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大时代,连接器肩负“直流电弧”新使命
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大时代,连接器肩负“直流电弧”新使命

2020-11-26 14:39:18 来源:光伏测试网

【大比特导读】光伏组件6.0时代的来临,带来了大电压、大电流的挑战。大功率产品的放电、漏电,更容易带来组件层级的电弧故障,造成电线、组件、电路损坏,产生的直流电弧故障极易引起周边器件和材料温度迅速升高,可能引起爆炸或燃烧。一种新型连接器,通过其内置功能,从源头阻止了电弧故障引起的火灾风险。

光伏组件6.0时代的来临,带来了大电压、大电流的挑战。大功率产品的放电、漏电,更容易带来组件层级的电弧故障,造成电线、组件、电路损坏,产生的直流电弧故障极易引起周边器件和材料温度迅速升高,可能引起爆炸或燃烧。

TestPV了解到,一种新型连接器,通过其内置功能,从源头阻止了电弧故障引起的火灾风险。

连接器

图1:光伏连接器

1. 电弧故障的产生

听说过直流拉弧吗?这原本是逆变器领域常见的故障,也是由此导致的光伏电站常见故障。

光伏电站中40%的着火事故是由于直流电弧故障所引起。”一位长期从事北美电气产品标准的技术专家认为,“直流电由于无过零点,电弧不能自动熄灭,持续拉弧高温引燃周边材料,进而造成事故扩大”。

在光伏系统的长时间运行过程中,不可避免的会发生器件失效、绝缘老化、电气连接松动等问题,从而导致接触不良、绝缘材料破损、绝缘阻抗下降等现象,进而导致直流电弧故障频繁发生。

数据统计显示,目前光伏电站中40%的着火事故都是由于直流电弧故障引起的。

连接器

图2:因直流拉弧引起的光伏电站火灾事故

近年来,随着光伏行业的快速发展,光伏发电技术也在不断提升。其中一个重要方向就是直流输入电压的提升,目前行业普遍认为1500V直流输入是光伏增效降本的重要手段。而光伏组件从158.75到166,再到182、210的“大”趋势,双面发电被更广泛地认可和应用,使得直流输入的提高来得更猛烈。

直流输入功率的提高会带来发电效率提升、系统成本下降等诸多优势,但是同时也会产生或者放大一些隐患,直流电弧故障就是其中一个比较典型的安全隐患。

系统端电压、电流的提升,让逆变器端的直流电弧故障预防变得更重要;而组件端电流电压的提升,让组件输出端的直流电弧故障风险大大提升,并集中表现在从组件端到逆变器的传输过程中。

而这一传输过程中,接线盒、连接器的直流拉弧故障将成为预防和控制的重点。

2. 组件端的直流拉弧故障

从组件端输出的高电压和电流,首先冲击的就是接线盒、连接器。一直以来,接线盒起火是光伏常见故障。

美国桑迪亚国家实验室的研究员Kenny Armijo的花了十年时间了解和表征这些危险的电弧故障。研究认为,随着光伏组件发电效率、发电功率的提升,组件端将拥有更高的电流和更高的电压水平。新一代光伏大组件中大电流和大电压的出现,让直流拉弧变得更加危险,因为随着电压的升高,电弧故障的可能性会更高。

当大组件带来大电压和大电流时,除了接线盒要特别设计,连接器端的直流拉弧故障也变得更常见,最直接影响因素就是连接器端子松动、电缆故障引发的直流拉弧。

根据光伏领跑者创新论坛的组件专家反映,组件大了,连接器端的生热会增加,连接器的尺寸、电阻、抗拉扯能力都会变化,很容易导致连接器故障,发生直流拉弧的几率大大增加,原先的连接器设计可能就不能满足要求了。

桑迪亚国家实验室研究员Kenny Armijo与实验室的其他研究人员以及美国公司Guardian Sensors在了解和表征这些危险的电弧故障的工作中,采用一种自熄性的聚合物材料,让连接器可以在点燃电火花之前自动预测并防止光伏电弧故障。

3. 创新:预防连接器直流拉弧

通常连接器都容易受到腐蚀、损坏或安装不当的影响,导致可靠性问题,尤其是在电线上出现细小的裂缝或折断的情况下。当出现这种情况时,若高电流和高电压流经损坏的连接器,就可能会产生火花和毁灭性的火灾,并且连接器本身没有完全可靠的方法来防止危险。研究人员准备从这一角度填补这一领域空白。

Sandia国家实验室有一台电弧故障发生器,可以测试电弧故障的危险程度,并且可以测试不同材料在高压连接器和电线中的可靠性。

连接器

图3:Sandia国家实验室用电弧故障发生器测试电弧故障的挥发性

研究人员在连接器(长约2.5厘米,直径为1厘米)设计了一个金属弹簧,弹簧表面覆盖有一种Sandia花了5年时间研发和测试的自熄性聚合物材料。像已有的连接器一样,自熄灭机制与光伏组件以及用能装置相连接。

连接器

图4:连接器内部为包覆聚合物材料的弹簧

经过精心设计,如果连接器产生火花,那么在温度超过85°C时新的材料就会发生作用,研发的聚合物自熄性材料会在连接器内熔化,填充电线的缝隙或断,弹簧被拉长,增加电线导体之间的火花间隙,阻止热源的继续产生。应变的速度结合材料的耐火性能,让材料在火灾开始前(不到2秒)停止燃烧。

连接器

图5:新型连接器拉弧试验

连接器

图6:拉弧、自熄、熔断、电压突降

4. 创新 – 触类旁通的提示

随着户用分布式的普及,光伏电气安全成了很多地区的强制性法规要求,全球各地在设计光伏系统时均将直流电弧防护作为一个重要指标和功能。CSA工程师在第二届全球电力转换设备检测技术论坛中介绍了北美地区的明确要求:对于光伏输入电压超过80V以上的光伏系统,必须具备直流电弧检测和保护能力。

光伏系统的直流关断设计中,人们更多地是对逆变器进行安全防护。接线盒的抗直流拉弧会体现在组件的设计中。对于直接与组件相连接的光伏连接器,往往作为一个独立的部件材料进行认证,也常常因为结构简单而被厂家忽视。

Sandia国家实验室的创新可以给国内连接器厂家一个崭新的提示:如何让你的连接器做得比别人更可靠?

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