隨著光伏DC1500V系統(tǒng)的腳步臨近，選型問題大家也提上了議事日程。2015年8月在三峽新能源30MW光伏電站項目中得率先使用了1500V系統(tǒng)，并采用了包括斷路器在內(nèi)的所有國產(chǎn)產(chǎn)品。本文就1500V系統(tǒng)中容易被忽視的產(chǎn)品之一：斷路器展開探討。

1. 斷路器

1.1 斷路器的詳細解釋

斷路器(英文名稱：circuit-breaker，circuit breaker)是指能夠關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并能關(guān)合、在規(guī)定的時間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件下的電流的開關(guān)裝置。斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器與低壓斷路器，高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱為高壓電器。

斷路器可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當它們發(fā)生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當于熔斷器式開關(guān)與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件。目前，已獲得了廣泛的應用。

斷路器的特性主要有：額定電壓Ue;額定電流In;過載保護(Ir或Irth)和短路保護(Im)的脫扣電流整定范圍;額定短路分斷電流(工業(yè)用斷路器Icu;家用斷路器Icn)等。

額定工作電壓(Ue)：這是斷路器在正常(不間斷的)的情況下工作的電壓。額定電流(In)：這是配有專門的過電流脫扣繼電器的斷路器在制造廠家規(guī)定的環(huán)境溫度下所能無限承受的最大電流值，不會超過電流承受部件規(guī)定的溫度限值。短路繼電器脫扣電流整定值(Im)：短路脫扣繼電器(瞬時或短延時)用于高故障電流值出現(xiàn)時，使斷路器快速跳閘，其跳閘極限Im。額定短路分斷能力(Icu或Icn)：斷路器的額定短路分斷電流是斷路器能夠分斷而不被損害的最高(預期的)電流值。標準中提供的電流值為故障電流交流分量的均方根值，計算標準值時直流暫態(tài)分量(總在最壞的情況短路下出現(xiàn))假定為零。工業(yè)用斷路器額定值(Icu)和家用斷路器額定值(Icn)通常以kA均方根值的形式給出。

短路分斷能力(Ics)：斷路器的額定分斷能力分為額定極限短路分斷能力和額定運行短路分斷能力兩種。國標《低壓開關(guān)設備和控制設備低壓斷路器》(GB14048.2—94)對斷路器額定極限短路分斷能力和額定運行短路分斷能力作了如下的解釋：

斷路器的額定運行短路分斷能力：按規(guī)定的實驗程序所規(guī)定的條件，包括斷路器繼續(xù)承載其額定電流能力的分斷能力;

具體試驗是：把線路的電流調(diào)整到預期的短路電流值(例如380V ，50kA)，而試驗按鈕未合，被試斷路器處于合閘位置，按下試驗按鈕，斷路器通過50kA短路電流，斷路器立即開斷(open簡稱O)，斷路器應完好，且能再合閘。t為間歇時間，一般為3min，此時線路仍處于熱備狀態(tài)，斷路器再進行一次接通(close簡稱C)和緊接著的開斷(O)，(接通試驗是考核斷路器在峰值電流下的電動和熱穩(wěn)定性)。此程序即為CO。斷路器能完全分斷，則其極限短路分斷能力合格。

因此，可以看出，額定極限短路分斷能力Icn指的是低壓斷路器在分斷了斷路器出線端最大三相短路電流后還可再正常運行并再分斷這一短路電流一次，至于以后是否能正常接通及分斷，斷路器不予以保證;而額定運行短路分斷能力Ics指的是斷路器在其出線端最大三相短路電流發(fā)生時可多次正常分斷。

1.2 1500V斷路器應用分析

在光伏系統(tǒng)中斷路器選型主要依據(jù)是：組件的參數(shù)、組串塊數(shù)、海拔、輻照度峰值、極端低溫及余量等幾個主要方面，組件參數(shù)與組串塊數(shù)是主要的計算依據(jù)，海拔、輻照度峰值、極端低溫應當與設計余量測算一起考量。額定工作電壓主要與組件參數(shù)、組串塊數(shù)有直接聯(lián)系，海拔與低溫在考慮設計余量中考慮。額定工作電流與輻照度峰值、經(jīng)驗余量一同考慮。我們的選型思路以額定工作電壓與額定工作電流為主線展開。

首先我們先談系統(tǒng)電壓，其次談電流。我們選擇已經(jīng)通過UL1500V認證的國內(nèi)某知名組件廠的組件作為計算參照樣本，組件功率260W到275W，組件效率16.8%。需要重點說明的是組件廠的樣本參數(shù)是大氣 AM1.5, 輻照度1000 W/m2, 溫度25°C環(huán)境下參數(shù)，現(xiàn)場峰值數(shù)據(jù)與以上條件差異較大，這是余量設計計算的重點考慮方面。組件參數(shù)選擇方面重點參照組件三個主要參數(shù)，1.最大工作電壓;2.最大工作電流;3.最大開路電壓。

系統(tǒng)電壓最主要的影響是組件的排布和單串組件塊數(shù)，DC1500V系統(tǒng)的核心價值應當是提高系統(tǒng)效率，有效降低直流輸電、逆變成本。目前我們主流的單串組件排布采用22比較多，這個方案是目前最優(yōu)成本方案。DC1500V系統(tǒng)并沒有改變發(fā)電側(cè)與交流側(cè)的系統(tǒng)，所以DC1500V方案應保留目前的組件排布主流方案采取增加單串塊數(shù)來實現(xiàn)更高的系統(tǒng)電壓?；谝陨显蛭覀兺扑]DC1500V系統(tǒng)組串排布及塊數(shù)最佳方案是33，這樣在不改變組件陣列的方案的基礎(chǔ)上可以在電纜、匯流箱、逆變器這三方面取得較大的成本下降。如果我們確定了單串的組件塊數(shù)，那么后面的系統(tǒng)電壓就非常容易計算了。

光伏DC1500V系統(tǒng)不同功率組件系統(tǒng)在單串33塊組件時基準電壓：

上表得出的數(shù)據(jù)是否就是實際峰值?這個肯定不是，對于系統(tǒng)電壓還有兩個主要影響因素。海拔及溫度，首先從海拔談斷路器的滅弧性能，電壓問題對斷路器的最大挑戰(zhàn)是滅弧，電壓越高難度越大。斷路器參數(shù)實驗環(huán)境是以2000米海拔的大氣AM基準，在2000米以上空氣相對稀薄，斷路器的滅弧能力隨海拔升高線性下降，我們?yōu)榱擞嬎惴奖阏鬯愠深~定工作電壓降容系數(shù)的方式。根據(jù)筆者多年收集的資料分析，國內(nèi)大型地面電站海拔在1500米到3000米占絕大多數(shù)，故推薦海拔降容設計余量方面考慮10%，這樣可以覆蓋絕大多數(shù)項目海拔。

此外環(huán)境溫度對組件的輸出電壓有很大影響，從25°到-10°之間組件輸出電壓是一個較陡的上升曲線，在超過-10°以后電壓上升變化較小。組件的電壓溫度系數(shù)-0.35%/k(不同廠家略有差異)，在溫度系數(shù)余量方面我們推薦考慮30*0.35%=10.5%，綜合海拔與溫度的兩個余量考量因素，推薦系統(tǒng)的電壓設計余量為20%，以下為推薦的余量修正后的系統(tǒng)電壓情況：

上圖發(fā)現(xiàn)通過采用峰值數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)工作電壓最大值在1250V以下，采用DC1500V額定工作電壓的光伏斷路器可以滿足系統(tǒng)要求。但是值得注意的是系統(tǒng)修正最大開路電壓超過斷路器的最高額定有效工作電壓1.5%，雖然這只是修正得出的結(jié)果并不代表實際峰值，但海拔超過3000米后開路電壓會超過斷路器的最高有效工作電壓，系統(tǒng)開路電壓不應超過斷路器的最高有效工作電壓是我們選型的基本守則。

其次：再看一下電流的選擇，電流的選擇在DC1000V系統(tǒng)按照每串12A計算后取斷路器優(yōu)選值的速算辦法是主流，這個方案也是大部分逆變器企業(yè)給定的整定值。在DC1500V系統(tǒng)計算方式?jīng)]有錯，但是不能再采用這個結(jié)果了。組件的效率提升是近年組件價格下降的主要原因，也就是在相同的單位面積中輸出更高功率，組件面積沒有增大但功率增加了，這必然會使組件電壓和電流輸出都提高，在260W以上光伏系統(tǒng)中都要逐步考慮增加斷路器的額定工作電流，電流的提升與DC1500V還是DC1000V系統(tǒng)沒有關(guān)系，這是組件輸出參數(shù)提升帶來的問題。

這種對光伏斷路器的電流選型計算推薦用組件標稱最大工作電流*150%的簡單速算法，是上海圣昂電氣團隊人員通過從2010年開始跟蹤調(diào)查結(jié)果。傳統(tǒng)的130%的經(jīng)驗余量設計是臨界值，非常容易出現(xiàn)誤跳事故。

關(guān)于斷路器推薦余量50%的原因有三點，1.輻照度影響：組件電流參數(shù)是輻照度1000的基準，輻照條件好的地區(qū)峰值輻照度在1200左右，這樣至少消耗掉了20%設計余量，西北地區(qū)第二季度最易超發(fā)。2.設備安裝環(huán)境都比較惡劣、散熱差，設備內(nèi)部溫度都很高，這對斷路器有降容的影響，現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)過最高溫度超過70°。3.不同廠家斷路器溫升控制差距很大，光伏斷路器在串聯(lián)后的溫升不超過60K，一般要在70K以上，超過80K不合格產(chǎn)品也大行其道，超過80K溫升的主要誘因是串聯(lián)部分沒有使用焊接方式，銅排螺釘安裝發(fā)熱過高。在2012年西北地區(qū)出現(xiàn)過某韓國品牌斷路器產(chǎn)品串聯(lián)溫升不能滿足使用大面積誤跳閘事故。所以推薦1.5倍數(shù)的安全余量。

小結(jié)：光伏DC1500V系統(tǒng)我們推薦單串組件33塊的方案，匯流箱出線及逆變器進線斷路器工作電壓選擇DC1500V,電流最小選擇225A，如采用了串聯(lián)是使用螺釘安裝銅排等非焊接連接的方式,電流建議再選大一檔到250A。光伏斷路器的選型推薦以峰值參數(shù)作為計算依據(jù)。

文章來源：古瑞瓦特 張喆