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太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2

继上篇接地标准的讨论,我衷心希望业内忽视或混淆正确接地的设计师和承包商可以意识到接地对于光伏系统安全的重要性。这篇将会对于屋顶隔离器的选择要求和标准进行解释和讨论。

首先,什么是屋顶隔离器,为什么必须要安装这个设备?澳大利亚标准AS/NZS 5033:2013中第4章第4.3.5条对于屋顶隔离器有着明确的定义和要求, 可以总结为三个方面和一个备注:电流流向不能影响隔离器工作;电流过载时隔离器需要依照标准跳开关并断路电路;隔离器需要具备同时断路所有带点导线的功能。备注:任何时候隔离器都不可以断路保护性接地导线。这三个方面都有必要进行详细解释下。

首先,“电流流向不能影响隔离器工作”,换言之就是隔离器不可以用极性(polarized)开关。那么极性开关(polarized switch)和非极性开关(non-polarized switch)有什么标注差别,以及有什么安装注意事项呢?因为我国目前还没有明确的标准禁用极性开关在光伏系统上,那么我们就在这里特别分析下这两个开关的区别。

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图一:极性断路器的连接方式

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图二:非极性断路器的连接方式

极性断路器在其内部有一个磁力作用的灭弧装置,专门针对像上一篇提到过的直流电在开路时产生的电弧,所以它强调接线方式以及电流流向。如图一所示,咋一看貌似有些困惑,其实根据它的制造原理便很容易理解。由于太阳能阵列电流流向是固定的(从组件系统流向逆变器),而标正极“+”开关电流流向恒定为从“+”向另一端流,而“-”的则是从另一端流向这端。或者更简洁的方法,组件系统的正极恒接“+”,负极恒接“-”,然后另外一端顺接即可。如果组件端接的是没有标注的一端,为了依然要保证电流流向的唯一性,此时组件正极端需要接“-”的另一端,这样电流就依然会流向“-”端。同理,组件的负极需要接“+”的另一端,而这点也是让相当多的安装人员甚至电工困惑和混淆的地方。

然而非极性的断路器是不分“+”“-”号的,只要保证正进正出,负进负出即可,如图二所示。

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图三:两端带符号的极性断路器连接方式

如果说图一的断路器是“困惑”的话,图三这种标识的断路器便是“噩梦”了。几年前我在悉尼一家太阳能安装公司实习的时候,公司里有的电工接了一端正极,然后对应着下端的正极接出来,结果直接反极性(reverse polarity)接入了逆变器,逆变器因为自身保护直接不能启动,逐步排除原因后发现接反了。其实这种双开关(double pole)的断路器就是两个单开关(single pole)并在一起的,并不是内部交叉相连。一旦明白这点,那么图三的断路器和图一的断路器接法其实是一样的,甚至图三的更简单。无论用哪头,都保证“+”接组件端正极,“-”接组件端负极,然后正进正出,负进负出即可。请注意,我这里说的“正”是指组件和逆变器的正极,和“+”无关。为了方便理解,可以跳出开关,宏观的看组件到逆变器这端的系统连接,显而易见组件的正极必须连接逆变器的正极,而隔离器只是额外加入的一个断路装置,并不允许改变线路走向和顺序。在早期逆变器并未全部配备因极性接反而导致的“短路保护” (short circuit protection) 功能是,一定量的逆变器都因为这个“困惑和混淆”而烧坏了。

第二个方面,“电流过载时隔离器需要依照标准跳开关并断路电路”。这里面包含了两个信息,首先,隔离器是为电流过载(overcurrent)设计的,而不是为电压过载(overvoltage),所以对于易遭雷击的区域或高层建筑,需要额外设计SPDs(surge protection devices)来保护逆变器,隔离器不但不具备电压过载的保护功能,而且过大的浪涌电压是可以击穿并摧毁隔离器。由于我国的住户以单元楼为主,层数基本偏高,所以对于特殊项目需要把电流过载保护和电压过载保护都考虑进去。第二个信息就是既然过高的电压是可以损坏隔离器,而光伏系统通常都是上百伏的直流电压,那么如何正确的选择隔离器的额定电压呢?

隔离器的额定电压是根据光伏系统的最大输出开路电压(open circuit voltage)来决定的。在2012版以前的5033标准介绍的方法Vmax_oc等于1.2倍的系统额定输出开路电压,但是这个方法最大的弊端就是过于笼统。众所周知,因为半导体的特性,组件的工作电压和开路电压与环境温度成反比,温度越低电压越高。用1.2这个系数来涵盖对于纬度跨度较大,不同地域温差显著的国家范围内的系统,显然是不准确也不合理的,澳大利亚是这样,中国更是这样。在每个组件的参数表中,都会有一个温度百分比系数(temperature coefficient),而依据目前的标准,Vmax_oc就需要通过这个参数来计算,计算公式为太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2。这里还有一个容易让设计师们忽略的细节,就是对于太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2的定义。有相当数量的设计师把太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2理解为是在1大气压,1.5空气质量的情况下标定为25摄氏度的“环境温度”,事实上这个参数表示的是太阳能电池的温度,这就意味着我们在取值时应参照组件温度。所以在计算太阳能阵列最小工作电压的时候,需要在最高环境温度上再加上25摄氏度的组件电池工作升温,才是太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2的正确值。相反,在计算最大开路电压时,此时组件处在断路状态没有电流,没有工作也就不会升温,所以这时的组件温度可以视为与环境等温,太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2应取即时的环境温度,不需要再额外的加上25摄氏度。其次,组件只要接收到一定的光照强度之后便可以产生电压,通常这个强度业内拟定为50W/m2, 大概是澳洲悉尼的夏天早上5点半至6点间和冬天早上7点半点左右。这个时间段不同国家和地区是不一样的,但是在当地气象局或网上气象数据库非常容易查得。环境温度的取值范围也应该在这个时间段内。

明确了最大开路电压AKA光伏系统最大输出电压的计算方法后,接下来我们来讨论隔离器的额定电压选择。毫无疑问,隔离器应该至少满足太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2,然而由于隔离器是“double pole”,那么到底是每个pole来承担太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2呢还是两个pole一起承担太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2?这两个选项导致的选择结果是截然不同的,第一个的隔离器额定电压是第二个的两倍以上,价格也高出一些。其实对于不同的系统拓扑结构对于隔离器额定电压要求也是不一样的:

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图四:无功能性接地组件配变压器隔离逆变器 (资料来源:AS/NZS 5033:2012 Appendix B)

图四展示了仅保护性接地的光伏系统匹配隔离逆变器的拓扑结构。可以看出无论是否出现接地故障,因为直流端和交流端是隔离的,同时第一故障出现也无法形成回路,所以理论上每个pole只需要承担二分之一的阵列电压,隔离器选择额定电压应大于或等于系统最大输出开路电压。如果这是一个500伏特最大输出电压的系统,那么选取市场上额定500伏或600伏的隔离器便足够了,同时基于电流过载保护的安全考虑,每个pole都规定承担整个系统的额定工作输出电流。对于需要特殊保护的系统,比如上一篇说的超过Maximum Series Fuse Rating的阵列,需要根据标准规定的取值范围来选择额定电流。

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图五:电阻功能性接地系统配变压器隔离逆变器 (资料来源:AS/NZS 5033:2012 Appendix B)

图五展示了保护性接地和电阻干涉的功能性接地同时存在的光伏系统匹配隔离逆变器的拓扑结构。无故障情况下,隔离器可以承担阵列输出的最大开路电压。如果是负极功能性接地,当负极出现接地故障时,因为都是相对于地面处于等电势,在故障处实际上是零电势差,可以考虑为相对安全的情况。然而第二故障的出现如果在正极就会短路整个系统并且逆变器无法探测到,进而可能引发严重的后果。如果第一故障出现在正极,根据澳大利亚标准对于干涉电阻阻值的要求太阳能系统接地(Earthing)标准以及屋顶隔离器(Roof Isolator)的选择标准讨论2, 这就限制了最大可以流过干涉电阻的最大接地故障电流(residual current)不超过30mA,是在安全范围以内。而故障电流通常都远大于这个值,通常至少10倍以上,所以电阻会迅速熔断并且断路功能性接地,此时系统就恢复到图四的类型。所以在这种拓扑结构下,对于图五的三种情况,隔离器选择额定电压应大于或等于系统最大输出开路电压,同时每个开关额定系统输出工作电流。

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图六:EFI功能性接地组件配变压器隔离逆变器 (资料来源:AS/NZS 5033:2012 Appendix B)

图六是隔离变逆变器EFI功能性接地的拓扑结构。EFI并不能断路功能性接地,只能够报警,然而当第二故障出现在负极上后,EFI就可能探测不到两个接地故障。因为EFI是在隔离器后端接地,正极的pole就相对于负极的pole有一个满电势差的电压“Varray”,所以这个pole需要额定组件输出最大开路电压。但是为了开关的一致性,整个隔离器选择两倍以上的系统最大电压。如果这是一个500伏特最大输出电压的系统,那么需要选取市场上额定1000伏或1200伏的隔离器.

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图七:无功能性接地配无隔离变逆变器(资料来源:AS/NZS 5033:2012 Appendix B)

无隔离逆变器不可以功能性接地。因为逆变器属于无隔离类别,所以可以视作系统本身就是一个高频切换的功能性接地拓扑结构,由于正极负极是迅速来回切换的,所以每个pole都需要额定系统最大输出开路电压。如果这是一个500伏特最大输出电压的系统,那么需要选取市场上额定1000伏或1200伏的隔离器.

至此,对于澳大利亚标准AS/NZS 5033:2013中第4章第4.3.5条对于屋顶隔离器第二个方面的讨论可以告一段落,功能性接地因为组件商对于PID,LID的忽视或压缩成本而引发的一系列问题将来在中国一定会普遍存在,我会在将来的一篇文章中对于功能性接地和具体的系统的拓扑结构再做一次详细的分析。

有了第二个方面的铺垫,第三个方面理解起来比较简单:“隔离器需要具备同时断路所有带点导线。”在上一个版本中,标准只要求隔离器断路直流端正极即可。但是当接地故障发生在图六或图七的正极时,事实上已经旁路(bypass)了正极的隔离器,所以就算是开路开关,系统依然处在带电状态。如果负极没有断路的话,这样就存在一系列的安全隐患。所以新的标准要求正极负极需要同时断路,这也就是为什么我们需要使用double pole连在一起的开关的另一个原因。

这篇文章比较复杂,我用了一个半月,写了3篇草稿反复修改完成。里面内容我相信不少读者第一次阅读会有疑问或者困惑,在此我特别留下我的工作邮箱(rodd.zhang@sicleanenergy.com.au),如果需要讨论的请电邮我联系。接地故障是一个非常危险的情况,希望所有设计师都可以有一个正确且全面的意识,设计和建造出安全且负责的光伏项目。

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