浅谈光伏技术之断路器

作者: | 发布日期: 2018 年 07 月 12 日 15:20 | 分类: 新能源知识

随着光伏DC1500V系统的脚步临近,选型问题大家也提上了议事日程。2015年8月在三峡新能源30MW光伏电站项目中得率先使用了1500V系统,并采用了包括断路器在内的所有国产产品。本文就1500V系统中容易被忽视的产品之一:断路器展开探讨。

1. 断路器

1.1 断路器的详细解释

断路器(英文名称:circuit-breaker,circuit breaker)是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。

断路器可用来分配电能,不频繁地启动异步电动机,对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前,已获得了广泛的应用。

断路器的特性主要有:额定电压Ue;额定电流In;过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围;额定短路分断电流(工业用断路器Icu;家用断路器Icn)等。

额定工作电压(Ue):这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。额定电流(In):这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值,不会超过电流承受部件规定的温度限值。短路继电器脱扣电流整定值(Im):短路脱扣继电器(瞬时或短延时)用于高故障电流值出现时,使断路器快速跳闸,其跳闸极限Im。额定短路分断能力(Icu或Icn):断路器的额定短路分断电流是断路器能够分断而不被损害的最高(预期的)电流值。标准中提供的电流值为故障电流交流分量的均方根值,计算标准值时直流暂态分量(总在最坏的情况短路下出现)假定为零。工业用断路器额定值(Icu)和家用断路器额定值(Icn)通常以kA均方根值的形式给出。

短路分断能力(Ics):断路器的额定分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种。国标《低压开关设备和控制设备低压断路器》(GB14048.2—94)对断路器额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力作了如下的解释:

断路器的额定运行短路分断能力:按规定的实验程序所规定的条件,包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力;

具体试验是:把线路的电流调整到预期的短路电流值(例如380V ,50kA),而试验按钮未合,被试断路器处于合闸位置,按下试验按钮,断路器通过50kA短路电流,断路器立即开断(open简称O),断路器应完好,且能再合闸。t为间歇时间,一般为3min,此时线路仍处于热备状态,断路器再进行一次接通(close简称C)和紧接着的开断(O),(接通试验是考核断路器在峰值电流下的电动和热稳定性)。此程序即为CO。断路器能完全分断,则其极限短路分断能力合格。

因此,可以看出,额定极限短路分断能力Icn指的是低压断路器在分断了断路器出线端最大三相短路电流后还可再正常运行并再分断这一短路电流一次,至于以后是否能正常接通及分断,断路器不予以保证;而额定运行短路分断能力Ics指的是断路器在其出线端最大三相短路电流发生时可多次正常分断。

1.2 1500V断路器应用分析

在光伏系统中断路器选型主要依据是:组件的参数、组串块数、海拔、辐照度峰值、极端低温及余量等几个主要方面,组件参数与组串块数是主要的计算依据,海拔、辐照度峰值、极端低温应当与设计余量测算一起考量。额定工作电压主要与组件参数、组串块数有直接联系,海拔与低温在考虑设计余量中考虑。额定工作电流与辐照度峰值、经验余量一同考虑。我们的选型思路以额定工作电压与额定工作电流为主线展开。

首先我们先谈系统电压,其次谈电流。我们选择已经通过UL1500V认证的国内某知名组件厂的组件作为计算参照样本,组件功率260W到275W,组件效率16.8%。需要重点说明的是组件厂的样本参数是大气 AM1.5, 辐照度1000 W/m², 温度25°C环境下参数,现场峰值数据与以上条件差异较大,这是余量设计计算的重点考虑方面。组件参数选择方面重点参照组件三个主要参数,1.最大工作电压;2.最大工作电流;3.最大开路电压。

系统电压最主要的影响是组件的排布和单串组件块数,DC1500V系统的核心价值应当是提高系统效率,有效降低直流输电、逆变成本。目前我们主流的单串组件排布采用22比较多,这个方案是目前最优成本方案。DC1500V系统并没有改变发电侧与交流侧的系统,所以DC1500V方案应保留目前的组件排布主流方案采取增加单串块数来实现更高的系统电压。基于以上原因我们推荐DC1500V系统组串排布及块数最佳方案是33,这样在不改变组件阵列的方案的基础上可以在电缆、汇流箱、逆变器这三方面取得较大的成本下降。如果我们确定了单串的组件块数,那么后面的系统电压就非常容易计算了。

光伏DC1500V系统不同功率组件系统在单串33块组件时基准电压:

上表得出的数据是否就是实际峰值?这个肯定不是,对于系统电压还有两个主要影响因素。海拔及温度,首先从海拔谈断路器的灭弧性能,电压问题对断路器的最大挑战是灭弧,电压越高难度越大。断路器参数实验环境是以2000米海拔的大气AM基准,在2000米以上空气相对稀薄,断路器的灭弧能力随海拔升高线性下降,我们为了计算方便折算成额定工作电压降容系数的方式。根据笔者多年收集的资料分析,国内大型地面电站海拔在1500米到3000米占绝大多数,故推荐海拔降容设计余量方面考虑10%,这样可以覆盖绝大多数项目海拔。

此外环境温度对组件的输出电压有很大影响,从25°到-10°之间组件输出电压是一个较陡的上升曲线,在超过-10°以后电压上升变化较小。组件的电压温度系数-0.35%/k(不同厂家略有差异),在温度系数余量方面我们推荐考虑30*0.35%=10.5%,综合海拔与温度的两个余量考量因素,推荐系统的电压设计余量为20%,以下为推荐的余量修正后的系统电压情况:

上图发现通过采用峰值数据计算系统工作电压最大值在1250V以下,采用DC1500V额定工作电压的光伏断路器可以满足系统要求。但是值得注意的是系统修正最大开路电压超过断路器的最高额定有效工作电压1.5%,虽然这只是修正得出的结果并不代表实际峰值,但海拔超过3000米后开路电压会超过断路器的最高有效工作电压,系统开路电压不应超过断路器的最高有效工作电压是我们选型的基本守则。

其次:再看一下电流的选择,电流的选择在DC1000V系统按照每串12A计算后取断路器优选值的速算办法是主流,这个方案也是大部分逆变器企业给定的整定值。在DC1500V系统计算方式没有错,但是不能再采用这个结果了。组件的效率提升是近年组件价格下降的主要原因,也就是在相同的单位面积中输出更高功率,组件面积没有增大但功率增加了,这必然会使组件电压和电流输出都提高,在260W以上光伏系统中都要逐步考虑增加断路器的额定工作电流,电流的提升与DC1500V还是DC1000V系统没有关系,这是组件输出参数提升带来的问题。

这种对光伏断路器的电流选型计算推荐用组件标称最大工作电流*150%的简单速算法,是上海圣昂电气团队人员通过从2010年开始跟踪调查结果。传统的130%的经验余量设计是临界值,非常容易出现误跳事故。

关于断路器推荐余量50%的原因有三点,1.辐照度影响:组件电流参数是辐照度1000的基准,辐照条件好的地区峰值辐照度在1200左右,这样至少消耗掉了20%设计余量,西北地区第二季度最易超发。2.设备安装环境都比较恶劣、散热差,设备内部温度都很高,这对断路器有降容的影响,现场实测发现过最高温度超过70°。3.不同厂家断路器温升控制差距很大,光伏断路器在串联后的温升不超过60K,一般要在70K以上,超过80K不合格产品也大行其道,超过80K温升的主要诱因是串联部分没有使用焊接方式,铜排螺钉安装发热过高。在2012年西北地区出现过某韩国品牌断路器产品串联温升不能满足使用大面积误跳闸事故。所以推荐1.5倍数的安全余量。

小结:光伏DC1500V系统我们推荐单串组件33块的方案,汇流箱出线及逆变器进线断路器工作电压选择DC1500V,电流最小选择225A,如采用了串联是使用螺钉安装铜排等非焊接连接的方式,电流建议再选大一档到250A。光伏断路器的选型推荐以峰值参数作为计算依据。

文章来源:古瑞瓦特 张喆

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