| 熔丝的保护原理是利用金属的热熔特性，这一特性决定了熔丝的熔断时间与过电流的大小呈反时限的关系，电流越大，其熔断时间越短，电流越小，其熔断时间越长。电池板的电流受天气影响，大小不可控制，当熔丝处在小电流过载时，其熔断时间将变得很长，在这种“将断未断”的情况下，熔丝将处于一个非常高温的热平衡状态。这么高的温度将破坏线缆和熔丝盒的绝缘，最终引发着火事故。 图9 熔丝发热使熔丝盒烧毁 另外，部分熔丝在熔断时会出现喷弧现象，电弧温度非常高，会使相邻的塑料元件、线缆绝缘等着火。 图10 熔丝熔断时喷弧烧毁相邻元件 3.3 熔丝并不能有效地保护组件 熔丝的工作原理是利用金属的热熔特性，那么15A的熔丝肯定要在大于15A的电流下才能够熔断，那么到底是多大的电流呢？笔者查阅相关标准，得到了如下答案：15A的熔丝，标准要求在16.95A下（1.13倍），1小时不能熔断，在21.75A下（1.45倍），1小时内熔断。 图11 标准IEC 60269-6 对熔丝的要求 组件有一个参数是“最大保险丝额定电流 15A”，那么组件的这个参数是怎么来的，代表什么意思？笔者查阅相关标准，得到了如下答案：最大保险丝额定电流15A的组件，标准要求在20.25A（1.35倍）下，2小时不能燃烧。值得一提的是，标准只是要求组件不起火，却不能保证组件不损坏，实际上组件一直在承受反向电流而发生热斑效应，性能会下降，输出功率会降低。 图12 标准IEC 61730-2 对组件的要求 从上面可以看到，熔丝的标准要求是1.45倍的电流熔断，而组件的标准要求是1.35倍的电流，那么在1.35倍到1.45倍之间就出现了一个保护空挡。在这个保护空挡内，熔丝不能够有效地保护组件，可能出现组件着火的严重事故。 从前文光伏熔丝熔体结构上可以看出，熔丝狭径非常细，对制造工艺要求很高，普通厂家很难控制好熔丝的质量。若生产的熔丝偏大，不能够在规定的电流和时间下及时熔断，更会加剧组件的损坏，带来着火风险。 笔者听闻2014年青海及内蒙电站先后出现过多块组件损坏的问题，有可能就是熔丝没能及时的熔断，使组件承受了长时间的反向电流导致。 3.4 熔丝在电站的失效率统计 笔者利用走访电站的机会，与业主多次交流熔丝失效的问题收集了一些熔丝失效数据，经过汇总整理如下： 根据熔丝失效率统计的数据，经过拟合分析，熔丝的失效率符合随工作年数逐年上升的趋势，5年以后失效率超过15%。 图13 熔丝失效率拟合曲线 光伏熔丝为什么会频繁失效，笔者认为熔丝老化致使通流能力下降是主要原因。在光伏应用中，昼夜温差大，每天一次的高低温循环会显著加速熔丝的热疲劳效应，降低熔丝的通流能力，缩短熔丝寿命。 图14 熔丝老化机理 3.5 熔丝失效造成的发电量损失 熔丝一旦失效，那么这一串的发电量肯定就要损失了，更换的时间快，发电量损失的就少一些，更换的时间慢，发电量损失的就多一些。目前，国内大型地面电站更换熔丝的平均时间在15天左右（通讯断链或没有使用智能汇流箱，一个月才能检查一轮），山地电站时间更长，有个别项目甚至半年才会检查一次，发电量损失严重。当然也有几天完成的，前提是监控稳定，能够从后台清晰看到熔丝的状态。 按照1MW子阵为单位，第五年开始因熔丝失效造成的发电量损失1.5%以上，假设电价为1元/kWh，每年将造成收益损失至少22500元。以熔丝市场价格12元每支进行计算，物料更换成本至少720元。 上面表格中的数据并没有包含人工运维成本，若电站没有使用熔丝，无需更换熔丝这一项工作，每50MW能够减少一个运维人员的话，那么可节省开支7万多元，分摊到每MW也有1500元左右。人工运维成本，加上发电量损失，熔丝物料成本，每MW因熔丝失效每年将损失至少25000多元。100MW电站25年的损失将至少5500万，这还不包括因熔丝造成的着火事故损失，实际损失将更大。 4 总结 经过以上分析，笔者得出以下几条结论： 1)熔丝方案增加了直流节点，经常出现熔丝盒、接线端子、线缆等烧毁的事故。 2)熔丝在低倍过载电流情况下，熔断慢，发热高，存在着火风险。 3)由于熔丝和组件之间存在保护空挡，熔丝并不能有效地保护组件。 4)熔丝失效率逐年升高，5年以后失效率超过15%，发电量损失1.5%以上。 5)100MW电站25年因熔丝失效造成的损失将至少5500万。 在雾霾成为人们“心肺之患”的今天，变革传统能源结构，发展太阳能等清洁能源成了人们最急迫的呼声，光伏电站建设也迎来了前所未有的投资机遇。安全是光伏电站的命脉，也是取得投资回报的根基所在，特别是在山地、屋顶等与光伏结合的项目上，安全几乎是一票否决的原则问题。 不管是集中式方案，还是集散式方案或部分组串式方案，因电站中使用大量的熔丝，埋下了安全隐患，易引发着火事故，成为光伏电站安全的“头号杀手”。使用熔丝可以降低成本，但熔丝的高失效率，不仅造成了高额的发电量损失，也为电站运维增加了难度，反而得不偿失。只有采用类似上文中提到的最多2串组件并联的组串式方案，才是安全的，无需熔丝进行保护。这种无熔丝的组串设计方案，不仅从源头解决了组件和线缆的保护问题，而且彻底根除了因使用熔丝带来的安全风险和失效损失，相信会是电站更好的选择。（马勇 中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司） 参考文献 [1] 石颉, 李烨刚, 施海宁等. 熔断器熔断体老化失效的物理分析. 低压电器, 2010. [2] 王季梅. 低压熔断器. 北京:机械工业出版社, 1979. [3] 国家能源局. 关于光伏产业监测有关情况的会议通报, 2015. [4] 吴庆云, 梁利娟. 太阳能光伏系统保护用熔断体标准分析. 低压电器, 2013. [5] 刘滨. 光伏电站建设及运营管理分析. Silicon Valley, 2014. |
