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一文读懂熔断器、断路器、隔离开关三种保护器件的异同点

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  • 发布时间:2022-09-19
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  碳中和大势下,光伏产业快速发展,随着大功率组件广泛应用、光伏系统设计复杂化、应用场景多样化等趋势,电站安全问题日益突出。其中直流侧配电保护一直是行业痛点,追本溯源是对光伏系统中常用的熔断器、断路器、隔离开关等三种配电保护器件理解有误。

  由于三者名字听起来十分类似,似乎都有隔离、短路的作用,因此,经常被行业混淆、误解,实际上是不同类型的器件。无论是从作用原理、标准要求,还是从应用场景、保护效果,都存在很大差异!配电保护系统需充分理解系统应用场景保护需求,根据器件特性合理部署,每一种器件发挥适当的功能,让电站更加安全可靠。

  熔断器:一种过电流保护器件,由熔体、熔管等构成,当电流超过一定数值时,达到规定的时间,由熔体自身产生的热量熔断熔体,断开电路,从而起到保护的作用。

  断路器:能接通、承载以及分断电流的一种机械开关电器。由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器等构成,发生故障时可切断故障电路进行保护。短路时,大电流产生的磁场克服反力弹簧,脱扣器拉动操作机构,开关瞬时跳闸;过载时,电流变大发热量加剧,双金属片变形到一定程度推动机构动作,使开关跳闸。电流越大,动作时间越短。

  断路器灭弧能力强,可分断大短路电流,并可多次保护,整体保护特性不受时间、环境影响变化。

  隔离开关:主要起到隔离作用,使被检修电气设备与电源有明显断开点,保证检修工作安全。以往组串逆变器直流侧均具有人工操作的手动隔离开关。随着光伏电站更加智能化,手动关断方式升级为电动关断。

  电动隔离开关:通过逆变器电流互感器检测组串电流+DSP信号控制的方式实现电动分断,将手动升级为电动。据了解,1倍电流下可实现100-300次接通分断,4倍电流下仅可实现5次接通分断。但是手动隔离开关升级为电动隔离开关只是关断方式的升级,并不能当作保护器件来用。

  开关本体的发热电流最大50A,在额定电流为40A以内使用,可发挥其快速分断的能力;需注意的是,在多汇一场合下(如5路组串接入1路MPPT),电流倒灌超过50A,开关内部热量不易散发,易出现内部动触头支架变形卡死等问题。

  综上三种器件原理可见:熔断器和断路器属于保护器件,不依赖外部电路,通过物理作用实现可靠的机械式保护;隔离开关属于隔离器件,电动隔离能否可靠断开依赖于检测、控制等外部回路,当系统掉电或控制回路出现故障时,隔离开关性能受限,存在断不开的风险。

  断路器现行国家标准为GB/T 14048.2-2020(采用IEC 60947-2:2019国际标准),隔离开关现行国家标准为GB/T 14048.3-2017(采用IEC 60947-3:2015国际标准)。两者所从属的标准对热保护、磁保护、额定短路电流的接通或分断倍数等有较大差异。

  注:Ns代表组串并联数量,ISC-MOD代表光伏组件短路电流,IMOD-MAX-OCPR代表光伏组件最大过电流保护额定值。

  电动隔离开关并不具备保护能力,其功能作用与断路器、熔断器完全不同,这也是相关标准未将隔离开关纳入保护器件的根本原因。

  单独使用电动隔离开关,未部署熔断器、断路器等保护器件,有何风险?从逆变器安全设计方案来看,不同类型的设计方案,过流后果不同:

  1)1路MPPT接入2串组件:发生故障后,系统中最大的短路电流或倒灌电流均只有1倍组件短路电流,隔离开关无法断开也不影响系统安全。

  2)1路MPPT接入3串及以上组件:以1路MPPT接入5路为例,发生故障后,1个回路发生短路其余4串电流将会流向短路点,故障回路将承受4倍短路电流。若隔离开关无法断开,相关部件将因持续过流而损坏直至发生火灾。

  组串反接实测:选取其中一路开展正负极反接测试,该组串与其他4路形成回路,4路组串电流倒灌形成70A电流。故障发生后,隔离开关未能跳脱,对应组件温度急剧上升,组件二极管温度超过150℃当场炸裂。

  组串反灌实测:选取1路开展反灌测试,其余4串电流反灌进故障组串,反灌电流达到30。故障发生后,隔离开关未能跳脱,对应组件与线路温度急剧上升,一分钟内飙升了49℃(升温至76.8℃)。

  电动隔离开关与断路器原理作用、遵从标准均有不同,无法相互取代。隔离开关可作为冗余器件与断路器等保护器件组合,提升系统保护能力,但不能替代熔断器或断路器作为保护器件单独使用。