ISC_MOD，這也是國內很多研究中提到的系數1.56的來源。其與IEC 62548:2016規定的1.5倍的設計余量相近。

綜上可知，IEC 62548: 2016的要求更為詳細。IEC和NEC規定的計算熔斷器額定電流所需的設計系數主要考慮了2個因素：1)可靠性，即在故障情況下流過短路電流時，熔斷器能夠動作，但考慮到光伏組串間不平衡電流等因素后，則應乘以一個可靠系數，以防止熔斷器誤動作；2)由于ISC_MOD是在STC下測得的短路電流，項目所在地的太陽輻照度有可能比1000 W/m2高，因此光伏組件的實際短路電流會大于ISC_MOD。

對于國際標準IEC和UL關于熔斷器額定電流要求的差別，本文不再詳述。

3 設計選型舉例

3.1 不同地區太陽輻照度對光伏組串用熔斷器選型的影響

在中國，不同地區的太陽輻照度存在較大差別，根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》附錄C[8]得到夏季不同緯度下太陽時12:00時水平面接收的總太陽輻照度，具體如表1所示。

表1 夏季不同緯度下12:00時水平面接收的總太陽輻照度Table 1 Total solar irradiance received by horizontal plane at different latitudes in summer at 12:00

從表1中可以看出，中國20°N～45°N區域在夏季12:00時的總太陽輻照度大于STC下的太陽輻照度1000 W/m2。

目前，隨著光伏組件技術不斷升級，中國大型地面光伏電站所用光伏組件類型已由以多晶硅為主升級為以單晶硅為主，光伏組件的光電轉換效率也普遍超過20%。以某品牌型號為TSMDE18M(II)的500 Wp單晶硅光伏組件為例，其在STC下的參數情況如表2所示。

表2 某品牌單晶硅光伏組件參數情況Table 2 Parameters of a brand of mono-Si PV module

考慮到夏季極端溫度情況，此時光伏組件的短路電流ISC_TMAX可修正為：

式中：Tmax為光伏組件最高工作溫度，此處取 85 ℃。

將相關數據代入式(4)可得ISC_TMAX=12.486 A。

考慮到中國20°N～30°N地區(比如，西藏等地區)的太陽能資源豐富，則此情況下光伏組件的最大短路電流ISCmax=12.486×1.14=14.23 A=1.16ISC_MOD，并且ISCmax＜1.25ISC_MOD。

綜上可知，由于太陽輻照度的原因，在中國某些區域也適用于NEC所采用的1.25倍的設計余量系數。

雖然短路電流的大小與太陽輻照度成正比，但在中國，即使最大太陽輻照度一般也應小于太陽常數(1367±7 W/m2)。若當最大太陽輻照度采用太陽常數時，光伏組件的最大短路電流ISCmax=12.486×1.367=17.07A=1.39ISC_MOD，并且ISCmax＜1.56ISC_MOD。

可見，在最極端環境情況下，按照1.56系數選型，光伏組件正常的短路電流值不會超過熔斷器額定電流值。但此種情況下的設計余量已經較小，設計系數宜大于1.56，以保證光伏組件安全穩定運行。

3.2 多光伏組串并聯時熔斷器的選型舉例

參考表2中光伏組件ISC_MOD的取值12.28 A，選用截面積為4 mm2的光伏專用電纜，則該電纜工作溫度為80 ℃時的截面載流量I為35 A。光伏子方陣中光伏組串的并聯數量N取4，則光伏組串的最大短路電流ISCMAX可表示為：

將相關參數值代入式(5)可得ISCMAX=36.9 A。

由于36.9 A大于電纜截面載流量35 A，因此單個光伏組串也需要設置熔斷器保護，此時熔斷器額定電流In的計算式為：

將相關數據代入式(6)可得In=19.2 A，此時需選擇額定電流為20 A的熔斷器；然后再根據光伏組串內光伏組件的串聯數量等，選擇合適額定電壓的熔斷器，這樣熔斷器就能很好地保護光伏組串。對可滿足此情況下要求的型號為PV-20A10F的某品牌熔斷器(圓柱形)參數進行列舉，具體如表3所示。

表3 某品牌光伏發電用熔斷器的參數表Table 3 Parameters of certain brand of fuses for PV power generation

3.3 小結

由于每個地區的太陽輻照度不同，因此在實際的光伏電站設計時，光伏發電系統直流側熔斷器的額定電流建議選擇大于1.56倍的光伏組串額定短路電流 (即光伏組串匯流箱處的短路電流)，這個光伏發電系統的可靠性更高；而光伏方陣處及其上級的過電流保護可依此類推。但無論是1.5還是1.56都為推薦參考選型系數，設計者還應根據項目所在地的實際環境情況進行詳細分析。

4 結論

本文對光伏發電用直流熔斷器的選型及其額定短路電流計算方法進行了介紹，目前除了IEC和NEC標準中明確指出熔斷器額定電流選型系數應采用1.5或1.56外，國內尚無與此對應的國家標準，GB 50797目前仍為2012年版本，后續版本應補充熔斷器選型標準。在實際的光伏電站設計中，光伏發電系統直流側熔斷器的額定電流建議選擇大于1.56倍的光伏組串額定短路電流 (即光伏組串匯流箱處的短路電流)，這樣較為可靠；而光伏方陣處及其上級的過電流保護可依此類推。無論是1.5還是1.56都為推薦參考選型系數，設計者還應根據項目所在地的實際環境情況進行詳細分析，這樣才能有效保護光伏發電系統直流側。