张书瑞：满足25年寿命的光伏汇流箱的现状、问题与解决方案
演讲人系北京人民电器厂有限公司营销技术部部长
（本文根据“2015第四届分布式发电与微电网技术大会”演讲PPT编辑而成）
光伏汇流箱的现状
汇流箱是光伏发电系统中一个承前启后的产品，前有光伏电池阵列，后有逆变器，所以是一个非常重要的产品，由于工作条件在室外，因此长期受到雨雪侵袭，工作环境十分严酷。
以直流汇流箱为例，现在已经发展到第三代技术，主要体现在：除汇流和防雷的主要作用外，还增加了电压、电流、温度的采集和工作状态监控，不平衡和失效报警、数据与传输等。
各发电企业对光伏电站的使用寿命规定为25年，在它的全生命周期里，里面的元器件能否经受住考验，业内都没有一个统一标准。
本报告拟对光伏电站中汇流箱在25年寿命里的安全性和可靠性进行分析，并提出解决方案，同时对汇流箱降低功耗提出建议，对汇流箱检修方便性提出要求。
1、光伏汇流箱的分类
根据发电模式可以分为：满足集中式逆变器需要的直流汇流箱；满足组串式逆变器需要的交流汇流箱；满足集散式逆变器需要的多路MPPT直流升压汇流箱。
以系统额定电压分类：DC500V、DC750V、DC1000V、DC1500V；
以汇流回路数分类：6~16路；
以汇流回路保护分类：熔断器式、断路器式；
以控制分类：智能型、非智能型；
以海拨高度分类：2000m以下为标准型；2000m以上为高原型；全适应的通用型；
防护等级：IP65；
主断路器进出线方式分为：下进下出、下进线处；
主断路器安装类别：竖装；
主断路器额定电流等级：63A、100A、125A、140、160A、180A、200A、225A、250A；
基准环境温度分为40℃、50℃；
防雷措施：防雷模块。
2、光伏汇流箱产品结构形式
光伏汇流箱使用中存在的问题
1、安全性问题
1）熔断器拨插过程中的电弧
塑料外壳式熔断器由座和手柄组成，座的两端设置有金属插座，该插座与手柄中间穿有的熔断体进行配合，来实现熔断器的功能要求,不可以带电拨插。
这种结构在实际现场中，误拉的很常见：在拉开熔断器时，手柄不能同时断开熔断体两个接触点，回路中高达1000V直流电压，就能烧毁熔断器座和烧伤人手，会产生设备与人身安全事故。
在PCB板上直接焊接有熔断器插座：安全防护太差，在接地系统中，人身触及DC1000V的高压，与大地产生回路，就会危害生命安全；人同时触及正负极也会危机生命安全。
要更换熔断器时，必须在无电状态下才能操作。熔断器与插座的终压力、熔断器与PCB扳的焊接牢固度，都决定了箱体的温升较高和电弧的产生，这种结构如产生电弧，将会导致整个PCB板烧毁，最终导致整个汇流箱烧毁。
2）电缆与接线端子虚接后产生的电弧
现有的汇流箱在器件与器件之间的联接大都采用电线联接，一个汇流将近有100个接头。
由于电线为多股软导线，在长期运行后，铜导线在长期压力下可能会产生永久变形，以至于压力减少，严重时会产生高温，直至产生电弧烧毁器件及汇流箱。
3）爬电距离问题
在光伏系统中爬电距离与电压有关系，根据美国UL标准，考虑到箱体破损，内外环境一样，属于室外工作用电器，规定了在光伏DC1000V系统中所用的电器的爬电距离应大于54mm，否则会在有凝露和污垢的情况下，产生放电引起正、负极间，正、负极同时对地的短路事故。
4）电气间隙问题
电气间隙与电压有关系，根据美国UL标准，考虑到箱体破损，内外环境一样，属于室外工作用电器，规定了在光伏DC1000V系统中所用电器的电气间隙应大于25.4mm，否则会在高电压产生放电引起正、负极间，正、负极间同时对地的空气放电或短路。
2、可靠性问题
总汇流断路器机械及电气寿命：无问题。总汇流断路器机电寿命都达到5000次以上，光伏系统25年需求总寿命为1250次（50次/年×25年=1250次）。
熔断器寿命：带塑料外壳基座的拨插寿命：熔断器按标准规定不能带电操作，出现误操作的机率较大，一旦误操作熔断器必损伤和更换。该产品无电气寿命。
接线端子与电线电缆连接强度：市场销售产品大部分采用软线连接，接点多，风险大，在热应力的作用下，连接强度会递减，给电站的运行造成了不安全因素，出现连接处起弧/发热等问题。
铰链变形或折断：在户外一些大风和开启频繁的情况下，铰链经常发生变形甚至折断；由于汇流箱的防护等级为IP65，所以要求锁扣可以长期有效地对胶条进行挤压来保证箱体的密封性。
锁扣强度不够：锁扣由于强度不够，在长期高强度的拉力下经常会产生形变，甚至损坏，导致汇流箱的密封性下降。
汇流箱密封性下降：汇流箱内外环境一样，尤其是温差大的场合，产生凝露现象，如使用电气间隙（正极与负极之间，极与地之间）及爬电距离（正极与负极之间，极与地之间）小于UL标准的光伏电器元件很有可能发生电弧短路现象。
门板偏移或形变：由于目前汇流箱体积偏大（长度一般为700-800mm），横向重心偏差大，在箱体竖向悬挂时，由于铰链有一定的活动量，造成门板向一侧下滑，门板中间会形成形变。
1）保护电器误动问题-断路器
频繁跳闸：光伏汇流箱的内外环境温度较高，如基准温度过低，容易造成过载长延时保护早跳产生误动，断路器频繁跳闸，光伏系统不能发电的严重后果。
小电流不能分断：断路器性能不符合临界负载电流通断要求，高达1000V的直流电压，一旦分断不了电弧，就会烧毁断路器。
温升过高：第一代DC1000V直流断路器大多采用四极串联的方式，一些厂家将常用的交流IEC标准引用到光伏直流断路器，简单地将极与极之间进行串联，交流产品每极上下引线都达到2米，而串联只有35~70mm，散热差是造成断路器内部温升过高而产生误动的主要原因，个别厂家现场整改用加装散热器方法，使发电企业蒙受重大损失。
2）保护电器误动问题-熔断器
光伏熔断器的冶金效应非常严重，因为白天发电晚上无载，熔断片受热受冷变化频繁，会引发严重的冶金效应，寿命比长期带电的熔断器要短一倍以上，一般在三年要更换一次，才能保证正常工作。
3）保护电器误动问题-雷击浪涌保护器
雷击浪涌保护器在正极对中性点、负极对中性点和中性点对地之间都设置有一压敏电阻，压敏电阻在劣化后遇到雷击时，因二只压敏电阻劣化程度不同，在保护时，往往有锡焊的保护断点要承担DC1000V的电压。原因为现有浪涌保护器的标准是二只串联的压敏电阻同时起作用，每极为DC500V，如遇到上述状况时，则会造成事故。
3、经济性问题
运输成本问题：市场产品的体积较大，包装要求更高，在实际运输过程中无优势，特别是出口产品。
功耗产生的成本分析：汇流箱的功耗组成：总汇流断路器内阻+熔断器内阻+电流测量模块内阻+汇流排内阻（+防反二极管内阻）；现有汇流箱内阻高、功耗大，严重的影响了电站回报率。
维修成本：现有产品无系统化设计，接点多，维护性差，更换麻烦。
满足25年全生命周期的解决方案
1、汇流箱满足25年寿命的试验方法
1）25年寿命性能的热老化试验方法
2）25年寿命性能的试验方法
盐雾试验：按照国家标准，试验试验不低于1000h；试验后，将箱体和元器件与试验前的性能做对比，性能不下降为合格品。
2、光伏汇流箱存在问题的改进
1）安全性问题
熔断器电弧伤人事故：光伏发电现场工作人员水平参差不齐，禁止拨插熔断器不可能，拨插过程中产生电弧伤人事故不断的教训也得不到警戒，只有提高产品的本质安全才是安全出路。解决方法是用DC1000V小型直流断路器，或用正负极熔断器同时拨插的熔断器组合体（熔断器式隔离开关），同时产生四个断口，每断口为DC250V压降。
电缆与接线端子虚接后产生的电弧：采用汇流排和导线加端子，是解决虚接的有效办法。
爬电距离和电气间隙：采用符合美国UL489B标准设计和生产的光伏用元器件。
2）可靠性问题
接线端子与电线电缆连接强度：用导线加端子加标准压力钳的方法加以解决。
铰链、锁扣的强度：采用不锈钢材质。
门板强度：缩小箱体体积：一是将熔断器正负极上下叠放合并，长度方向可缩短300mm左右；二是将电流测量模块竖起，这样宽度方向可缩短150mm。
3）保护电器误动问题
断路器：误动——严格采用UL489B标准；小电流不能分断——选择采用UL489B标准的企业产品；断路器温升过高——采用非四极串联的产品，现在北京人民电器厂已生产出二极DC1000V的塑壳断器和小型断路器。
熔断器：光伏熔断器的冶金效应是无法避免的，最好的方法是与德国和日本等国家规定一样，采用断路器，如以25年熔断器需更换10次，每只熔断器为20元，则为200元，再加上维护及断电损失，总成本为400元以上，现在一只1000V的直流断路器只有150元，可节约一半以上的成本。
雷击浪涌保护器：雷击浪涌保护器保护性能问题是此行业的难题，要进行技术攻关，目前没有太好的技术能克服。
4）经济型问题
运输成本问题：小体积是减少运输成本的根本出路，以长度减少300mm和宽度减少150mm来计算，运输成本可以降低35%左右。
功耗产生的成本分析：两极DC1000V，200A额定电流内阻仅为0.7mΩ，四极DC1000V，200A额定电流内阻最低为1.2mΩ，因此采用新型两极断路器功耗至少减少40%以上。
维修成本：直接的间接的维护维修成本以25年来计算，将是相当可观的。
3、满足25年使用寿命的光伏汇流箱的主要特点
1）GM5-250PT产品特点
功耗低，两极DC1000V，200A额定电流内阻仅为0.7mΩ；双向电流均可保护，正反方向电流均可以满足分断能力和临界电流需求；两极DC1000V，大开距强吹弧设计，满足单极DC500V工作电压；宽度仅为90mm，宽度较四极产品降低50mm；DT、OT120mm²接线端子均可接入，接线位置31mm宽。
2）GHR1-20P光伏熔断器式隔离开关
（1）在宽度不变的情况下一台熔断器上有4个接线端子能接正负极两组导线，相比常规熔断器，更加节省汇流箱体积；（2）一台熔断器内有两组熔断体，分别接正、负极，能同时插入和拔出，在插入或拔出时能同时形成4个串联的断点，有效的降低了断点电弧电压提高了安全性；（3）同时还具有熔断指示灯，能正确可靠的指示熔断体是否被熔断，方便操作人员对熔断器进行维护。
3）GRT1-20P熔断体
有低值故障保护；超级循环耐受DC1000V电流能力；全球接受的10x38mm尺寸。
4）GPVSC电流测量模块:
高精度电流测量，可在标准规定的温度等环境范围内准确测量各路电流；数字化接口设计，可通过通信的方式输出各路电流的测量值；小型化设计，以最小的体积实现电流模块的各项功能；组件化设计，可通过插拔的方式灵活、快速地配置需要的汇流路数；完善的自诊断设计，可自动检测产品内部关键线路或器件的故障，便于维护。
5）GPVSL漏电流检测模块:
高精度电流测量，可在标准规定的温度等环境范围内准确测量各路漏电流；数字化接口设计，可通过通信的方式输出各路漏电流的测量值；小型化设计，以最小的体积实现漏电流模块的各项功能；完善的自诊断设计，可自动检测产品内部关键线路或器件的故障，便于维护；独特的检测方式，具有自适应检测电桥；
6）直流汇流箱专用母排采用一体化设计、无需短接工序、功耗低。
质量是生命，质量是效益，质量是荣誉，质量是发展。全球最大的单体光伏电站，由中兴新能源公司建造，位于巴基斯坦的旁遮普省，光伏智能汇流箱全部采用满足25年寿命的标准并监督制造，由中国制造的具有国际先进水平的电气产品，将引领光伏领域的技术发展。
光伏电站的发展不仅要求速度，更要求质量，电站的建造和运行成本才是最终客户的支出，因此高安全、高可靠、高寿命、高性价比的汇流箱才是最优选择。