/德州市氣象局 李斌 竇俊杰/

光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器新國(guó)標(biāo)的解讀

/德州市氣象局 李斌 竇俊杰/

應(yīng)用于新能源光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器的首部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將于2016年9月1日正式實(shí)施，填補(bǔ)了我國(guó)在光伏電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法方面的空白。對(duì)于提升新能源光伏系統(tǒng)雷電防護(hù)的水平將會(huì)起到極大的推動(dòng)作用。對(duì)電涌保護(hù)器的制造廠商提高光伏電涌保護(hù)器產(chǎn)品性能，以及對(duì)新能源光伏供電系統(tǒng)合理選配光伏電涌保護(hù)器，有了一本國(guó)家級(jí)的指導(dǎo)文件。光伏電涌保護(hù)器新國(guó)標(biāo)內(nèi)容豐富，概括了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外光伏電涌保護(hù)器（SPD）技術(shù)發(fā)展的水平，本文試圖作一淺顯的解讀。

新能源；光伏供電系統(tǒng)；電涌保護(hù)器；新國(guó)標(biāo)

0　引言

我國(guó)新能源領(lǐng)域中的光伏產(chǎn)業(yè)，這些年來(lái)的發(fā)展前景可觀，光伏系統(tǒng)使用壽命要求達(dá)到25年，其中光伏系統(tǒng)雷電防護(hù)的能力一直備受關(guān)注。2010年歐盟首次頒布了光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)的最終稿，立即引起國(guó)內(nèi)雷電防護(hù)和電涌保護(hù)器行業(yè)的高度重視。

2012年期間，上海防雷中心和TüV認(rèn)證機(jī)構(gòu)等防雷產(chǎn)品檢測(cè)部門(mén)，都分別以不同的方式，在行業(yè)中對(duì)光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展開(kāi)展了技術(shù)培訓(xùn)，介紹和講解了EN 50539-11光伏電涌保護(hù)器的主要內(nèi)容。

2013年，北京鑒衡認(rèn)證中心為確保光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器的質(zhì)量、促進(jìn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合金太陽(yáng)鑒衡認(rèn)證的實(shí)際需要制定了相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，并與2014年初實(shí)施。

2013年，國(guó)家標(biāo)委會(huì)也正式啟動(dòng)了光伏電涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，并指出標(biāo)準(zhǔn)制定目的和意義：“近兩年是新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展時(shí)期，根據(jù)全球知名的太陽(yáng)能市場(chǎng)研究和咨詢公司Solarbuzz公司調(diào)查，2011年全球光伏發(fā)電需求繼續(xù)飛速?！保ㄒ?jiàn)國(guó)標(biāo)委《2013年第一批擬立項(xiàng)推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目》）。

2016年2月24日，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)正式發(fā)布了GB/T 18802.31—2016 《低壓電涌保護(hù)器 特殊應(yīng)用（含直流）的電涌保護(hù)器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并將于2016年9月1日實(shí)施。這部首次頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是由上海市防雷中心和西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司牽頭，國(guó)內(nèi)知名品牌的電涌保護(hù)器、敏感元件制造廠商和認(rèn)證機(jī)構(gòu)參與起草，標(biāo)志著我國(guó)雷電防護(hù)及其電涌保護(hù)器（SPD）行業(yè)邁向了一個(gè)新的臺(tái)階。

以下是對(duì)新國(guó)標(biāo)部分條款的解讀。

1　范圍

GB/T 18802.31—2016規(guī)定了電涌保護(hù)器（SPD）的性能要求和試驗(yàn)方法。定義了該電涌保護(hù)器安裝的位置是光伏系統(tǒng)直流側(cè)，連接于額定電壓不超過(guò)1500V 的光伏發(fā)電設(shè)備的直流電源回路中。其目的是為了減小雷電感應(yīng)或直擊雷對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備直流側(cè)的影響。

光伏發(fā)電設(shè)備不同于其他設(shè)備（如低壓配電系統(tǒng)），具有不同特性，標(biāo)準(zhǔn)作了詳盡描述，引述如下：

本部分考慮到光伏發(fā)電設(shè)備的以下特性：

——類(lèi)似電流源的特性；

——標(biāo)稱(chēng)電流取決于光照強(qiáng)度；

——短路電流幾乎等于標(biāo)稱(chēng)電流；

——以串聯(lián)和/或并聯(lián)組合的方式輸出各種大小的電壓、電流和功率，從幾

百瓦（民用設(shè)施）到幾兆瓦（光伏發(fā)電場(chǎng)）。

光伏發(fā)電設(shè)備直流側(cè)這些特殊的電氣參數(shù)，決定了對(duì)電涌保護(hù)器（SPD）測(cè)試要求的特殊性。這也是本標(biāo)準(zhǔn)為何要制定的意義所在。

范圍中還明確了以下幾點(diǎn)：

輸入和輸出分開(kāi)，端子之間有特殊的串聯(lián)阻抗為二端口電涌保護(hù)器（SPD）需要額外考慮。

連接在電池組和其他直流設(shè)備的光伏設(shè)備的電涌保護(hù)器（SPD）需要有額外的要求和試驗(yàn)。

制造商聲明過(guò)載特性為短路模式的電涌保護(hù)器（SPD），為防止直流電弧對(duì)操作人員的傷害，在維護(hù)和更換時(shí)，必須要有特別的防范措施。

2　術(shù)語(yǔ)、定義和縮寫(xiě)詞

標(biāo)準(zhǔn)中術(shù)語(yǔ)、定義和縮寫(xiě)詞部分圍繞著光伏發(fā)電設(shè)備的特性作了切合實(shí)際的表述。例如：試驗(yàn)類(lèi)型只定義了Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)，沒(méi)有Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)的具體定義。再比如：只定義了一端口電涌保護(hù)器（SPD），而沒(méi)有二端口的定義。

針對(duì)光伏系統(tǒng)的特性，在電涌保護(hù)器術(shù)語(yǔ)和定義中有以下六個(gè)條款值得關(guān)注，引述如下：

3.1.6

保護(hù)模式 modes of protection

端子間的電流通路包含一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元件，并且制造商聲明了該電流通路的保護(hù)水平，例如+對(duì)-， +對(duì)地， -對(duì)地。

注：該電流通路中可能包含額外的端子。［EN 61643-11:2012，定義3.1.8］

3.1.7

SPD的電流支路 current branch of an SPD

一條在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間既定的電流通路，包含一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元器件。

注1：SPD 的一條電流支路可能等同于 SPD 的一種保護(hù)模式。

注2：該既定電流通路不包括額外的端子。

3.1.11

光伏系統(tǒng)的大持續(xù)工作電壓 maximum continuous operating voltage for

PV application Ucpv

可連續(xù)地施加在SPD保護(hù)模式上的大直流電壓。

3.1.12

光伏系統(tǒng)的持續(xù)工作電流 continuous operating current for PV application

Icpv

當(dāng)SPD依據(jù)制造商的說(shuō)明連接，施加大持續(xù)工作電壓 CPV U 時(shí)，流過(guò)其帶電導(dǎo)線間的電流。

3.1.23

額定短路電流 short-circuit current rating

Iscpv

SPD與指定脫離器連接后可以承受的電源系統(tǒng)的大預(yù)期短路電流額定值。

［EN 61643-11:2012，定義3.1.27］

3.1.37

確定電氣間隙電壓 Voltage for clearance determination

U max

根據(jù)7.4.4施加沖擊時(shí)得到的大測(cè)量電壓，用于確定電氣間隙。

［EN 61643-11:2012，定義3.1.47］

此外，在標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)、定義和縮寫(xiě)詞中，基本上引用了EN 61643-11.2012的標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了電涌保護(hù)器行業(yè)最新的技術(shù)水準(zhǔn)。

3　分類(lèi)

GB/T 18802.31—2016對(duì)電涌保護(hù)器（SPD）作了10個(gè)項(xiàng)目的分類(lèi)，細(xì)分一下，或有11個(gè)分類(lèi)項(xiàng)目，為便于理解，列表1如下。

表1　電涌保護(hù)器項(xiàng)目分類(lèi)

其中，對(duì)連接結(jié)構(gòu)的分類(lèi)了解尤為重要，它與低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器的保護(hù)模式有點(diǎn)相似，但有著本質(zhì)上的區(qū)別，不能混淆。連接結(jié)構(gòu)的圖形如圖1所示。

圖1　連接結(jié)構(gòu)圖形

4　技術(shù)要求

在標(biāo)準(zhǔn)的第六章節(jié)，規(guī)定了光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器的技術(shù)要求，共計(jì)6項(xiàng)條款，有以下幾個(gè)重點(diǎn)要求：

1）電涌保護(hù)器（SPD）I型連接結(jié)構(gòu)，若用于Y型結(jié)構(gòu)的話，則需要分別根據(jù)Ⅰ型和Y型結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。Y型結(jié)構(gòu)有一體化和分體式兩種形式，而分體式的Y型結(jié)構(gòu)可用I型結(jié)構(gòu)連接而成，因此，兩種參數(shù)都要進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。

2）產(chǎn)品標(biāo)識(shí)中，電涌保護(hù)器在光伏系統(tǒng)的最大持續(xù)工作電壓，每種保護(hù)模式有一個(gè)Ucpv值，若Ucpv值相同，則只需一個(gè)值。另：在制造商聲明每種保護(hù)模式的SPD類(lèi)型和放電參數(shù)中，須靠近印制“PV”字母字樣。標(biāo)識(shí)的參考圖如圖2所示。

圖2　標(biāo)識(shí)參考圖

3）對(duì)于連接于等電位連接導(dǎo)體端子的電涌保護(hù)器（SPD），需按制造商說(shuō)明的接線方式連接并測(cè)量殘流（IPE）。測(cè)量電壓為電涌保護(hù)器（SPD）的最大持續(xù)工作電壓（Ucpv）。須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)7.4.2試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其是否符合要求。

4）SPD的過(guò)載特性是應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的一個(gè)極為重要的技術(shù)要求，引述條款如下：

6.2.5.2SPD 過(guò)載特性

SPD失效應(yīng)不會(huì)造成危險(xiǎn)的后果，或SPD應(yīng)能耐受在SPD失效過(guò)程中可能出現(xiàn)的聲稱(chēng)的預(yù)期短路電流Iscpv。

通過(guò)7.4.7的試驗(yàn)檢驗(yàn)其是否符合要求。

該試驗(yàn)不適用于只包含電壓開(kāi)關(guān)型元器件的SPD。本試驗(yàn)也不適用于保護(hù)模式中一條電流支路僅含電壓開(kāi)關(guān)元件的SPD。

如果SPD的一條電流支路僅含電壓開(kāi)關(guān)元件，且這條電流支路接地，那么這種SPD不能用于接地的PV系統(tǒng)。在這種條件下，即使SPD沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)，制造商也可以聲明具有相應(yīng)的保護(hù)模式。

如果如 7.4.7 中描述的內(nèi)部和外部脫離器交替動(dòng)作，則需要做一個(gè)附加試驗(yàn)。該試驗(yàn)的電流設(shè)定為外部脫離器的額定電流的5倍（如果沒(méi)有超過(guò)Iscpv），且對(duì)時(shí)間不作要求。

由于在更換器件時(shí)產(chǎn)生的直流電弧可能危及人身和財(cái)產(chǎn)安全，具有過(guò)載特性短路模式的插入式SPD（不需要工具就能更換的SPD）需要制造商聲明合適的斷開(kāi)方式。通過(guò)安裝說(shuō)明的檢查來(lái)驗(yàn)證是否符合要求。

檢查制造商聲稱(chēng)措施效能的特別試驗(yàn)正在考慮中。

5　型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)分為標(biāo)志的耐久性、電氣試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)，共有10個(gè)試驗(yàn)序列，包含了輸入/輸出端子分開(kāi)的一端口 SPD、戶外型SPD和分離隔離電路SPD的附加試驗(yàn)。細(xì)分試驗(yàn)項(xiàng)目共計(jì)29項(xiàng)。其中，應(yīng)予以關(guān)注的有以下幾點(diǎn)：

1）殘流（IPE）試驗(yàn)，是在直流和交流兩種電源條件下進(jìn)行試驗(yàn)，直流電源輸出的試驗(yàn)電壓為Ucpv。交流電源輸出的試驗(yàn)電壓則為峰值相當(dāng)于最大持續(xù)工作電壓Ucpv的50Hz的正弦電壓。 殘流（IPE）值不應(yīng)高出制造商的聲稱(chēng)值。

2）SPD的過(guò)載性能試驗(yàn)，這是應(yīng)用與光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目之一。它對(duì)試驗(yàn)電源、試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備和短路電流Iscpv值都有著特殊要求。

光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）有兩種預(yù)期過(guò)載特性，開(kāi)路模式（OCM）的過(guò)載特性，其電源特性采用DC3或PV4（DC3僅基于制造商協(xié)定）。短路模式（SCM）的過(guò)載特性，則為PV4 。根據(jù)不同的SPD設(shè)計(jì)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用電壓為Ucpv /1.2 的電源。其中，DC3為線性直流電源，PV4為模擬光伏電源。其I/V特性圖如圖3所示。

圖3　I/V特性

試品的準(zhǔn)備要根據(jù)電涌保護(hù)器（SPD）不同的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行。L、U、△和Y型結(jié)構(gòu)通俗來(lái)講采用減一法，即將其中某一支路的電壓限壓元件用替代銅塊連接。而I型的則要降低MOV的參考電壓至50%～60%。其配置圖如圖4～5所示。

此外，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)短路電流Iscpv也作了明確規(guī)定。為便于理解，列表見(jiàn)表2。

表2　短路電流Iscpv規(guī)定

機(jī)械實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證電氣間隙使用Umax作為輸入?yún)?shù)來(lái)確定，而爬電距離則以直流工作電壓值來(lái)確定。標(biāo)準(zhǔn)中還明確規(guī)定，對(duì)于海拔2000m以上，需要參考EN 60664-1∶2007中表F.2來(lái)確定電氣間隙。對(duì)于戶內(nèi)和類(lèi)似環(huán)境的SPD，其設(shè)計(jì)應(yīng)按污染等級(jí)2來(lái)進(jìn)行。

濕熱條件下的壽命測(cè)試，是對(duì)電涌保護(hù)器（SPD）在相對(duì)惡劣環(huán)境下，材料和器件使用壽命的考核。其條款引述如下：

7.6.1濕熱條件下的壽命測(cè)試

測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 60068-2-78進(jìn)行，并適用于每種保護(hù)模式的樣品。

圖4　SPD過(guò)載性能試驗(yàn)的試品準(zhǔn)備（Y型和U型結(jié)構(gòu)）

圖5　SPD過(guò)載性能試驗(yàn)的試品準(zhǔn)備（△型、L型和I型結(jié)構(gòu)）

在試驗(yàn)開(kāi)始前先測(cè)量Icpv以備參考。試品隨后放入溫度為40℃±2K，相對(duì)濕度為93±3%的環(huán)境箱500h。在試驗(yàn)過(guò)程中，每種保護(hù)模式被連接在一個(gè)預(yù)期短路電流至少為100mA的試驗(yàn)電源上，將直流電壓調(diào)節(jié)至Ucpv。

7.6.2合格判據(jù)

試驗(yàn)后，將樣品從環(huán)境箱中取出1h±10min后測(cè)量Icpv。

將樣品從環(huán)境箱中取出1h±10 min后必須滿足表6中的合格判據(jù)C，E和G。

6　結(jié)束語(yǔ)

以上例舉了GB/T 18802.31—2016 《低壓電涌保護(hù)器 特殊應(yīng)用（含直流）的電涌保護(hù)器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法》的一些值得關(guān)注的部分條款，其實(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)還有更多條款和細(xì)節(jié)值得深入解讀。

光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器的使用條件中，標(biāo)準(zhǔn)描述的氣壓和海拔為：“氣壓在80～106kPa。對(duì)應(yīng)的海拔為+2000m～-500m。”（見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)4.2）。從實(shí)際光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器（SPD）的應(yīng)用來(lái)看，海拔確實(shí)有要求到達(dá)4000m高度的，而很少有要求在海拔為“-”的使用要求。那么，標(biāo)準(zhǔn)所定義的海拔為 -500m的使用條件，其意義在哪里呢？值得進(jìn)一步思考。

電涌保護(hù)器的連接結(jié)構(gòu)，常用的多為Y型結(jié)構(gòu)，而在此基礎(chǔ)上所衍生出來(lái)其他類(lèi)型的連接結(jié)構(gòu)，可能對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，還需要對(duì)其性能要求和測(cè)試方法要有一個(gè)相應(yīng)的闡述。

隨著新能源光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)迅猛發(fā)展，系統(tǒng)工作電壓為1500V光伏發(fā)電設(shè)備也將逐漸普及應(yīng)用，所配套的電涌保護(hù)器（SPD）也許會(huì)遇到一些新的問(wèn)題，需要不斷總結(jié)，并提升到標(biāo)準(zhǔn)的層面上來(lái)。

此外，一般電涌保護(hù)器除了性能要求和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)外，還有一個(gè)選擇和使用導(dǎo)則的標(biāo)準(zhǔn)相配套，對(duì)于光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器而言，是否也應(yīng)如此值得考慮。

總之，GB/T 18802.31－2016的頒布和實(shí)施，必將極大地推動(dòng)我國(guó)新能源光伏產(chǎn)業(yè)雷電防護(hù)事業(yè)向前發(fā)展，并為其他新能源行業(yè)（如風(fēng)電）等起到引領(lǐng)作用。

［1］GB/T 18802.31—2016 低壓電涌保護(hù)器 特殊應(yīng)用（含直流）的電涌保護(hù)器 第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法［S］.

［2］ CGC/GF 026：2013 （CNCA/CTS 0026-2013） 低壓電涌保護(hù)器 特殊應(yīng)用（含直流）的電涌保護(hù)器：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法 ［S］.

［3］ EN50539-11.2013Low-voltage surge protective devices -Surge protective devices for specific application including d.c. -Part 11： Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications［S］.