【光伏技术】一文读懂光伏系统中熔断器、断路器、隔离开关三种保护器件的异同点

发布时间：2024-08-12 02:44:35 丨 文章作者：佚名 丨 浏览次数：105

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。由于三者具有相似性经常被混用，实际上是不同类型的器件。三者原理作用不同、标准要求不同、应用场景不同、保护效果也不同。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/T14048.2-2020（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。

对于光伏直流侧保护要求，GBT及IEC等相关标准均做出了明确规定：

1）单路MPPT接入3串及以上组件，需配置过流保护器件。

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。

2）过流保护器件需是符合标准的专用熔断器或断路器。

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。

在此基础上，回顾下近期业内人士关注的实测实验：

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。

安全保护器件选择与部署，须谨慎。

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