摘 要：針對光伏熔絲的失效機理、應用場景、保護原理與實踐等方面，通過理論分析與現場考察相結合，分析直流熔絲應用于光伏電站的失效率、安全可靠性風險等，供廣大從業者參考借鑒。
 

0 引言
 

筆者作為光伏從業人員，在走訪電站期間，經常會看到運維人員奔波在子陣間去更換熔絲，也經常會看到燒毀的熔絲盒及接線端子。那么光伏中為什么要使用熔絲?在使用中存在哪些問題?有沒有更好的解決方法?帶著這些疑問，筆者經過大量的信息搜集，現場調研，掌握了光伏熔絲的一手資料，供業界同行參考。

圖1 失效的熔絲、燒毀的熔絲盒及接線端子
 

1 熔絲概述
 

熔絲，也稱為保險絲、熔斷器，它是一種串聯在電路中，保障電路安全運行的元件，廣泛用于配電系統和控制系統，主要進行過電流保護。熔絲的結構如圖2所示，其工作原理都是利用金屬的熱熔特性。

  

 

圖2 光伏熔絲內部結構

1.1 熔絲的發展歷史
 

熔絲的使用歷史超過了100多年，最早的記載出現在1864年，當時熔絲被用來保護海底電纜。光伏熔絲是隨著光伏產業的發展而出現，其國標GB/T13539.6《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》在2013年發布，是一個相對比較新鮮的事物。其標準及產品設計還處于不斷優化的過程中，并不成熟，實際應用中質量難免出現問題。

 

光伏熔絲的設計難點在于體積小(10 mm×38 mm)，直流高壓滅弧難。前兩年，國內很多企業都認為在這么小的體積上做到1000 Vdc是不可能完成的事情，這也從側面反映了光伏熔絲的設計和制造難度。

 

1.2 熔絲在光伏中的應用
 

在光伏電站用，不采用斷路器，采用熔絲，最主要的原因是降低成本。直流斷路器昂貴，價格是熔絲的5倍。因此集中式電站、部分組串式解決方案和目前剛推出的集散式方案，都不約而同地采用了大量熔絲。

 

以典型的集中式電站為例，在當前的集中式電站中，并聯的組串數量高達100串，當有一串發生短路故障，所有組串的電流均會反灌故障組串，反灌電流可能超過800 A，遠遠超出了線纜和組件的安全要求，易引發火災事故，所以必須使用熔絲來切斷故障電流，保護線纜和組件。

圖3 集中式光伏組件故障時的電流流向
 

相比集中式、集散式方案，當前部分廠家的組串式電站方案未使用熔絲。組串式方案最多2串組件并聯，即使有一串發生短路故障，反灌電流最大不會超過10 A，所以較安全，無需熔絲進行保護。

 

圖4 組串式光伏組件故障時的電流流向

 

 

 2熔絲在光伏應用中存在的問題

筆者走訪了大量電站，發現熔絲在每個電站都存在一些問題，本文主要從熔絲的安全風險和熔絲失效造成的損失等方面進行分析。
 

2.1 熔絲增加了直流節點，埋下安全隱患
 

集中式1 MW需使用熔絲400個，每個熔絲與熔絲盒夾片之間有2個接觸點，每個熔絲盒與接線有2個接觸點。所以每個熔絲將有4個接觸點，集中式因使用了熔絲就有1600個直流節點。熔絲盒對線纜可靠安裝要求高，現場實際不容易做到，經常出現接觸不良的現象，引起燒毀或直流拉弧，是匯流箱著火的主要原因。

 

圖5 直流匯流箱著火

 

圖6 熔絲接線不良引發的燒毀著火案例

 

圖7 熔絲與底座接觸不良

圖8 熔絲安裝質量堪憂，一段時間后肯定會發熱燒毀

 

2.2 熔絲在低倍過載時，熔斷慢，發熱高，存在著火風險

 

熔絲的保護原理是利用金屬的熱熔特性，這一特性決定了熔絲的熔斷時間與過電流的大小呈反時限的關系，電流越大，其熔斷時間越短，電流越小，其熔斷時間越長。電池板的電流受天氣影響，大小不可控制，當熔絲處在小電流過載時，其熔斷時間將變得很長，在這種“將斷未斷”的情況下，熔絲將處于一個非常高溫的熱平衡狀態。這么高的溫度將破壞線纜和熔絲盒的絕緣，最終引發著火事故。

圖9 熔絲發熱使熔絲盒燒毀

 

另外，部分熔絲在熔斷時會出現噴弧現象，電弧溫度非常高，會使相鄰的塑料元件、線纜絕緣等著火。

 

圖10 熔絲熔斷時噴弧燒毀相鄰元件

 

 

2.3 熔絲并不能有效地保護組件
 

熔絲的工作原理是利用金屬的熱熔特性，那么15 A的熔絲要在大于15 A的電流下才能熔斷，那么到底是多大的電流呢?筆者查閱相關標準，得到如下答案：15 A的熔絲，標準要求在16.95 A下(1.13倍)，1 h不能熔斷，在21.75 A下(1.45倍)，1 h內熔斷。標準IEC 60269-6 對熔絲的要求見表1。

 表1 標準IEC 60269-6 對熔絲的要求

 

最大保險絲額定電流15A是組件性能的一個參數，由標準IEC 61730-2 對組件的要求可知，最大保險絲額定電流15 A的組件，標準要求在20.25 A(1.35倍)下，2 h不能燃燒。值得一提的是，標準只是要求組件不起火，卻不能保證組件不損壞，實際上組件一直在承受反向電流而發生熱斑效應，性能會下降，輸出功率會降低。

 

同時，熔絲的標準要求是1.45倍的電流熔斷，而組件的標準要求是1.35倍的電流，那么在1.35～1.45倍之間出現一個保護空擋。在這個保護空擋內，熔絲不能有效地保護組件，可能出現組件著火的嚴重事故。
 

從上述光伏熔絲熔體結構上可看出，熔絲狹徑非常細，對制造工藝要求很高，普通廠家很難控制好熔絲的質量。若生產的熔絲偏大，不能在規定的電流和時間內及時熔斷，更會加劇組件的損壞，帶來著火風險。
 

2.4 熔絲在電站的失效率統計

筆者利用走訪電站的機會，與業主多次交流熔絲失效的問題收集了一些熔絲失效數據，經過匯總整理，結果見表2。

表2 熔絲失效數據整理

備注：以上數據僅為熔絲失效數據，不包括因使用熔絲導致的端子、熔絲座燒毀等案例，熔絲方案的實際故障率應更高。

 

根據熔絲失效率統計的數據，經過擬合分析，熔絲的失效率符合隨工作年數逐年上升的趨勢，5年后失效率超過15%。

圖11 熔絲失效率擬合曲線
 

筆者認為光伏熔絲頻繁失效的原因為：熔絲老化致使通流能力下降是主要原因。在光伏應用中，晝夜溫差大，每天一次的高低溫循環會顯著加速熔絲的熱疲勞效應，降低熔絲的通流能力，縮短熔絲壽命。

 

圖12 熔絲老化機理

 

 

2.5 熔絲失效造成的發電量損失

 

熔絲一旦失效，則會損失這一串的發電量。若更換的時間快，發電量損失會少一些。目前，國內大型地面電站更換熔絲的平均時間在15天左右(通訊斷鏈或沒有使用智能匯流箱，一個月才能檢查一輪)，山地電站時間更長，有個別項目甚至半年才會檢查一次，發電量損失嚴重。當然也有幾天完成的，前提是監控穩定，能從后臺清晰看到熔絲的狀態。

 

按照1 MW子陣為單位，第5年開始因熔絲失效造成的發電量損失1.5%以上，假設電價為1元/kWh，每年將造成收益損失至少22500元。以熔絲市場價格12元每支進行計算，物料更換成本至少720元。

表3 熔絲失效導致的發電量損失

注：計算單位為1 MW子陣，200串組件，每串5 kW配置，每天發電小時數為5 h。

 

表3數據中并未包含人工運維成本，若電站未使用熔絲，無需更換熔絲這一項工作，每50 MW能減少一個運維人員的話，那么可節省開支7萬多元，分攤到每MW月有1500元。人工運維成本加上發電量損失和熔絲物料成本，每MW因熔絲失效每年將損失至少25000多元。100 MW電站25年的損失將至少5500萬，這并未包括因熔絲造成的著火事故損失，實際損失將更大。
 

3 總結
 

經過以上分析，可得出以下結論：1)熔絲方案增加了直流節點，經常出現熔絲盒、接線端子、線纜等燒毀的事故。2)熔絲在低倍過載電流情況下，熔斷慢，發熱高，存在著火風險。3)由于熔絲和組件之間存在保護空擋，熔絲并不能有效地保護組件。4)熔絲失效率逐年升高，5年后失效率超過15%，發電量損失1.5%以上。5)100 MW電站25年因熔絲失效造成的損失將至少5500萬。
 

在霧霾成為人們“心肺之患”的今天，變革傳統能源結構，發展太陽能等清潔能源成了人們最急迫的呼聲，光伏電站建設也迎來了前所未有的投資機遇。安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報的根基所在，特別是在山地、屋頂等與光伏結合的項目上，安全幾乎是一票否決的原則問題。

 

不管是集中式方案，還是集散式方案或部分組串式方案，因電站中使用大量的熔絲，埋下了安全隱患，易引發著火事故，成為光伏電站安全的“頭號殺手”。使用熔絲可降低成本，但熔絲的高失效率，不僅造成了高額的發電量損失，也為電站運維增加了難度，反而得不償失。只有采用類似本文提到的最多2串組件并聯的組串式方案，才是安全的，無需熔絲進行保護。這種無熔絲的組串設計方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護問題，而且徹底根除了因使用熔絲帶來的安全風險和失效損失，相信會是電站更好的選擇。（中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司/馬勇）
 

參考文獻

 

 

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[5] 劉濱. 光伏電站建設及運營管理分析. Silicon Valley, 2014.