光伏電站MC4連接器變色監視護套研究

中廣核新能源貴州分公司 羅 康 楊明進 胡 曦 陳太剛 王 昊

光伏電站每一個環節都充斥著安全的不確定性，在系統建設期就應做好對光伏發電各個環節質量把關，處理光伏區故障時要確保各個項操作的正確。連接器類的小元件與光伏發電系統的融合，在光伏電站設計階段、工程建設階段甚至運維階段產生的問題都因其過于應用廣泛而常被忽視。當光伏發電單元運行發電時，在連接器導體內有電流通過時，連接器的接觸電阻增大將導致導體運行溫度增加，并超出該元件設計時所能承受的最高溫度。此時連接器表面的絕緣材料將逐漸碳化，由絕緣體逐漸變為導體，最終發展為電氣短路故障。在高溫、高濕的環境中，潮濕空氣易侵入MC4連接件，會加快導體因接觸不良而發熱、短路的發展速度，該環境中運行的MC4連接件更容易出現上述故障。

1 具有發熱自檢功能的光伏電站MC4連接器介紹

1.1 光伏電站MC4連接器現狀調查

光伏組件以及MC4連接器長期暴露在風雨、烈日和極端的溫度變化中，連接器須能適應這些惡劣環境，同時要做到防水、抗高溫和對紫外線具有穩定性，還要做到絕緣保護、高載流能力及運行穩定性。其中，MC4連接器的低接觸電阻也是重要考量指標。MC4連接器采用低電阻設計，其對內導體還須考慮電氣連接部分具有適當電氣連接接觸壓力配合，其絕緣部分還須考慮實現恰當的物理連接。

雖然不同廠家生產的MC4連接器外形多有不同，但整體框架和MC4連接器內導體的連接方式基本原理幾近相同。現在市場中的MC4連接器材料用的是絕緣材質中的硬質塑料，為實現MC4連接器的設計和安裝簡便，利于同光伏組件配合使用、利于施工現場安裝，逐漸成為MC4連接器的標準設計。盡量降低MC4連接器內連接導體的觸電阻，同時降低整個光伏發電鏈路整體損耗，提升光伏發電各單元發電效率有著強有力的促進作用[1]。

1.2 自主專利的發熱自檢MC4連接器護套

隨著光伏產業在市場中的發展，MC4連接器已經成為光伏發電行業中不可缺少的一個重要組成部分。本專利致力于在極端環境下，如在亞熱帶的夏季高溫、熱帶高溫潮濕、沙漠或鹽堿等惡劣環境下，給出一種可為MC4連接器提供保護的護套解決方案，為上述環境中MC4連接器能夠安全穩定運行提供支持。

經過對光伏電站全年排查，以現場實際實施驗證為基礎，開發了一款具備防潮能力和高溫變色預警MC4連接護套，并且對其相應使用的連接器進行技術分析，考慮過低變溫點變色層易受外界環境或者制程影響導致提前變色，增加故障MC4連接器發熱故障判斷的困難程度，創新性地設計了多款適用于不同環境溫度下的MC4連接器變色膠帶。這樣MC4連接器護套具有較強的密封性，配合使用更適宜本區域環境溫度下的變色護套，既能提升MC4連接器絕緣密封性，又能夠達到對MC4連接器發熱情況的監測。根據變色情況能快速判斷該MC4連接器內部導體接觸電阻情況，安排預防性檢修。利用該護套能提升光伏電站MC4密封性，輔助快速查找存在發熱隱患的MC連接器，整體提升光伏電站運行穩定性[2]。

圖1 MC4連接器護套模型圖

2 MC4連接器變色監視護套的功能

2.1 變色監視護套的變溫點控制

將變色監視護套設置于MC4連接器易發熱點進行測試，考慮到阻水密封膠與變色層材料粘連困難性，變色阻水膠帶定位為變溫、預警作用，封膠層為阻水作用，將上述兩種材料分開進行貼合使用，最后再將阻水密封膠和變色層壓合形成一體化操作。同時使用壓敏膠，防止膠層厚度影響熱傳導，并適當調整變色層溫度。試驗初期因為MC4連接器發熱情況不便于現場模擬，為充分保證變色膠帶的試驗可靠性，先期在烘箱內進行模擬試驗。試驗開始方案是控制烘箱加熱溫度對變色膠帶進行加熱，模擬MC4連接器內導體因接觸不良而發熱的工作溫度對變色膠帶顏色的影響。

驗證方法：先在加熱臺上貼一層密封膠，再貼合變色膠帶，然后控制加熱臺溫度觀察變色膠帶變色情況。對變色膠帶發生顏色、溫度變化時間進行記錄，針對MC4連接器運行環境溫度不同的光伏電站，采取對變色膠帶內參雜變色組份總量的不同來擴寬變色膠帶的適應環境寬度。根據實驗室測試和實際使用應用檢測可發現，本自主專利的發熱自檢MC4連接器護套具有較寬的溫變系數，同時具備較廣的適應性，具備較強的推廣應用能力。

變色膠帶具備更廣的變色溫度，其對不同運行環境溫度的光伏電站適用性更廣，以此來降低變色材料的采購成本。同時針對試驗范圍內的光伏組件MC4護套的密封膠進行統一選型和設計，擴寬密封膠的適用范圍。利用上述兩種方案同步實施，能降低MC4連接器防潮變色護套的采購成本。當MC4連接器具備了在高溫、高濕環境下能夠不受環境濕度影響穩定運行時，且MC4連接器內部導體接觸不良發熱時變色膠帶能反映出該隱患時，就能將光伏電站運行維護由“滅火”似的消缺提升至光伏電站隱患自主處理階段。不但能提升光伏電站發電設備運行穩定性，更能提升光伏電站運行安全性，最終是提升了光伏電站的發電能力[3]。

2.2 保護高溫下阻水功能

當環境溫度升高且空氣濕度較大、甚至是夏季雨后最惡劣的情況，環境溫度較高且MC4連接器因內部導體虛接、MC4連接器運行溫度逐漸升高時，也須保證阻水膠帶的阻水功能，防止阻水膠帶運行過程中發生開膠，導致潮濕空氣進入MC4連接器引起其接地甚至短路的狀況發生。在高溫、高濕的試驗環境下測試阻水膠帶阻水功能時，時刻觀察加熱臺的加熱溫度是否發生波動，而不能長時間的維持加熱臺的溫度恒定。因MC4連接器內部導體虛接時其發熱是恒定的，若因試驗環境下加熱、增濕過程中阻水膠帶發生溫度的動蕩，將不能很好的模擬現場實際情況，導致試驗數據出現偏差[4]。

試驗時利用恒溫加熱臺持續保持MC4連接器阻水膠帶溫度，確保不會因試驗臺濕度變化而發生溫度動蕩，持續記錄并測量MC4連接器阻水膠帶表面溫度情況。此測試行為模擬光伏MC4連接器內部導體接觸不良發熱的狀態，以及模擬光伏MC4連接器發熱的熱積累變溫時間，以此變溫時間來對MC4連接器溫變護套的具體功能進行改進與研究。

如，在MC4連接器內部導體發熱量少、熱積累溫度低時，MC4連接器變色護套保持穩定、降低故障誤判率。隨著時間推移、熱積累溫度的升高，光伏組件MC4連接器內部溫度達到變色護套變色溫度時顏色逐漸發生變化，將MC4連接器內導體接觸不良的安全隱患體現出來。同時MC4連接器阻水膠帶具有較高的熱穩定性，如若夏季被雨淋濕、冬季雪花堆落在光伏組件MC4連接器上不能及時融化時，阻水膠帶也將會發揮其優勢，防止MC4連接器進水形成直流接地或光伏發電單元短路的幾率。

3 MC4監視護套對絕緣材質的影響

3.1 MC4連接器變色護套溫變特性試驗注意事項

MC4連接器變色護套在研究的過程中，不僅要保證MC4連接器變色護套對高溫有足夠預警能力，還要注重其與MC連接器阻水膠帶的貼合緊密性。如果因為變色護套與阻水膠帶貼合不夠緊密，MC4連接器內導體接觸不良發熱溫度將部分被損耗掉，降低了變色護套對MC4連接器內導體接觸不良檢測的準確性，變色護套對MC4連接器內導體接觸不良檢測的準確性提升，更加強了MC4連接器運行時的穩定性[5]。

試驗時可通過烘箱加熱變色膠帶外層，驗證變色層與外界溫度的變化是否均衡一致。如不是同時升溫變色，則要加以修改變色護套參雜感溫物質的均度，當變色護套外層的變色基本能達到與烘箱內空間溫度變化相同時，變色護套的變色特性就能實現變色能力和MC4連接器表面溫度相符合。變色護套在試驗環境和工程實際應用環境均完成了該特性的實現。

試驗最后需要注意變色護套的穩定考慮。因為變溫層材料特性的不同，變色護套材料穩定性也是不同的。但是需要考慮膠帶長時間在實際應用環境中，紫外線、早晚溫度差、環境濕度等環境特性均會對變色護套運行穩定性造成影響。故通過烘箱加熱模擬不同環境溫度對變色膠帶的影響時，要對上述環境特性進行考慮，以確定MC4連接器變色護套安全運行環境特性和溫度，以增加MC4變色護套的耐熱性以及穩定性。

3.2 MC4連接器阻水膠帶材料的選取研究

針對于高溫預警阻水膠帶的研究，對其相關使用材料也要有選取考量。從組件到溫度監控線和填充層都將要有嚴格的把控。內芯選取耐高溫屏蔽導體線芯、半導電阻水膠帶層、變色膠帶以及密封膠，其中運行使用時防止：密封膠貼合時避免手直接接觸膠體，避免因膠粘手導致膠與連接器貼合不緊。MC4連接器阻水膠帶材料選取時，還需考慮若因為光伏電站運維人員未及時發現MC4連接器發熱的故障隱患，導致MC4連接器長時間處于發熱狀態，MC4連接器阻水膠帶需要有足夠的熱穩定性。不能因為MC4連接器阻水膠帶能夠實現阻水能力而喪失熱穩定性，嚴防阻水膠帶因為高溫而碳化或高溫燃燒，成為光伏電站運行的新安全隱患。

3.3 提升光伏電站發電能力

通過上述分析，自主專利的變色阻水MC4連接器護套，將光伏電站運行維護由“滅火式”的被動故障處理提升至光伏電站隱患整改。隨著處理思路的變化，能夠提升光伏電站運維的安全性和故障處理的效率，更重要的是光伏電站運維人員能夠合理地選取隱患整改的時間，避開光伏電站輻照度較好的時間段進行隱患整改，降低電量損失，提升故障處理安全性。

光伏電站運行維護第一大的痛點不是故障處理，而是故障點的發現。尤其對于大型光伏電站要在光伏區去尋找到疑似MC4連接器發熱安全隱患，猶如大海撈針。自主專利的變色阻水MC4連接器護套就是通過變色護套將存在發熱安全隱患的MC4連接器標識出來，提高安全隱患發現的效率。

光伏電站運行維護第二大痛點就是每當進入天氣變化比較頻繁的夏季，MC4連接器時常發生進水短路造成逆變器停機，甚至引發光伏區火災的安全風險。并且夏季光伏區輻照度較高，逆變器停機故障損失較大。自主專利的變色阻水MC4連接器護套就能很好的解決該痛點，將廠家成批量生產的MC4連接器阻水能力較差，或者施工時因工藝控制問題破壞了MC4連接器阻水能力等安全隱患充分避免，以提升MC4連接器運行穩定性。

自主專利的變色阻水MC4連接器護套充分抓住上述兩個光伏電站運維過程中的痛點，找到一條事宜的解決方案，提升了光伏電站MC4連接器運行穩定性，降低了因為MC4連接器故障所導致的電量損失，總體能夠提升光伏電站的發電能力。

4 結語

隨著我國經濟的快速發展，光伏能量隨之出現在大家視野，光伏組件的消耗也在大幅度的增加，所有的能源基于環境與溫度的影響逐漸被約束著，自主專利針對于發熱的MC4護套能夠對光伏發電成為未來可持續能源的目標做一個助推作用，使我們未來光伏產業運行維護時能更穩定、更高效。