太阳能装置过压过流保护方案

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-23

太阳能装置通常装在屋顶等户外位置，也越来越多地装在开阔地带，因而过电压带来的风险极高，而太阳能组件与逆变器（直流电平）之间长长的引线以及接至电网（交流电平）的馈线则又加剧了这一风险。图1为典型太阳能逆变器的结构，将来自太阳能组件的直流电压转换成交流电压，然后供给电网。
 
图1 太阳能逆变器方框图。左边为太阳能组件与逆变器输入端的过电压保护（OVP）， 右边是对EMC滤波器及其它元件的线路侧过电压保护

过电压与电流浪涌可靠保护的挑战
额定电压为1000 V DC的金属氧化物压敏电阻通常用于太阳能逆变器的直流输入。根据待处理线路电压，例如电压为300 VRMS的压敏电阻可以是变频器输出的首选。在这两种情况下，也可使用充气式气体放电管以实现额外防护。图2为太阳能逆变器直流输入的常用电路设计：最简化版本（图2a）仅使用一个额定电压为1000 VRMS的压敏电阻（例如片状，直径20毫米）。在这种情况下，额定直流电压为1414 V DC，而钳位电压在100 A时为2970 V。图2b所示电路通过串联的两个压敏电阻运作，两元件应专用于550 VRMS （745 V DC），以提供相同保护。这一设计提供了一大优点：钳位电压在电流为100 A时仅为2710 V，从而进一步抑制过电压。此外，待吸收能量将平均分布于两个组件，从而降低负荷系数。图2c所示电路则在压敏电阻与地面之间添加了一个气体放电管。这一设计仍将提供充分保护，特别是当单个或两个压敏电阻出现故障或因负荷导致老化时。必须使用气体放电管，以免当两个压敏电阻同时故障时进入持续导电状态。
 
图2 过电压防护电路设计，采用单一压敏电阻（a）、两个压敏电阻（b）以及两个压敏电阻加一个气体放电管（c）的电路设计均提供过电压保护

原则上，电源线侧提供相同电路方案。对于欧洲高达240VRMS的典型电网电压来说，应选择额定电压有300或320VRMS的压敏电阻。

由于太阳能逆变器所在技术领域较新，因此并没有针对其老化行为以及老化对内部保护元件的影响进行过长期研究。然而，由电源及其它设备方面得知，基于半导体的元件（如陶瓷压敏电阻）可能会由于持续性低幅度脉冲负载导致退化，随之致使漏电越来越严重。如果元件内部由此而产生的高功率损耗无法通过对流耗散，那么，则可能发生极端情况：不断加热导致短路，随后会破坏压敏电阻。

如何应对更高的标准及保险业要求
UL和IEC等标准化机构已开始警惕这一安全风险，并强调：日后的应用需保证对压敏电阻进行温度监控并能够在发生故障时自动断开。不过，最近公布的IEC62109-1标准——《太阳能发电系统用电力转换器之安全标准——第1部分：通用要求》并未明确相关问题。而其它标准，如IEC 60950-1最新版，明确指出：特殊用途必须使用符合IEC61051-2-2以及IEC 60950-1附录Q的压敏电阻，同时要为该类压敏电阻配备相应熔丝。

保险公司则就该情形提出了更为严格的要求。他们指出，除其它情况外，输出超过50 kW的太阳能装置必须保证其过电压保护符合IEC61643-11第二类（粗保护）。

为使太阳能逆变器制造商以低成本满足各大标准及保险公司的严格要求，TDK-EPC现开发出ETFV系列（爱普科斯热熔式压敏电阻）。这些组件通过串联电路组合在一起，包括一个压敏电阻和一个热熔丝。如果压敏电阻已严重退化，并致使较高漏电流导致过热，熔丝将熔断以断开压敏电阻。上述元件的一大特色便是监视引线：通过延伸压敏电阻与热熔丝之间的触点以驱动LED（参见图3）。

经过针脚设计，爱普科斯ETFV系列还可安装在电路板上或通过螺旋夹具安装在设备体外，从而简化了故障发生时的置换工作。所示内容为20mm片式ETFV。

 
图3 爱普科斯ETFV电路图。ETFV具有监视器输出，LED通过信号指示压敏电阻的完好状态