作者：馬勇系中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計院有限公司

摘要：當(dāng)前，光伏電站普遍存在熔絲故障多、維護(hù)工作量大等問題。本文就光伏熔絲的失效機理、應(yīng)用場景、保護(hù)原理與實踐等通過理論分析與現(xiàn)場考察相結(jié)合，分析了直流熔絲應(yīng)用于光伏電站的失效率、安全可靠性風(fēng)險等，供廣大從業(yè)者參考借鑒。

關(guān)鍵詞：光伏，熔斷器，熱疲勞，反灌電流，直流拉弧，運維

1 前言

筆者作為光伏從業(yè)人員，在走訪電站期間，經(jīng)常會看到運維人員奔波在子陣間去更換熔絲，也經(jīng)常會看到燒毀的熔絲盒及接線端子。那么光伏中為什么要使用熔絲？在使用中存在哪些問題？有沒有更好的解決方法？帶著這些疑問，筆者經(jīng)過大量的信息搜集，現(xiàn)場調(diào)研，掌握了光伏熔絲的一手資料，供業(yè)界同行參考。


2 熔絲概述

熔絲，也稱為保險絲、熔斷器，它是一種串聯(lián)在電路中，保障電路安全運行的元件，廣泛用于配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行過電流保護(hù)。熔絲的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其工作原理都是利用金屬的熱熔特性。
2.1 熔絲的發(fā)展歷史

熔絲的使用歷史超過了100多年，最早的記載出現(xiàn)在1864年，當(dāng)時熔絲被用來保護(hù)海底電纜。光伏熔絲是隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)，其國標(biāo)GB/T13539.6在2013年發(fā)布，是一個相對比較新鮮的事物。其標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計還處于不斷優(yōu)化的過程中，并不成熟，實際應(yīng)用中質(zhì)量難免出現(xiàn)問題。

光伏熔絲的設(shè)計難點在于體積?。?0x38mm），直流高壓滅弧難。前兩年，國內(nèi)很多企業(yè)都認(rèn)為在這么小的體積上做到1000Vdc是不可能完成的事情，這也從側(cè)面反映了光伏熔絲的設(shè)計和制造難度。

2.2 熔絲在光伏中的應(yīng)用

光伏中為什么要使用熔絲，熔絲在光伏中起到什么作用？

在光伏電站用，不采用斷路器，采用熔絲，最主要的原因是降成本。直流斷路器貴，價格是熔絲的5倍。因此集中式電站、部分組串式解決方案和目前剛推出的集散式方案，都不約而同的采用了大量熔絲。

以典型的集中式電站為例，在當(dāng)前的集中式電站中，并聯(lián)的組串?dāng)?shù)量高達(dá)100串，當(dāng)有一串發(fā)生短路故障，所有組串的電流均會反灌故障組串，反灌電流可能超過800A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了線纜和組件的安全要求，易引發(fā)火災(zāi)事故，所以必須使用熔絲來切斷故障電流，保護(hù)線纜和組件。

相比集中式、集散式方案，當(dāng)前部分廠家的組串式電站方案是沒有使用熔絲的，他們是如何進(jìn)行保護(hù)的呢？

該組串式方案最多2串組件并聯(lián)，即使有一串發(fā)生短路故障，反灌電流最大也不會超過10A，所以是安全的，無需熔絲進(jìn)行保護(hù)。

3 熔絲在光伏應(yīng)用中存在的問題

筆者走訪了大量電站，發(fā)現(xiàn)熔絲在每個電站都存在一些問題，本文主要從熔絲的安全風(fēng)險和熔絲失效造成的損失等方面進(jìn)行分析。

3.1 熔絲增加了直流節(jié)點，埋下安全隱患

集中式1MW需要使用熔絲400個，每個熔絲與熔絲盒夾片之間有2個接觸點，每個熔絲盒與接線有2個接觸點。所以每個熔絲將有4個接觸點，集中式因使用了熔絲就有1600個直流節(jié)點。熔絲盒對線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場實際不容易做到，經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，引起燒毀或者直流拉弧，是匯流箱著火的主要原因。
3.2 熔絲在低倍過載時，熔斷慢，發(fā)熱高，存在著火風(fēng)險

熔絲的保護(hù)原理是利用金屬的熱熔特性，這一特性決定了熔絲的熔斷時間與過電流的大小呈反時限的關(guān)系，電流越大，其熔斷時間越短，電流越小，其熔斷時間越長。電池板的電流受天氣影響，大小不可控制，當(dāng)熔絲處在小電流過載時，其熔斷時間將變得很長，在這種“將斷未斷”的情況下，熔絲將處于一個非常高溫的熱平衡狀態(tài)。這么高的溫度將破壞線纜和熔絲盒的絕緣，最終引發(fā)著火事故。
另外，部分熔絲在熔斷時會出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，電弧溫度非常高，會使相鄰的塑料元件、線纜絕緣等著火。
3.3 熔絲并不能有效地保護(hù)組件

熔絲的工作原理是利用金屬的熱熔特性，那么15A的熔絲肯定要在大于15A的電流下才能夠熔斷，那么到底是多大的電流呢？筆者查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到了如下答案：15A的熔絲，標(biāo)準(zhǔn)要求在16.95A下（1.13倍），1小時不能熔斷，在21.75A下（1.45倍），1小時內(nèi)熔斷。

組件有一個參數(shù)是“最大保險絲額定電流 15A”，那么組件的這個參數(shù)是怎么來的，代表什么意思？筆者查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到了如下答案：最大保險絲額定電流15A的組件，標(biāo)準(zhǔn)要求在20.25A（1.35倍）下，2小時不能燃燒。值得一提的是，標(biāo)準(zhǔn)只是要求組件不起火，卻不能保證組件不損壞，實際上組件一直在承受反向電流而發(fā)生熱斑效應(yīng)，性能會下降，輸出功率會降低。
從上面可以看到，熔絲的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.45倍的電流熔斷，而組件的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.35倍的電流，那么在1.35倍到1.45倍之間就出現(xiàn)了一個保護(hù)空擋。在這個保護(hù)空擋內(nèi)，熔絲不能夠有效地保護(hù)組件，可能出現(xiàn)組件著火的嚴(yán)重事故。

從前文光伏熔絲熔體結(jié)構(gòu)上可以看出，熔絲狹徑非常細(xì)，對制造工藝要求很高，普通廠家很難控制好熔絲的質(zhì)量。若生產(chǎn)的熔絲偏大，不能夠在規(guī)定的電流和時間下及時熔斷，更會加劇組件的損壞，帶來著火風(fēng)險。

筆者聽聞2014年青海及內(nèi)蒙電站先后出現(xiàn)過多塊組件損壞的問題，有可能就是熔絲沒能及時的熔斷，使組件承受了長時間的反向電流導(dǎo)致。

3.4 熔絲在電站的失效率統(tǒng)計

筆者利用走訪電站的機會，與業(yè)主多次交流熔絲失效的問題收集了一些熔絲失效數(shù)據(jù)，經(jīng)過匯總整理如下：
根據(jù)熔絲失效率統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，經(jīng)過擬合分析，熔絲的失效率符合隨工作年數(shù)逐年上升的趨勢，5年以后失效率超過15%。
光伏熔絲為什么會頻繁失效，筆者認(rèn)為熔絲老化致使通流能力下降是主要原因。在光伏應(yīng)用中，晝夜溫差大，每天一次的高低溫循環(huán)會顯著加速熔絲的熱疲勞效應(yīng)，降低熔絲的通流能力，縮短熔絲壽命。

3.5 熔絲失效造成的發(fā)電量損失

熔絲一旦失效，那么這一串的發(fā)電量肯定就要損失了，更換的時間快，發(fā)電量損失的就少一些，更換的時間慢，發(fā)電量損失的就多一些。目前，國內(nèi)大型地面電站更換熔絲的平均時間在15天左右（通訊斷鏈或沒有使用智能匯流箱，一個月才能檢查一輪），山地電站時間更長，有個別項目甚至半年才會檢查一次，發(fā)電量損失嚴(yán)重。當(dāng)然也有幾天完成的，前提是監(jiān)控穩(wěn)定，能夠從后臺清晰看到熔絲的狀態(tài)。

按照1MW子陣為單位，第五年開始因熔絲失效造成的發(fā)電量損失1.5%以上，假設(shè)電價為1元/kWh，每年將造成收益損失至少22500元。以熔絲市場價格12元每支進(jìn)行計算，物料更換成本至少720元。
上面表格中的數(shù)據(jù)并沒有包含人工運維成本，若電站沒有使用熔絲，無需更換熔絲這一項工作，每50MW能夠減少一個運維人員的話，那么可節(jié)省開支7萬多元，分?jǐn)偟矫縈W也有1500元左右。人工運維成本，加上發(fā)電量損失，熔絲物料成本，每MW因熔絲失效每年將損失至少25000多元。100MW電站25年的損失將至少5500萬，這還不包括因熔絲造成的著火事故損失，實際損失將更大。

4 總結(jié)

經(jīng)過以上分析，筆者得出以下幾條結(jié)論：

1) 熔絲方案增加了直流節(jié)點，經(jīng)常出現(xiàn)熔絲盒、接線端子、線纜等燒毀的事故。

2) 熔絲在低倍過載電流情況下，熔斷慢，發(fā)熱高，存在著火風(fēng)險。

3) 由于熔絲和組件之間存在保護(hù)空擋，熔絲并不能有效地保護(hù)組件。

4) 熔絲失效率逐年升高，5年以后失效率超過15%，發(fā)電量損失1.5%以上。

5) 100MW電站25年因熔絲失效造成的損失將至少5500萬。

在霧霾成為人們“心肺之患”的今天，變革傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展太陽能等清潔能源成了人們最急迫的呼聲，光伏電站建設(shè)也迎來了前所未有的投資機遇。安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報的根基所在，特別是在山地、屋頂?shù)扰c光伏結(jié)合的項目上，安全幾乎是一票否決的原則問題。

不管是集中式方案，還是集散式方案或部分組串式方案，因電站中使用大量的熔絲，埋下了安全隱患，易引發(fā)著火事故，成為光伏電站安全的“頭號殺手”。使用熔絲可以降低成本，但熔絲的高失效率，不僅造成了高額的發(fā)電量損失，也為電站運維增加了難度，反而得不償失。只有采用類似上文中提到的最多2串組件并聯(lián)的組串式方案，才是安全的，無需熔絲進(jìn)行保護(hù)。這種無熔絲的組串設(shè)計方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護(hù)問題，而且徹底根除了因使用熔絲帶來的安全風(fēng)險和失效損失，相信會是電站更好的選擇。

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