张书瑞：满足25年寿命的光伏汇流箱的现状、问题与解决方案演讲人系北京人民电器厂有限公司营销技术部部长（本文根据“ 2015 第四届分布式发电与微电网技术大会”演讲 PPT 编辑而成）光伏汇流箱的现状 汇流箱是光伏发电系统中一个承前启后的产品，前有光伏电池阵 列，后有逆变器，所以是一个非常重要的产品，由于工作条件在室外， 因此长期受到雨雪侵袭，工作环境十分严酷。以直流汇流箱为例，现在已经发展到第三代技术，主要体现在： 除汇流和防雷的主要作用外，还增加了电压、电流、温度的采集和工 作状态监控，不平衡和失效报警、数据与传输等。各发电企业对光伏电站的使用寿命规定为25 年，在它的全生命周 期里，里面的元器件能否经受住考验，业内都没有一个统一标准。本报告拟对光伏电站中汇流箱在25 年寿命里的安全性和可靠性进 行分析，并提出解决方案，同时对汇流箱降低功耗提出建议，对汇流 箱检修方便性提出要求。1、光伏汇流箱的分类 根据发电模式可以分为：满足集中式逆变器需要的直流汇流箱； 满足组串式逆变器需要的交流汇流箱；满足集散式逆变器需要的多路 MPPT 直流升压汇流箱。以系统额 定电压分类： DC500V 、 DC750V 、 DC1000V 、 DC1500V；以汇流回路数分类：616 路； 以汇流回路保护分类：熔断器式、断路器式； 以控制分类：智能型、非智能型；以海拨高度分类：2000m以下为标准型；2000m以上为高原型;全适应的通用型；防护等级：IP65 ；主断路器进出线方式分为：下进下出、下进线处； 主断路器安装类别：竖装；主断路器额定电流等级： 63A、100A、125A、140、160A 180A、200A、225A、250A；基准环境温度分为40弋、50弋；防雷措施：防雷模块。2、光伏汇流箱产品结构形式ll光伏汇流箱使用中存在的问题检/揑/通讯 体他防雷坪元防反二粗營汇注 I S 1IC *-*? L *4 A ri 冃 %fcWh II*nwn l、总汇流进出域病熔斷鑫1、安全性问题1）熔断器拨插过程中的电弧 塑料外壳式熔断器由座和手柄组成，座的两端设置有金属插座，该插座与手柄中间穿有的熔断体进行配合，来实现熔断器的功能要求 , 不可以带电拨插。这种结构在实际现场中，误拉的很常见：在拉开熔断器时，手柄 不能同时断开熔断体两个接触点，回路中高达1000V直流电压，就能 烧毁熔断器座和烧伤人手，会产生设备与人身安全事故。在 PCB 板上直接焊接有熔断器插座：安全防护太差，在接地系统 中，人身触及 DC1000V 的高压，与大地产生回路，就会危害生命安 全；人同时触及正负极也会危机生命安全。要更换熔断器时，必须在无电状态下才能操作。熔断器与插座的 终压力、熔断器与 PCB 扳的焊接牢固度，都决定了箱体的温升较高和 电弧的产生，这种结构如产生电弧，将会导致整个 PCB 板烧毁，最终 导致整个汇流箱烧毁。2）电缆与接线端子虚接后产生的电弧 现有的汇流箱在器件与器件之间的联接大都采用电线联接，一个汇流将近有100个接头。由于电线为多股软导线，在长期运行后，铜导线在长期压力下可 能会产生永久变形，以至于压力减少，严重时会产生高温，直至产生电弧烧毁器件及汇流箱。3）爬电距离问题在光伏系统中爬电距离与电压有关系，根据美国UL标准，考虑到 箱体破损，内外环境一样，属于室外工作用电器，规定了在光伏 DC1000V系统中所用的电器的爬电距离应大于54mm，否则会在有 凝露和污垢的情况下，产生放电引起正、负极间，正、负极同时对地 的短路事故。4）电气间隙问题电气间隙与电压有关系，根据美国UL标准，考虑到箱体破损，内 夕卜环境一样，属于室外工作用电器，规定了在光伏DC1000V系统中所 用电器的电气间隙应大于25.4mm，否则会在高电压产生放电引起正、 负极间，正、负极间同时对地的空气放电或短路。2、可靠性问题 总汇流断路器机械及电气寿命： 无问题。总汇流断路器机电寿命 都达到 5000 次以上，光伏系统25 年需求总寿命为1250 次（50 次/ 年 x25 年=1250次）。熔断器寿命： 带塑料夕壳基座的拨插寿命：熔断器按标准规定不 能带电操作，出现误操作的机率较大，一旦误操作熔断器必损伤和更 换。该产品无电气寿命。接线端子与电线电缆连接强度： 市场销售产品大部分采用软线连 接，接点多，风险大，在热应力的作用下，连接强度会递减，给电站 的运行造成了不安全因素，出现连接处起弧/发热等问题。铰链变形或折断： 在户夕一些大风和开启频繁的情况下，铰链经 常发生变形甚至折断；由于汇流箱的防护等级为IP65，所以要求锁扣 可以长期有效地对胶条进行挤压来保证箱体的密封性。锁扣强度不够：锁扣由于强度不够，在长期高强度的拉力下经常 会产生形变，甚至损坏，导致汇流箱的密封性下降。汇流箱密封性下降： 汇流箱内夕环境一样，尤其是温差大的场合， 产生凝露现象，如使用电气间隙（正极与负极之间，极与地之间）及 爬电距离（正极与负极之间，极与地之间）小于UL标准的光伏电器元 件很有可能发生电弧短路现象。门板偏移或形变： 由于目前汇流箱体积偏大（长度一般为 700800mm ），横向重心偏差大，在箱体竖向悬挂时，由于铰链有一定的 活动量，造成门板向一侧下滑，门板中间会形成形变。1）保护电器误动问题-断路器频繁跳闸： 光伏汇流箱的内外环境温度较高，如基准温度过低， 容易造成过载长延时保护早跳产生误动，断路器频繁跳闸，光伏系统 不能发电的严重后果。小电流不能分断： 断路器性能不符合临界负载电流通断要求，高 达 1000V 的直流电压，一旦分断不了电弧，就会烧毁断路器。温升过高：第一代DC1000V直流断路器大多采用四极串联的方式， 一些厂家将常用的交流 IEC 标准引用到光伏直流断路器，简单地将极 与极之间进行串联，交流产品每极上下引线都达到 2 米，而串联只有 3570mm，散热差是造成断路器内部温升过高而产生误动的主要原 因，个别厂家现场整改用加装散热器方法，使发电企业蒙受重大损失。2）保护电器误动问题-熔断器 光伏熔断器的冶金效应非常严重，因为白天发电晚上无载，熔断片受热受冷变化频繁，会引发严重的冶金效应，寿命比长期带电的熔 断器要短一倍以上，一般在三年要更换一次，才能保证正常工作。3）保护电器误动问题-雷击浪涌保护器 雷击浪涌保护器在正极对中性点、负极对中性点和中性点对地之间都设置有一压敏电阻，压敏电阻在劣化后遇到雷击时，因二只压敏 电阻劣化程度不同， 在保护时， 往往有锡焊的保护断点要承担 DC1000V的电压。原因为现有浪涌保护器的标准是二只串联的压敏电 阻同时起作用，每极为DC500V，如遇到上述状况时，则会造成事故。3、经济性问题运输成本问题： 市场产品的体积较大，包装要求更高，在实际运 输过程中无优势，特别是出口产品。功耗产生的成本分析：汇流箱的功耗组成：总汇流断路器内阻+熔 断器内阻+电流测量模块内阻+汇流排内阻（+防反二极管内阻）；现 有汇流箱内阻高、功耗大，严重的影响了电站回报率。 维修成本：现有产品无系统化设计，接点多，维护性差，更换麻 烦。满足 25 年全生命周期的解决方案 1、汇流箱满足 25 年寿命的试验方法1) 25年寿命性能的热老化试验方法热老化时间阿伦纽斯公式t1/t2=el师卜V顾tl:鉴定寿命时间(h) t 25年即219000bT1 :元件坏境温度(K) r按5CTC计算f即50 + 273-323KT2 :元件加速老化温度(K很据元件的最高耐热溫度取加速老化烘箱遍度为100弋f T2 = 373K9 :反应活化能(eV) f很据材料供应商提供的申范圜为0.9-11 故取最小值甲=09入:波尔兹曼常数(0.00008617eV/K )t2 :加凍老化时间(h )趣条件-试验箱温度设走为tocrc ,不通电.塑壳断路器处于闭合状态.试验初期老化16h后检试验样品的外观*塑壳断路器操作性能。 试验过程中迸行到人2/3W3/3=个时问(24天、48天、72天、北天、120天)时将样品从高溫箍中取岀进行试验后检测亠验收依据对薩依、原件等件迸行外观检直懣后讶行功能测试以及免绿电2 ) 25年寿命性能的试验方法盐雾试验：按照国家标准，试验试验不低于1000h ;试验后，将箱体和元器件与试验前的性能做对比，性能不下降为合格品。2、光伏汇流箱存在问题的改进1) 安全性问题熔断器电弧伤人事故：光伏发电现场工作人员水平参差不齐，禁 止拨插熔断器不可能，拨插过程中产生电弧伤人事故不断的教训也得 不到警戒，只有提高产品的本质安全才是安全出路。解决方法是用 DC1000V 小型直流断路器，或用正负极熔断器同时拨插的熔断器组合 体（熔断器式隔离开关），同时产生四个断口，每断口为 DC250V 压 降。电缆与接线端子虚接后产生的电弧：采用汇流排和导线加端子， 是解决虚接的有效办法。爬电距离和电气间隙：采用符合美国UL489B标准设计和生产的 光伏用元器件。2）可靠性问题接线端子与电线电缆连接强度：用导线加端子加标准压力钳的方 法加以解决。铰链、锁扣的强度：采用不锈钢材质。门板强度：缩小箱体体积：一是将熔断器正负极上下叠放合并， 长度方向可缩短300mm左右；二是将电流测量模块竖起，这样宽度 方向可缩短150mm。3）保护电器误动问题断路器：误动一一严格采用UL489B标准；小电流不能分断一一 选择采用UL489B标准的企业产品；断路器温升过高采用非四极 串联的产品，现在北京人民电器厂已生产出二极DC1000V的塑壳断器 和小型断路器。熔断器：光伏熔断器的冶金效应是无法避免的，最好的方法是与 德国和日本等国家规定一样，采用断路器，如以25年熔断器需更换10 次，每只熔断器为20元，则为200元，再加上维护及断电损失，总成 本为400元以上，现在一只1000V的直流断路器只有150元，可节约 半以上的成本。雷击浪涌保护器：雷击浪涌保护器保护性能问题是此行业的难题， 要进行技术攻关，目前没有太好的技术能克服。4）经济型问题运输成本问题：小体积是减少运输成本的根本出路，以长度减少 300mm和宽度减少150mm来计算，运输成本可以降低35%左右。功耗产生的成本分析：两极DC1000V，200A额定电流内阻仅为 0.7mQ,四极DC1000V , 200A额定电流内阻最低为1.2mQ,因此采 用新型两极断路器功耗至少减少40%以上。维修成本：直接的间接的维护维修成本以25年来计算，将是相当 可观的。3、满足25年使用寿命的光伏汇流箱的主要特点25年使用 寿命的光 伏汇流籍高安全本低抗腐蚀 及盐雾1）GM5-250PT 产品特点功耗低，两极DC1000V, 200A额定电流内阻仅为0.7mQ ;双向 电流均可保护，正反方向电流均可以满足分断能力和临界电流需求； 两极DC1000V，大开距强吹弧设计，满足单极DC500V工作电压； 宽度仅为90mm，宽度较四极产品降低50mm ; DT、OT120mm2接 线端子均可接入，接线位置31mm宽。2）GHR1-20P 光伏熔断器式隔离开关（1）在宽度不变的情况下一台熔断器上有4 个接线端子能接正负 极两组导线，相比常规熔断器，更加节省汇流箱体积； （2）一台熔断 器内有两组熔断体，分别接正、负极，能同时插入和拔出，在插入或 拔出时能同时形成 4 个串联的断点