光伏系統(tǒng)中的安全器件選型與設計

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人禍，臺風，雪災，沙塵等自然災害會損壞設備，老鼠等小動物咬壞設備，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，都具有一定的危險性，所以必須在光伏系統(tǒng)的設備中，都配有專門的安全器件，如熔斷器和防雷器，平時默默無聞，關鍵的時候挺身而出，時刻保衛(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器。熔斷器廣泛應用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設備中，作為短路和過電流保護，是應用最普遍的保護器件之一。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)將向短路點提供短路電流。如缺少相應的保護措施，將導致光伏組件、與之聯(lián)接的電纜等設備燒毀。同時，可能引起設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事故，因此需在各組串的并聯(lián)回路安裝保護器件以增強光伏電站安全。

目前直流熔斷器應用于匯流箱、逆變器中，用于過電流保護。主流逆變器廠家也都將熔斷器作為直流保護的基本元件。同時，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行有效的保護，是用戶和制造廠都應認真關注的問題，選用直流熔斷器時，不能簡單地照搬交流熔斷器的電氣規(guī)格和結(jié)構尺寸，因為兩者之間有許多不同的技術規(guī)范和設計理念，關乎到能否安全可靠分斷故障電流和不發(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,因此在開斷故障電流時,只能依靠電弧在石英砂填料強迫冷卻的作用下，自行迅速熄滅進行開斷，比開斷交流電弧要困難許多，熔片的合理設計與焊接方式，石英砂的純度與粒度配比、熔點高低、固化方式等因素，都決定著對直流電弧強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)同時迅速熄滅，不會出現(xiàn)各段電弧直接串聯(lián)導通釀成巨大的能量匯集，導致持續(xù)燃弧時間過長發(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，否則在正常使用時看不出的尺寸差異，當故障電流出現(xiàn)時就會產(chǎn)生嚴重的后果。

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

4）熔斷器在直流回路使用時，必須考慮電感、電容能量存在所產(chǎn)生的復雜影響，因此時間常數(shù)L/R 是不可忽略的重要參數(shù)，應根據(jù)具體線路系統(tǒng)的短路故障電流發(fā)生和衰減率做準確評估，不是隨意選大或選小都可以。由于直流熔斷器時間常數(shù)L/R 大小決定著分斷燃弧能量和分斷時間及允通電壓，所以管體的粗細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，要設計安裝交流熔斷器，以防止負載過流或者短路。

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，組件和支架都是導體，對雷電有相當大的吸引力，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)與相關電氣設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的設備和建筑物及用電負載等。為了避免雷擊對光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設置防雷與接地系統(tǒng)進行防護。

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，另一部分積聚起負電荷，當這些電荷積聚到一定程度時，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成雷電。雷電分為直擊雷和感應雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統(tǒng)、電氣設備及其配線等處，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，使得地電位瞬時升高，一大部分雷電流通過保護接地線反串入設備、線路上。

感應雷是指在相關建筑物、設備和線路的附近及更遠些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關建筑物、設備和線路的過電壓，這個浪涌過電壓通過靜電感應或電磁感應的形式串入到相關電子設備和線路上，對設備、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。

電涌保護器(Surge protection Device)是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護器”英文簡寫為SPD。電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲兀Ｗo被保護的設備或系統(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。在這個電壓下，避雷器必須能夠正常工作，不可出現(xiàn)故障。同時，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給保護器施加波形為8/20ms的標準雷電波沖擊1次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。

（4）電壓保護水平Up(In)保護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。當電源系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時，電涌保護器立即在納秒級的時間內(nèi)迅速導通，將該過電壓的幅值限止在設備的安全工作范圍內(nèi)。同時把該過電壓的能量釋放掉。隨后，保護器又迅速的變?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、感性負載和容性負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)生較大的開關浪涌電壓和電流，同樣會對相關設備、線路等造成危害。小功率逆變器直流輸入端，為了防止感應雷，加入壓敏電阻，如SFV20D系列的壓敏電阻，最大放電電流可達10kVA，基本可以滿足家用光伏防雷系統(tǒng)需要。