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简谈光伏系统拉弧电流

时间:2017-09-29 17:15来源:软文街 作者:


  统计可靠数据显示因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首,大约有30%的火灾是由住宅电气线路老化或配置不合理造成的,并正以平均每年1%的速度持续上升。

  在电气火灾中,电气短路引起的火灾事故又占一半以上。电气短路形式有2种:

  导体间直接接触,如相与相之间、相与N 线之间短路,短路点往往被高温熔焊的金属短路,称为金属性短路。如图一中的老式线路碰线短路。

  

 

  大短路电流能使断路器瞬时动作切断电源,火灾往往得以避免.

  带电导体对地短路,是以电弧为通路的电弧性短路(故障电弧)。因短路电流受阻抗影响,电弧长时间延续,而2-10A的电弧电流就可以产生局部温度高达2000~4000℃,0.5A的电弧就足以引起火灾。如图二起弧的效果图。

  

 

  由于对地故障引起的短路电流较小,不足以使一般断路器动作跳闸切断电源。所以故障电弧引起火灾危险远大于金属性短路。

  如图三为典型电弧故障波形

  

 

  当负载发生电弧故障时,电弧两端的电弧电压可视为恒定电压,其电弧电压约为10-40V,相应地负载两端的负载电压有所下降。如果负载保持不变,通过负载的电流随电压降低而减小。同时,电流的波形将显示为“肩膀”状。当负载两端的瞬时电压小于电弧电压时,电流不能在负载中流动。1曲线表征拉弧电流波形,2曲线表征拉弧电压波形。如图四所示,波形过零时的正弦电流信号失真是存在电弧的主要特征。

  

 

  随着光伏技术的成熟和制造商扩大到新的市场,越来越多的户用小住宅以及商用光伏系统出现在生活当中。光伏系统也会发生有害的触电或火灾相关的灾难性事件,这些事件是由电弧引起的。可能发生在高压DC线路上,线路或电连接器故障。这些弧可以使电气设备带电,有潜在的触电风险。电弧还可能引起火灾,损坏电气设备或造成广泛的财产损失。

  图五光伏电弧故障类型

  

 

  在传统的太阳能电池阵列中,多个面板串联在一起,以一种称为中心或组串拓扑的方式连接到一个集中的DC到AC逆变器(见图六),多个面板串联成一个长串,每个逆变器通常系统携带200-600 V的电压。在每个逆变器与其连接的电路板之间需要进行电弧检测。

  

 

  微型逆变器提供了另一种拓扑结构,其中每个光伏面板都有自己的逆变器(见图七)。微逆变器比组串的拓扑提供更大的灵活性,它们的模块化简化了安装。当安装需要扩展时,它们也易于伸缩。另外,每个微逆变器的直流电压低于80 V,直接交流电压输出,电压处在安全规范之内。不需要进行电弧检测。

  

 

  虽然微逆变器越来越受欢迎,但现实是传统的太阳能安装方式仍然占据着99%的市场份额。微逆变器目前的装机成本更高。

  那么,在光伏系统中,是如何去处理拉弧的呢?一方面IEC 62606(2013)标准内提到用AFDD(电弧故障检测装置)去对产生电弧的系统进行保护。另一方面表一是2011-2014 NEC的填摘要。

  

 

  在2014 NEC中相比2011 NEC包含了一个重大变化,增加了第690.12条,适用于光伏(PV)系统的要求。NEC 2014第690.12条解决了适用于商业和住宅建筑的PV源电路的快速关机要求。针对光伏的拉弧故障专门提出了名为:Rapid Shutdown Systems(快速关机系统RSS)的检测系统。根据NEC 690.12(2014)的要求,UL 1699B 也标准化了关于RSS 的认证要求。

  IEC 690.12条要求的RSS,由第一反应者/消防人员使用,在启动后10秒内将所有PV源电路释放到建筑物上或建筑物内。关机后,所得到的受控导体在任何两个导体和接地之间不得有超过30V或240VA。建筑物内的带电导体长度将限制在1.5米(5英尺)以内,建筑物外部的光伏阵列不超过3米(10英尺)。

  目前市场上的RSS模型具体如下:

  

 

  另外,除了将RSS安装在逆变器的后端之外,有部分厂家也提出安装在光伏组件后端的方案,如下图。

  

 

  以上内容只针对光伏系统拉弧漏电的粗略谈论,如有不妥之处欢迎留言讨论指正。

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(责任编辑:商广辉)
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