光伏发电系统中的低压电器

2015-03-22卜浩民

现代建筑电气 2015年3期

关键词：低压电器限流断路器

卜浩民

(上海良信电器股份有限公司, 上海 200137)

光伏发电系统中的低压电器

卜浩民

(上海良信电器股份有限公司, 上海 200137)

介绍了光伏发电系统对低压电器的特殊要求,分析了低压电器为适应光伏系统要求应采取的技术措施,阐述了用于系统各级、有代表性的几类断路器产品的技术解决方案,以便能更好地促进光伏发电产业的发展。

光伏系统; 低压电器; 可靠性; 断路器

0 引言

我国一次能源对化石能源的过分依赖,造成能源结构的极度不合理。大气污染、环境恶化不仅严重影响经济的可持续发展,更危及到人们的健康和生存。发展清洁能源、调整能源结构,是我国今后长期的发展国策。太阳能、风能是世界各国关注的新能源,近年来得到快速发展。

我国的光伏发电产业经过前些年的快速发展和近年的增速放缓,又将步入高速发展期。统计表明,按全国1/10的屋顶及1/15的立面利用来计算,可开发的光伏容量达1 000 GW。《新能源产业振兴和发展规划》将2020年我国光伏发电装机容量目标设定为20 GW;预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,将极大改善我国能源结构现状。

1 光伏系统对低压电器的要求

1.1 光伏系统所需的低压电器

光伏发电系统由光伏板阵列、光伏汇流箱、直流配电屏(柜)、逆变器、交流配电屏(柜)、变压器等子系统组成。这些子系统的运转、保护都离不开低压电器:光伏板阵列需要PLC程序控制器、可逆接触器、电动机控制器的控制;光伏汇流箱、直流配电屏和逆变器都需要直流型隔离开关、直流型塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)、直流型小型断路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)的汇集、传输和保护,还需要直流型电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)提供抗雷击电涌的保护;由交流万能式断路器(Air Circuit Breaker,ACB)、MCCB、MCB、接触器和SPD构成的交流配电屏,将逆变后的交流电输往变压器、进而输向电网。光伏系统所需低压电器如图1所示。

1.2 光伏发电系统对低压电器的要求

沙漠、高原地区的光照丰富,是大型光伏电站的首选地,沿海地区也是光伏发电选择地。光伏系统设备应能适应在这些地区环境条件下的正常运行。需满足的条件和运行要求如下:

(1) 高海拔。高海拔地区气压低,介质绝缘能力下降,热辐射能力下降,散热条件恶化。

(2) 高防护。在沙漠、沿海或湿热地区运行,要求具备较高的防护等级,有的柜体要求达到IP65、IP66。

(3) 高电压。串接的光伏板数量逐渐增加,使额定工作电压增高,达DC 500～1 000 V,甚至DC 1 200 V;在较高的工作电压下运行的电器,需要承受更高的冲击电压。

图1 光伏系统所需低压电器

(4) 大温差。内陆高原温度变化大,传统电器的温差为-5～40 ℃,远不能满足环境温度变化要求。按UL 489B要求,运行温度须达到-25～55 ℃,储存温度须达到-40～70 ℃。

(5) 高寿命。光伏产品设计使用寿命一般都在10～20年,因此提高相应电器元件的工作寿命十分必要。

(6) 高可靠。光伏电站或维护相对困难,为减少维护成本,提高设备可靠性至关重要。系统设备可靠性的关键是所用电器的可靠性。

(7) 对直流感性负载的保护。从光伏汇流箱到配电柜的距离一般为100～200 m,有的甚至超过300 m,电缆电感增大。线路越长,电感越大,时间常数越大,导致燃弧时间越长,触头电气寿命下降,甚至持续的燃弧会导致整个断路器烧毁。分断直流高电压感性负载及应对直流电弧和反向过电压,是对断路器的一大挑战。

2 低压电器应对光伏系统的需求

2.1 传统低压电器的使用条件

(1) 环境温度。温度为-5～40℃。

(2) 海拔。海拔一般不超过2 000 m。

(3) 湿度。最高温度为40 ℃时,空气相对湿度不超过50%,在较低温度下允许有较高的湿度。

(4) 污染等级。按电器所处环境条件分1、2、3、4等级。

(5) 工作电压。虽然低压的范围是交流1 000 V及以下,直流1 500 V及以下,但目前生产的低压电器一般用于交流220(230)、380(400)、660(690)V及直流110、220、440 V。

(6) 冲击、振动。要求使用于少有冲击、振动的场合。

传统低压电器的适用条件显然不能满足光伏系统的要求。

2.2 低压电器的应对措施

(1) 高海拔。需要采用高绝缘等级材料提高绝缘强度;优化结构设计,以增大电气间隙和爬电距离。需要改善温升:优化载流材料,优化焊接设备和焊接工艺,以减小回路阻抗,减少发热。

(2) 高防护。提高配合尺寸精度,或增加外部防护罩,以提高防护等级。

(3) 高电压。提高绝缘材料等级、加大电气间隙、爬电距离,以提高绝缘电压。增加断点、加大开距,以提高耐压。采用产气吹弧、压力密封等措施应对电压提高带来的电弧能量增大,提高灭弧能力。

(4) 耐低温。选用耐低温材料,运动机构采用宽温润滑脂,保证机构运动耐低温性。选用高级别(如军标级)电子器件,保证电子模块宽温段可靠性。

(5) 高寿命。选用高耐弧能力的触头材料,提高触头抗(电弧)磨损能力。设计更有效的引弧、灭弧结构,减少电弧在触头表面的滞留时间,缩短燃弧时间。设计优化的载流导电路径,提高限流能力。

(6) 高可靠。引入可靠性工程,从材料选用、冗余设计到工艺控制,严格把关。优化生产加工、检测设备,逐步实现制造过程的自动化、智能化水平,提高产品一致性、可靠性。

(7) 适应直流感性负载。设计直流专用型触头及灭弧装置和具有限流功能的载流结构。

3 解决方案

3.1 系列配套性

针对太阳能光伏发电的特殊要求,开发了从交流到直流,具有多种分断能力，用于宽环温、耐湿热、适应高海拔等性能的多款光伏系统专用低压电器。从ACB、MCCB到MCB,形成完整解决方案的产品系列,覆盖光伏系统中光伏板阵列、汇流箱、直流屏、逆变器、交流屏,直至并网前的各段控制与保护。

3.2 典型产品及技术

3.2.1 NDB6Z-PV系列MCCB

(1) 采用双触头、双灭弧室结构,提高分断和耐压能力。

(2) 采用合闸门槛技术实现触头的储能速动,提高了电寿命。

(3) 电动力限流的导电路径设计提高了限流能力,有利于与上级断路器组成选择性保护的级联配合。

这些技术的应用,使NDB6Z-PV能在DC 1 000 V下分断能力达5 kA。NDB6Z-PV MCB外形如图2所示。

图2 NDB6Z-PV MCB外形

3.2.2 NDM5Z系列MCCB

(1) 采用旋转型双触头结构,能大幅提高分断能力,有极强的限流能力。

(2) 各相封闭独立模块结构提高相间绝缘水平,杜绝相间短路的可能。

(3) 能量脱扣技术的应用有利于系统的选择性配合。

(4) 热磁脱扣全可调技术,方便用户按实际需要整定,保护更可靠。

(5) 热磁故障识别及显示技术,有利于故障分析及排除,使系统运行更高效。

(6) 功能件全模块化结构,提高生产和运行效率,提高可靠性。

(7) 解决了触头防跌落功能,防止因强限流能力的旋转双触头被尚未来得及动作的机构拉回而重合闸。

(8) 解决了使脱扣装置可靠再扣的小跳功能,减小断路器的再扣操作力;并能解决断路器实现再扣的检测,防止因未真正再扣而合闸误操作。

这些技术的应用,使NDM5Z系列MCCB实现了热磁式瞬动、延时脱扣均可调,故障状态(短路、过载)可显示,电寿命最高达15 000次,在AC 400、DC 1 000、DC 1 200 V时分断能力分别达到150、85、40 kA,且Ics=Icu。NDM5Z MCCB外形如图3所示。

图3 NDM5Z MCCB外形

3.2.3 NDW3系列ACB

(1) 采用产气吹弧和压力密封定向吹弧触头技术,有效提高了断路器的分断能力。

(2) 操作机构支撑机构的改进,有效提高了动作可靠性和机械寿命。

(3) 控制器检测和执行机构的改进,使故障脱扣时间缩短为11 ms。

(4) 自吸式双绕组欠电压脱扣,既提高可靠性,又使能耗降低了80%。

(5) 改进的手柄结构,带来操作的韧性、舒适的手感和寿命的提高。

这些技术的应用,使NDW3系列ACB在AC 400、690、1 000 V下的分断能力分别达到100、80、50 kA,且Icw=Ics=Icu,机械寿命为15 000次,电气寿命为6 000次。NDW3 ACB外形如图4所示。

图4 NDW3 ACB外形

4 验证和应用

为验证产品对海拔的适应性,在昆明高原电器试验所进行了模拟海拔4 000 m条件下的多项试验,如4 000 m、-40 ℃条件下的动作(保护)特性、温升、湿热、工频耐压、冲击耐压、剩余电流等。

5 结语

结合我国能源结构现状,说明了光伏发展的态势。结合光伏发电系统的组成,说明了对低压电器各类交直流产品的需求。结合光伏系统所处环境和运行条件,提出了对低压电器的特殊要求。低压电器产品已被广泛应用于太阳能发电机组逆变系统、汇流箱以及配电系统等,形成了太阳能光伏发电、风力发电等可再生能源发电系统保护电器技术和完整解决方案。

[1] 陆俭国,王景芹.低压保护电器可靠性理论及其应用[M].北京：机械工业出版社,2004.

[2] 张志强,马琴,程大章.太阳能光伏发电系统中的控制技术研究[J].低压电器,2008(12):55-59.

[3] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

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Low Voltage Apparatus in Photovoltaic Power Generation System

BU Haomin

(Shanghai Liangxin Electrical Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

This paper introduced the special requirements of photovoltaic power generation system for low voltage apparatus.The technical measures for meeting the requirements of photovoltaic system were analyzed.The technical solutions of representative several types of circuit breakers used in the each level of the photovoltaic power generation system were expounded,which can better promote the development of photovoltaic industry.

photovoltaic power generation system; low voltage apparatus; reliability; circuit breaker