光伏系統(tǒng)中的安全器件

光伏電站一般安裝在荒郊野外，或者屋頂，組件必須安裝在露天狀態(tài)下，自然環(huán)境惡劣，不可避免會遇到天災(zāi)人禍，臺風(fēng)，雪災(zāi)，沙塵等自然災(zāi)害會損壞設(shè)備，老鼠等小動物咬壞設(shè)備，電纜也有可難被小偷剪斷。電站的安全性非常重要，不管是分布式小型電站，還是集中式大型地面電站，都具有一定的危險(xiǎn)性，所以必須在光伏系統(tǒng)的設(shè)備中，都配有專門的安全器件，如熔斷器和防雷器，平時(shí)默默無聞，關(guān)鍵的時(shí)候挺身而出，時(shí)刻保衛(wèi)電站安全。

1、熔斷器

熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一定時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開的原理制成的一電流保護(hù)器。熔斷器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設(shè)備中，作為短路和過電流保護(hù)，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一。光伏電站的熔斷器分為直流熔斷器和交流熔斷器。

光伏電站直流側(cè)根據(jù)光伏逆變器方案配置的不同，分別將多個(gè)組串并聯(lián)匯集至直流匯流箱（集中式逆變器方案）或組串式逆變器（組串式逆變器方案）的直流母線。當(dāng)若干光伏組串并聯(lián)，如某組串發(fā)生短路故障，直流母線上的其它組串的和電網(wǎng)將向短路點(diǎn)提供短路電流。如缺少相應(yīng)的保護(hù)措施，將導(dǎo)致光伏組件、與之聯(lián)接的電纜等設(shè)備燒毀。同時(shí)，可能引起設(shè)備附近的附著物的燃燒。目前國內(nèi)發(fā)生多起類似的屋頂光伏火災(zāi)事故，因此需在各組串的并聯(lián)回路安裝保護(hù)器件以增強(qiáng)光伏電站安全。

目前直流熔斷器應(yīng)用于匯流箱、逆變器中，用于過電流保護(hù)。主流逆變器廠家也都將熔斷器作為直流保護(hù)的基本元件。同時(shí)，熔斷器廠家如Bussman、Littelfuse等也推出了光伏專用直流熔斷器。

隨著光伏行業(yè)對直流熔斷器的需求日益增多，如何正確選用直流熔斷器進(jìn)行有效的保護(hù)，是用戶和制造廠都應(yīng)認(rèn)真關(guān)注的問題，選用直流熔斷器時(shí)，不能簡單地照搬交流熔斷器的電氣規(guī)格和結(jié)構(gòu)尺寸，因?yàn)閮烧咧g有許多不同的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)理念，關(guān)乎到能否安全可靠分?jǐn)喙收想娏骱筒话l(fā)生意外事故的綜合考量。

1）由于直流電流沒有電流的過零點(diǎn),因此在開斷故障電流時(shí),只能依靠電弧在石英砂填料強(qiáng)迫冷卻的作用下，自行迅速熄滅進(jìn)行開斷，比開斷交流電弧要困難許多，熔片的合理設(shè)計(jì)與焊接方式，石英砂的純度與粒度配比、熔點(diǎn)高低、固化方式等因素，都決定著對直流電弧強(qiáng)迫熄滅的效能和作用。

2）在相同的額定電壓下，直流電弧產(chǎn)生的燃弧能量是交流燃弧能量的2倍以上，為了保證每一段電弧能夠被限制在可控制的距離之內(nèi)同時(shí)迅速熄滅，不會出現(xiàn)各段電弧直接串聯(lián)導(dǎo)通釀成巨大的能量匯集，導(dǎo)致持續(xù)燃弧時(shí)間過長發(fā)生熔斷器炸裂的事故，直流熔斷器的管體一般要比交流熔斷器長，否則在正常使用時(shí)看不出的尺寸差異，當(dāng)故障電流出現(xiàn)時(shí)就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

3）根據(jù)國際熔斷器技術(shù)組織的推薦數(shù)據(jù)，直流電壓每增加150V，熔斷器的管體長度即應(yīng)增加10mm，依次類推直流電壓為1000V時(shí)，管體長度應(yīng)為70mm。

4）熔斷器在直流回路使用時(shí)，必須考慮電感、電容能量存在所產(chǎn)生的復(fù)雜影響，因此時(shí)間常數(shù)L/R是不可忽略的重要參數(shù)，應(yīng)根據(jù)具體線路系統(tǒng)的短路故障電流發(fā)生和衰減率做準(zhǔn)確評估，不是隨意選大或選小都可以。由于直流熔斷器時(shí)間常數(shù)L/R大小決定著分?jǐn)嗳蓟∧芰亢头謹(jǐn)鄷r(shí)間及允通電壓，所以管體的粗細(xì)與長短必須合理而安全的選擇使用。

交流熔斷器：在離網(wǎng)逆變器的輸出端，或者集中式逆變器內(nèi)部電源的輸入端，要設(shè)計(jì)安裝交流熔斷器，以防止負(fù)載過流或者短路。

2、防雷器

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部分都安裝在露天狀態(tài)下，且分布的面積較大，組件和支架都是導(dǎo)體，對雷電有相當(dāng)大的吸引力，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與相關(guān)電氣設(shè)備及建筑物有著直接的連接，因此對光伏系統(tǒng)的雷擊還會涉及相關(guān)的設(shè)備和建筑物及用電負(fù)載等。為了避免雷擊對光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設(shè)置防雷與接地系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

雷電是一種大氣中的放電現(xiàn)象。在云雨形成的過程中，它的某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負(fù)電荷，當(dāng)這些電荷積聚到一定程度時(shí)，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成雷電。雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統(tǒng)、電氣設(shè)備及其配線等處，以及近旁周圍的雷擊。直擊雷的侵入途徑有兩條：一條是上述所說的直接對光伏方陣等放電，使大部分高能雷電流被引入到建筑物或設(shè)備、線路上；另一條是雷電直接通過避雷針等可以直接傳輸雷電流入地的裝置放電，使得地電位瞬時(shí)升高，一大部分雷電流通過保護(hù)接地線反串入設(shè)備、線路上。

感應(yīng)雷是指在相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的附近及更遠(yuǎn)些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的過電壓，這個(gè)浪涌過電壓通過靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)的形式串入到相關(guān)電子設(shè)備和線路上，對設(shè)備、線路造成危害。

對于較大型的或安裝在空曠田野、高山上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是雷電多發(fā)地區(qū)，必須配備防雷接地裝置。

電涌保護(hù)器(SurgeprotectionDevice)是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護(hù)器”英文簡寫為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。下面是光伏發(fā)電系統(tǒng)常用避雷器主要技術(shù)參數(shù)說明。

（1）最大持續(xù)工作電壓Ucpv：該電壓值表示可允許加在避雷器兩端的最大電壓。在這個(gè)電壓下，避雷器必須能夠正常工作，不可出現(xiàn)故障。同時(shí)，該電壓連續(xù)加載在避雷器上，不會改變避雷器的工作特性。

（2）額定放電電流(In)：也叫標(biāo)稱放電電流，是指避雷器所能承受的8／20μs雷電流波形的電流峰值。

（3）最大放電電流Imax：給保護(hù)器施加波形為8/20ms的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊1次時(shí)，保護(hù)器所耐受的最大沖擊電流峰值。

（4）電壓保護(hù)水平Up(In)：保護(hù)器在下列測試中的最大值：1KV/ms斜率的跳火電壓;額定放電電流的殘壓。

電涌保護(hù)器采用了一種非線性特性極好的壓敏電阻，在正常情況下，電涌保護(hù)器外于極高的電阻狀態(tài)，漏流幾乎為零，保證電源系統(tǒng)正常供電。當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時(shí)，電涌保護(hù)器立即在納秒級的時(shí)間內(nèi)迅速導(dǎo)通，將該過電壓的幅值限止在設(shè)備的安全工作范圍內(nèi)。同時(shí)把該過電壓的能量釋放掉。隨后，保護(hù)器又迅速的變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，因而不影響電源系統(tǒng)的正常供電。

除了雷電能夠產(chǎn)生浪涌電壓和電流外，在大功率電路的閉合與斷開的瞬間、感性負(fù)載和容性負(fù)載的接通或斷開的瞬間、大型用電系統(tǒng)或變壓器等斷開也都會產(chǎn)生較大的開關(guān)浪涌電壓和電流，同樣會對相關(guān)設(shè)備、線路等造成危害。小功率逆變器直流輸入端，為了防止感應(yīng)雷，加入壓敏電阻，如SFV20D系列的壓敏電阻，最大放電電流可達(dá)10kVA，基本可以滿足家用光伏防雷系統(tǒng)需要。