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        光伏電站一類燒負(fù)極熔斷器故障原因分析

        2020-10-26 09:00:56李俊超
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:卡簧夾片熔斷器

        李俊超

        (廣州發(fā)展新能源股份有限公司,廣州 510623)

        0 引言

        管狀熔斷器是一種廣泛使用的電路保護(hù)元件,目的是在某一設(shè)備工作中發(fā)生電流過載或短路等不正常情況下,熔斷器瞬間熔斷,將故障部分的損壞限制在盡可能小的范圍內(nèi)[1-2]。隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,IEC 60269-6 標(biāo)準(zhǔn)的制定,原gR 級(jí)熔斷器在光伏直流側(cè)的保護(hù)位置被gPV級(jí)熔斷器取代[3]。

        針對(duì)個(gè)別光伏電站頻發(fā)匯流箱負(fù)極保險(xiǎn)熔斷故障,開展了深入地調(diào)查、分析。通過現(xiàn)場(chǎng)熔斷器的失效分析、直流匯流箱結(jié)構(gòu)分析、不同品牌熔斷器底座結(jié)構(gòu)比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)此類熔斷器故障為非常規(guī)過電流造成,而是A 品牌的熔斷器底座存在設(shè)計(jì)缺陷,原因分析如下。

        圖1 漁光互補(bǔ)電站直流匯流箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        1 設(shè)備概況

        1.1 直流匯流箱

        漁光互補(bǔ)A電站與地面B光伏電站均采用DC1 000 V、16路防雷直流匯流箱,智能型帶電流采集板,內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理如圖1~2所示。由圖可見,匯流箱正極由一整條銅排直接匯流。負(fù)極同樣為銅排連接,但各支路上方均串入了采集模塊,搭接固定匯流后接入斷路器。

        圖2 直流匯流箱電氣接線原理圖

        1.2 熔斷器和熔斷器底座

        A 電站與B 電站均采用美國(guó)Bussmann 的圓管形熔斷器及A 品牌熔斷器底座。熔斷器規(guī)格為10 mm 38 mm(直徑 長(zhǎng)度),型號(hào)為PV-15A10F,gPV級(jí)光伏發(fā)電專用熔斷器,額定電流15 A,額定電壓DC1 000 V,印度制造。A品牌熔斷器底座為光伏發(fā)電專用熔斷器底座,允許使用溫度為不高于75 ℃的熔斷器或不高于90 ℃的銅熔芯,中國(guó)制造。

        2 檢查情況

        (1)A、B光伏電站檢查。2019年,兩個(gè)光伏電站燒負(fù)極保險(xiǎn)故障頻發(fā),尤其在天氣溫度高的時(shí)候?,F(xiàn)場(chǎng)檢查保險(xiǎn)熔斷大多都發(fā)生在負(fù)極,且熔斷部位集中在熔斷器的下端頭(與底座下觸頭銅夾片相連接),如圖3~4所示。

        圖3 A 品牌熔斷器底座解體下觸頭燒灼痕跡

        圖4 熔斷器下端頭燒灼發(fā)黑

        (2)現(xiàn)場(chǎng)使用萬用表測(cè)量負(fù)極母排對(duì)地電壓正常,熔斷器下端頭與上端頭開路電壓正常,取出熔斷器測(cè)量通斷顯示為斷開。更換新熔斷器后測(cè)得支路電流正常。

        (3)解體燒斷的熔芯檢查,熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。發(fā)現(xiàn)熔芯下端頭已熔斷,有發(fā)黑燒灼痕跡。熔芯其余部位完好,未見熔斷,如圖6所示。

        圖5 熔斷器解體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        圖6 熔芯下端頭熔斷

        (4)更換熔斷器時(shí),燒壞的熔斷器發(fā)燙,取出的手感溫度較常規(guī)過流熔斷的熔斷器要高。

        (5)現(xiàn)場(chǎng)匯流箱開箱蓋測(cè)溫,正常運(yùn)行時(shí),負(fù)極保險(xiǎn)區(qū)域較正極保險(xiǎn)區(qū)域溫度高約10 ℃。

        (6)經(jīng)了解其他地面光伏電站,采用同品牌的1 000 V直流匯流箱,同品牌熔斷器,而非采用A 品牌熔斷器底座,則少有發(fā)生燒負(fù)極熔斷器故障。

        (7)另了解采用直流匯流箱的分布式光伏電站,其中一電站采用不同品牌的匯流箱,但選用了A 品牌熔斷器底座,也出現(xiàn)了頻發(fā)燒負(fù)極熔斷器故障,且頻發(fā)熔斷部位同A、B光伏電站一致,同為負(fù)極熔斷器的下端。如圖7所示,本分布式光伏電站匯流箱的電氣接線方式與A、B光伏電站匯流箱基本一致,負(fù)極串列上方同樣布置了采集模塊。

        通過上述現(xiàn)場(chǎng)檢查和各電站了解、比對(duì)分析,初步判斷頻發(fā)燒負(fù)極保險(xiǎn)故障主要原因在熔斷器底座的品牌選擇上,次要原因在匯流箱負(fù)極串列上方串接了采集模塊。

        圖7 分布式光伏電站匯流箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        3 原因分析

        3.1 采集模塊

        采集模塊串接在負(fù)極保險(xiǎn)上方,減少了負(fù)極保險(xiǎn)區(qū)域的散熱空間,且采集模塊自身有一定阻值,運(yùn)行中也會(huì)發(fā)熱。經(jīng)與匯流箱廠家求證,此類匯流箱結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,負(fù)極保險(xiǎn)區(qū)域會(huì)比正極保險(xiǎn)區(qū)域高13~15 ℃。

        3.2 熔斷器

        通過更換熔斷器,測(cè)得支路電流正常,判斷接入的陣列組串無過流現(xiàn)象。另外,從熔芯發(fā)熱傳導(dǎo)角度分析[4],當(dāng)遇到過電流升溫時(shí),熔芯兩頭靠近金屬帽蓋,其散熱性應(yīng)比熔芯中部(完全被石英砂包覆)要好,常規(guī)過電流優(yōu)先熔斷部位應(yīng)在熔芯中部的狹徑處。所以,判斷頻發(fā)燒熔斷器端頭(下端頭)的現(xiàn)象,非瞬時(shí)過電流造成。

        3.3 熔斷器底座

        (1)解體A 品牌熔斷器底座,座觸頭熔斷端的銅夾片、夾片卡簧色澤發(fā)黑,周邊底座塑料殼發(fā)黃,明顯此端頭存在異常發(fā)熱,如圖8~9所示。

        圖8 熔斷器底座解體(不含熔斷器)

        圖9 熔斷器、座觸頭連接方式

        (2)按圖10~13所示的方向和順序,將熔斷器裝入座觸頭,再拔出。發(fā)現(xiàn)熔斷端的座觸頭可輕松拔出熔斷器,表明熔斷器與銅片已無接觸力,夾片和卡簧組成的夾緊力已失效。在通電的過程中,因長(zhǎng)期接觸不良,熔斷器端頭持續(xù)發(fā)熱,最終導(dǎo)致熔芯非正常熔斷。

        圖10 熔斷器裝入座觸頭

        圖11 熔斷器裝好狀態(tài)

        圖12 熔斷器拔出座觸頭

        (3)對(duì)幾組已燒下端頭的底座進(jìn)行拆解,測(cè)量比對(duì)熔斷端與正常端銅夾片張口距離,發(fā)現(xiàn)同一底座,熔斷端銅夾片開口距離比正常端大0.15~0.43 mm,如表1所示。

        表1 上、下端座觸頭與熔斷體接觸的圓弧部位最大開口尺寸

        3.4 不同品牌熔斷器底座比對(duì)

        從同一分布式光伏電站拆取A 品牌和B 品牌熔斷器底座,對(duì)各自的卡簧、銅夾片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

        3.4.1 銅夾片對(duì)比

        A品牌熔斷器底座夾片長(zhǎng)度為18 mm,未裝卡簧的開口距離約為10 mm。B品牌熔斷器底座夾片長(zhǎng)度為21 mm,未裝卡簧的開口距離約為9 mm。

        3.4.2 卡簧對(duì)比

        A品牌熔斷器底座卡簧下部寬處間距約為11 mm,上部略窄處間距約為10 mm。B品牌熔斷器底座卡簧下部寬處間距約為12 mm,上部窄處間距約為8 mm。銅夾片及卡簧對(duì)比如圖13 所示。當(dāng)裝入熔斷器關(guān)合底座蓋口,熔斷器下端頭將從銅夾片下部(窄)往上部(寬)就位。從對(duì)比可知,由于A 品牌熔斷器底座下部間距更窄,當(dāng)熔斷器端頭剛進(jìn)入夾片下部,若稍有偏移(未對(duì)中或熔斷器放入底座未頂?shù)轿唬?,將更容易使夾片單側(cè)受擠壓變形,導(dǎo)致上端夾片的一側(cè)與熔斷器接觸松弛,同時(shí)也是燒熔斷器下端頭概率更大的原因。

        3.4.3 銅夾片和卡簧組裝后對(duì)比

        銅夾片和卡簧組裝后,即為常規(guī)與熔斷器端頭接觸的座觸頭狀態(tài)。組裝后,A 品牌熔斷器底座夾片開口距離約為10 mm,B品牌熔斷器底座夾片開口距離約為8.5 mm,如圖14所示。由此可知,B品牌熔斷器底座的座觸頭裝入直徑10 mm的熔斷器后,夾緊力比A 品牌熔斷器底座要大。裝入熔斷器,用手拔出,也能感知到兩品牌夾緊力的明顯差異。

        圖13 銅夾片及卡簧對(duì)比

        3.5 綜合分析

        由于A 品牌熔斷器底座的座觸頭卡簧開口距離設(shè)計(jì)較大(約10 mm),裝入熔斷器端頭(直徑10 mm)剛好無間隙,當(dāng)生產(chǎn)裝配或檢修支路拉合保險(xiǎn),在裝入熔斷器過程,稍不正裝,將導(dǎo)致銅夾片變形,開口間距變大,形成間隙,造成與熔斷器端頭接觸不良發(fā)熱,此為A 品牌底座頻繁發(fā)生熔芯下端熔斷的主要原因。另外,匯流箱負(fù)極保險(xiǎn)區(qū)域上方串接采集模塊,導(dǎo)致負(fù)極區(qū)域溫度比正極高至少10 ℃,此為負(fù)極區(qū)域更易燒保險(xiǎn)的原因。加上光伏組件所受太陽(yáng)輻照度升高(所發(fā)電流增大)、戶外匯流箱環(huán)境溫度升高等因素疊加,將造成負(fù)極保險(xiǎn)下端頭溫度極高,頻發(fā)熔斷故障。

        圖14 銅夾片及卡簧組裝后對(duì)比

        4 糾正建議

        (1)根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),若熔斷器安裝環(huán)境溫度超過40 ℃,持續(xù)時(shí)間超過2 h,可考慮提高熔斷器的安培等級(jí)[5-6],但目前所選熔斷器的電流等級(jí)為15 A,已達(dá)到組件推薦熔斷器的最大安培等級(jí),已無降容使用空間。

        (2)考慮到A、B光伏電站采用A品牌熔斷器底座的數(shù)量較多,今后需將此類故障的熔斷器連同底座一并更換,且熔斷器底座更換為其他品牌。對(duì)于曾經(jīng)發(fā)生過燒負(fù)極保險(xiǎn)的熔斷器底座,觸頭夾片很可能已存在變形,建議擇機(jī)分片區(qū)逐步更換。

        (3)分布式光伏電站逐步將A 品牌熔斷器底座更換為其他品牌。

        (4)各場(chǎng)站在采購(gòu)熔斷器底座時(shí),應(yīng)避免采用A 品牌熔斷器底座。已采購(gòu)的,建議停止使用。

        (5)后續(xù)新建項(xiàng)目在匯流箱熔斷器底座的選型和品牌上,需多加考慮。匯流箱盡量安裝在太陽(yáng)能電池板下,避免太陽(yáng)直射。

        (6)持續(xù)關(guān)注已更換新品牌熔斷器底座的使用情況。

        5 結(jié)束語

        光伏電站已向集中監(jiān)控、無人值守、少人值班的趨勢(shì)發(fā)展,本文通過分析一類負(fù)極熔斷器頻發(fā)故障,找出了共性原因,提出了解決建議,避免類似故障重復(fù)發(fā)生,極大地減少了電站運(yùn)維人員的檢修工作量,也提高了光伏電站的發(fā)電量。

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