1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)中塑殼斷路器的性能研究

孫海濤，韓志剛，劉 毅

(施耐德電氣中國(guó)電力研發(fā)中心，上海 201203)

0 引言

光伏發(fā)電行業(yè)近年來(lái)得到了高速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)歷了從600 V直流電壓到1000 V直流電壓，再到1500 V直流電壓的發(fā)展。1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)提升直流電壓降低了光伏電站的初始投資成本，為我國(guó)光伏行業(yè)走向平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代提供了最好的助力[1]。

雖然成熟的1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電的降本利器，但由于1500 V是低壓直流配電系統(tǒng)中的最高電壓值，該高直流電壓值對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。相較于1000 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電壓提高了0.5倍，因此其對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全要求更高。

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為低壓斷路器應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，其較高的直流電壓和復(fù)雜的戶外使用環(huán)境，對(duì)低壓斷路器的工作性能、絕緣耐壓水平及分?jǐn)嗄芰岢隽诵乱蟆Ｈ暨x用的低壓斷路器的技術(shù)指標(biāo)不能滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將會(huì)影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)火災(zāi)?；诖?，本文從絕緣性能和全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)嗄芰@2個(gè)方面，分析了1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的高直流電壓對(duì)塑殼斷路器的特殊要求，并對(duì)比了單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的差異。

1 1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)絕緣性能的要求

根據(jù)GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》中第3.6部分的要求，由于1500 V是低壓直流配電系統(tǒng)中的最高電壓值，相較于此前傳統(tǒng)的690 V交流配電系統(tǒng)，其在爬電距離和介電測(cè)試方面均有更高的要求。在1500 V直流配電系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景——光伏發(fā)電直流側(cè)，IEC 60364-7-712: 2017《Low voltage electrical installations—— Part 7-712: Requirements for special installations or locations——Solar photovoltaic (PV)power supply systems》中推薦采用Ⅱ類設(shè)備，參照GB/T 17045—2020《電擊防護(hù)裝置和設(shè)備的通用部分》中的定義。

由于IEC標(biāo)準(zhǔn)和UL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳統(tǒng)的690 V交流配電系統(tǒng)與1500 V直流配電系統(tǒng)定義的爬電距離不同，因此對(duì)介電試驗(yàn)電壓的要求也不同，具體對(duì)比如表1所示。表中：新產(chǎn)品是指全新的、未使用過(guò)的產(chǎn)品；試驗(yàn)后產(chǎn)品是指根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的流程進(jìn)行試驗(yàn)后的產(chǎn)品。

表1 不同配電系統(tǒng)在不同標(biāo)準(zhǔn)下的介電試驗(yàn)電壓對(duì)比Table 1 Comparison of dielectric test voltage of different power distribution system under different standards

此外，長(zhǎng)期的直流恒定磁場(chǎng)對(duì)絕緣材料絕緣性能產(chǎn)生的影響尚處于研究階段。

綜上可知，由于1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)為高直流電壓，因此在其采用的塑殼斷路器的設(shè)計(jì)中，不僅需要考慮新產(chǎn)品是否有足夠的爬電距離，還要考慮到產(chǎn)品若長(zhǎng)期使用被污染后的有效爬電距離，以避免塑殼斷路器絕緣材料老化后發(fā)生介電擊穿的情況；以及需要考慮長(zhǎng)期的直流恒定磁場(chǎng)對(duì)塑殼斷路器絕緣材料絕緣性能的影響。

2 時(shí)間常數(shù)對(duì)分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?/h2>

由于在不同應(yīng)用領(lǐng)域中直流配電系統(tǒng)的電路電感能量不同，因此其時(shí)間常數(shù)也不同[2]。時(shí)間常數(shù)對(duì)短路保護(hù)的影響非常大，現(xiàn)有的光伏發(fā)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的時(shí)間常數(shù)為1 ms，但考慮到應(yīng)用中電纜實(shí)際的線路長(zhǎng)度和連接形式，時(shí)間常數(shù)通常要比1 ms大。

以雙斷點(diǎn)4P 250A/1500Vdc 塑殼斷路器( 下文簡(jiǎn)稱為“雙斷點(diǎn)塑殼斷路器”)為研究對(duì)象，建立其短路分?jǐn)喾抡婺Ｐ?。為了?duì)比塑殼斷路器交流短路和直流短路時(shí)的結(jié)果，本仿真以其單極直流短路電流36 kA、系統(tǒng)額定工作電壓300 V(即36kA/300V)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為15 ms作為假設(shè)條件。

雙斷點(diǎn)塑殼斷路器交流短路電流和直流短路電流的對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 交流短路電流和直流短路電流的對(duì)比Fig. 1 Comparison of AC short circuit current and DC short circuit current

從圖1可以看出，由于雙斷點(diǎn)塑殼斷路器短路時(shí)限流，其實(shí)際達(dá)到的短路電流值比預(yù)期值低很多。直流短路電流的上升速度遠(yuǎn)慢于交流短路電流的上升速度，且交流短路電流在3 ms時(shí)達(dá)到峰值，而直流短路電流在5.5 ms左右才達(dá)到峰值。

雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的交流短路電弧電壓和直流短路電弧電壓的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 交流短路電弧電壓和直流短路電弧電壓的對(duì)比Fig. 2 Comparison of AC short circuit arc voltage and DC short circuit arc voltage

從圖2可以看出，相較于交流短路電弧電壓，直流短路電弧電壓的上升速度較為緩慢，且其燃弧時(shí)間也比交流短路的燃弧時(shí)間要長(zhǎng)。

不同時(shí)間常數(shù)下直流短路的電流和電弧電壓對(duì)比如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間常數(shù)下直流短路的電流和電弧電壓的對(duì)比Fig. 3 Comparison of current and arc voltage of DC short circuit with different time constants

從圖3可以看出，隨著時(shí)間常數(shù)從1 ms升高到5 ms，雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的分?jǐn)鄷r(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，這意味著雙斷點(diǎn)塑殼斷路器越來(lái)越難切斷故障電流。

在36kA/300V條件下，不同時(shí)間常數(shù)時(shí)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的交流短路關(guān)鍵參數(shù)和直流短路關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著時(shí)間常數(shù)的增大，直流短路的電弧能量顯著增大。

圖4 在36kA/300V條件下，不同時(shí)間常數(shù)時(shí)交流短路和直流短路的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Fig. 4 Comparison of key parameters of AC short circuit and DC short circuit under different time constants at 36kA/300V

3 全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)嗄芰?/h2>

本文對(duì)全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)噙M(jìn)行了定義，其主要包括以下4個(gè)部分：1)臨界負(fù)載電流；2)臨界過(guò)載電流；3)臨界分?jǐn)嚯娏鳎?)極限分?jǐn)嚯娏?。全電流范圍?nèi)的分?jǐn)嗍疽鈭D如圖5所示。圖中：In為塑殼斷路器的額定電流。

圖5 全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)嗍疽鈭DFig. 5 Schematic diagram of breaking within full current range

不同的電流均有各自的特點(diǎn)和分?jǐn)嚯y點(diǎn)，下面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1 臨界負(fù)載電流

臨界負(fù)載電流主要是指在光照不足時(shí)(比如清晨和傍晚)太陽(yáng)電池回路出現(xiàn)的微小電流。臨界負(fù)載電流的特點(diǎn)是電流微小(4～64 A)，在不加永磁體的情況下，塑殼斷路器本身的氣吹和磁吹功能無(wú)法使電弧進(jìn)入滅弧室，而是需要通過(guò)增加動(dòng)觸頭開距來(lái)切斷電流。針對(duì)這一特點(diǎn)，

IEC 60947-2: 2016《Low-voltage switch gear and control gear——Part 2: Circuit-breakers》特別增加了附錄P 8.3.9的測(cè)試要求[3]。

對(duì)比雙斷點(diǎn)塑殼斷路器和單斷點(diǎn)3P 250A/1500Vdc塑殼斷路器(下文簡(jiǎn)稱為“單斷點(diǎn)塑殼斷路器”)在臨界負(fù)載電流試驗(yàn)下的燃弧時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙斷點(diǎn)塑殼斷路器和單斷點(diǎn)塑殼斷路器在臨界負(fù)載電流試驗(yàn)下的燃弧時(shí)間對(duì)比Fig. 6 Comparison of arcing time between double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker under critical load current test

由于單斷點(diǎn)塑殼斷路器每一極只有1個(gè)斷口，所以需要通過(guò)增加產(chǎn)品高度來(lái)增大動(dòng)觸頭開距，從而才能達(dá)到與雙斷點(diǎn)塑殼斷路器相同的切斷臨界負(fù)載電流的能力。

在達(dá)到相同臨界負(fù)載電流切斷效果的前提下，雙斷點(diǎn)塑殼斷路器與單斷點(diǎn)塑殼斷路器的尺寸及參數(shù)對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出，單斷點(diǎn)塑殼斷路器需要更高的產(chǎn)品高度。

表2 在達(dá)到相同臨界負(fù)載電流切斷效果的前提下，雙斷點(diǎn)塑殼斷路器與單斷點(diǎn)塑殼斷路器的尺寸及參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of dimensions and parameters of double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker under the premise of achieving the same critical load current cut-off effect

3.2 臨界過(guò)載電流和臨界分?jǐn)嚯娏?/h3>

臨界過(guò)載電流并不等同于臨界分?jǐn)嚯娏?。臨界分?jǐn)嚯娏魇侵竸?dòng)觸頭剛好發(fā)生抖動(dòng)時(shí)塑殼斷路器的電流，分?jǐn)嗟碾y點(diǎn)在于動(dòng)觸頭僅微微抖動(dòng)起弧，并未斥開，脫扣器也未打開機(jī)構(gòu)，這時(shí)動(dòng)觸頭間發(fā)生熱量集聚，造成動(dòng)觸頭熔焊。臨界分?jǐn)嚯娏鞯闹狄话慵s為15In。

臨界過(guò)載電流的值需要通過(guò)大量的試驗(yàn)才能確定。一般以1 kA為間隔進(jìn)行逐級(jí)試驗(yàn)(1 kA為1級(jí)，最高不超過(guò)臨界分?jǐn)嚯娏?，尋找燃弧時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)的電流。不同于臨界分?jǐn)嚯娏髟囼?yàn)，臨界過(guò)載電流試驗(yàn)的失敗現(xiàn)象并不是造成動(dòng)觸頭熔焊，而是持續(xù)電弧燃燒，導(dǎo)致塑殼斷路器最終被燒毀。

雙斷點(diǎn)塑殼斷路器和單斷點(diǎn)塑殼斷路器在臨界過(guò)載電流為2 kA時(shí)的分?jǐn)嗍静▽?duì)比圖如圖7所示。可以看出，單斷點(diǎn)塑殼斷路器在臨界過(guò)載電流為2 kA時(shí)出現(xiàn)了持續(xù)電弧燃燒的情況。

圖7 雙斷點(diǎn)塑殼斷路器和單斷點(diǎn)塑殼斷路器在臨界過(guò)載電流為2 kA時(shí)的分?jǐn)嗍静▽?duì)比圖Fig. 7 Comparison diagram of breaking oscillogram of double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker when critical overload current is 2 kA

通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陰極電弧對(duì)臨界過(guò)載電流試驗(yàn)存在較大影響。

電極的陰極和陽(yáng)極弧根有不同的轉(zhuǎn)移方式，陽(yáng)極弧根有跳躍通過(guò)阻擋物的能力，所以陽(yáng)極弧根遇到臺(tái)階或間隙時(shí)，能一躍而下或一躍而過(guò)；而陰極弧根的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，其只能沿著阻擋物表面連續(xù)運(yùn)動(dòng)[4]。短路試驗(yàn)中，動(dòng)觸頭分別接觸陽(yáng)極和陰極時(shí)電弧的運(yùn)動(dòng)方式分別如圖8、圖9所示。圖中，t為電弧的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，電弧產(chǎn)生時(shí)開始計(jì)時(shí)，此時(shí)t=0。

圖8 動(dòng)觸頭接觸陽(yáng)極時(shí)電弧的運(yùn)動(dòng)方式Fig. 8 Arc movement mode when moving contact contacts anode

圖9 動(dòng)觸頭接觸陰極時(shí)電弧的運(yùn)動(dòng)方式Fig. 9 Arc movement mode when moving contact contacts cathode

從圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)觸頭接觸陰極時(shí)，電弧更長(zhǎng)，可以充分進(jìn)入滅弧室，產(chǎn)生更高的電弧電壓；當(dāng)動(dòng)觸頭接觸陽(yáng)極時(shí)，電弧很短，無(wú)法充分進(jìn)入滅弧室，電弧電壓很低，弧根在動(dòng)觸頭根部長(zhǎng)時(shí)間停留，無(wú)法跳躍到滅弧柵片最上面的引弧角。

在各種接線方式下，雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的8個(gè)斷口中必定有4個(gè)是長(zhǎng)電弧、4個(gè)是短電弧，因此可以穩(wěn)定分?jǐn)嘈‰娏?。雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖如圖10所示。

圖10 雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖Fig. 10 Schematic diagram of polarity of moving contact of double breakpoint molded case circuit breaker

對(duì)于單斷點(diǎn)塑殼斷路器，其斷口必定出現(xiàn)2個(gè)長(zhǎng)電弧和1個(gè)短電弧，或者是1個(gè)長(zhǎng)電弧和2個(gè)短電弧。當(dāng)采用“左正右負(fù)”進(jìn)線方式時(shí)，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖如圖11所示；當(dāng)采用“左負(fù)右正”進(jìn)線方式時(shí)，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖如圖12所示。

圖11 采用“左正右負(fù)”進(jìn)線方式時(shí)，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖Fig. 11 Schematic diagram of polarity of moving contact of single breakpoint molded case circuit breaker when“l(fā)eft positive and right negative”incoming line mode is adopted

圖12 采用“左負(fù)右正”進(jìn)線方式時(shí)，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動(dòng)觸頭接觸的極性示意圖Fig. 12 Schematic diagram of polarity of moving contact of single breakpoint molded case circuit breaker when “l(fā)eft negative and right positive”incoming line mode is adopted

從圖11、圖12中可以看出，當(dāng)單斷點(diǎn)塑殼斷路器的接線方式正好導(dǎo)致其斷口出現(xiàn)1個(gè)長(zhǎng)電弧和2個(gè)短電弧時(shí)，很容易導(dǎo)致斷路器分?jǐn)嗬щy。

3.3 極限分?jǐn)嚯娏?/h3>

極限分?jǐn)嚯娏魇侵笖嗦菲骺梢苑謹(jǐn)嗟淖畲蠊收想娏鳌?/p>

單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的極限分?jǐn)嚯娏髟囼?yàn)的分?jǐn)嗍静▓D對(duì)比如圖13所示。

從圖13可以看出：

圖13 單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的極限分?jǐn)嚯娏髟囼?yàn)的分?jǐn)嗖ㄐ螌?duì)比Fig. 13 Comparison of breaking waveforms of limit breaking current test between single breakpoint molded case circuit breaker and double breakpoint molded case circuit breaker

1)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的短路電弧電壓更高，且短路電弧電壓上升更快；

2)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器對(duì)短路電流的限制效果更好；

3)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器較高的電弧電壓和良好的限流能力，使其每次的分?jǐn)鄷r(shí)間比單斷點(diǎn)塑殼斷路器的分?jǐn)鄷r(shí)間縮短了約25%，大幅降低了動(dòng)觸頭的損傷程度和塑殼斷路器內(nèi)部的污染程度，從而使其后續(xù)的操作性能、溫升、介電試驗(yàn)性能更佳。

單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的極限短路分?jǐn)嗟年P(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表3所示。表中：Icu為額定極限短路分?jǐn)嗄芰?電流值)；Ics為額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?電流值)；Umax為最大電弧電壓；Ip為實(shí)際到達(dá)最大電流值；Tmb為電弧燃燒時(shí)間。

表3 單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的極限短路分?jǐn)嗟年P(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of key parameters of limit short circuit breaking between single breakpoint molded case circuit breaker and double breakpoint molded case circuit breaker

4 結(jié)論

為適應(yīng)1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文結(jié)合理論標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從絕緣性能和全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)嗄芰?個(gè)方面，對(duì)1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的高直流電壓對(duì)塑殼斷路器的特殊要求進(jìn)行了研究。由于1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)絕緣性能的更高要求，需要考慮塑殼斷路器在全電流范圍內(nèi)的分?jǐn)嘈阅?。本文還對(duì)單斷點(diǎn)塑殼斷路器和雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的差異進(jìn)行了對(duì)比，研究結(jié)果表明：雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的高度較小，相較于單斷點(diǎn)塑殼斷路器，同體積下，其短路電弧電壓高，分?jǐn)嗄芰?qiáng)；動(dòng)觸頭分別接觸正、負(fù)極，其應(yīng)對(duì)陰極短電弧的能力強(qiáng)。