孫海濤，韓志剛，劉 毅

(施耐德電氣中國電力研發(fā)中心，上海 201203)

0 引言

光伏發(fā)電行業(yè)近年來得到了高速發(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)通過提升直流電壓降低了光伏電站的初始投資成本，為我國光伏行業(yè)走向平價上網(wǎng)時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)計要求，將會影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時甚至?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個方面，分析了1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的高直流電壓對塑殼斷路器的特殊要求，并對比了單斷點(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，因此對介電試驗(yàn)電壓的要求也不同，具體對比如表1所示。表中：新產(chǎn)品是指全新的、未使用過的產(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)電壓對比Table 1 Comparison of dielectric test voltage of different power distribution system under different standards

此外，長期的直流恒定磁場對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；以及需要考慮長期的直流恒定磁場對塑殼斷路器絕緣材料絕緣性能的影響。

2 時間常數(shù)對分?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，因此其時間常數(shù)也不同[2]。時間常數(shù)對短路保護(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)定的時間常數(shù)為1 ms，但考慮到應(yīng)用中電纜實(shí)際的線路長度和連接形式，時間常數(shù)通常要比1 ms大。

以雙斷點(diǎn)4P 250A/1500Vdc 塑殼斷路器( 下文簡稱為“雙斷點(diǎn)塑殼斷路器”)為研究對象，建立其短路分?jǐn)喾抡婺Ｐ汀榱藢Ρ人軞嗦菲鹘涣鞫搪泛椭绷鞫搪窌r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)，對應(yīng)的時間常數(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，且其燃弧時間也比交流短路的燃弧時間要長。

不同時間常數(shù)下直流短路的電流和電弧電壓對比如圖3所示。

圖3 不同時間常數(shù)下直流短路的電流和電弧電壓的對比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間越來越長，這意味著雙斷點(diǎn)塑殼斷路器越來越難切斷故障電流。

在36kA/300V條件下，不同時間常數(shù)時雙斷點(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)的對比如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著時間常數(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，不同時間常數(shù)時交流短路和直流短路的關(guān)鍵參數(shù)對比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個部分：1)臨界負(fù)載電流；2)臨界過載電流；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(比如清晨和傍晚)太陽電池回路出現(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法使電弧進(jìn)入滅弧室，而是需要通過增加動觸頭開距來切斷電流。針對這一特點(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的測試要求[3]。

對比雙斷點(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)下的燃弧時間，對比結(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)下的燃弧時間對比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個斷口，所以需要通過增加產(chǎn)品高度來增大動觸頭開距，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 臨界過載電流和臨界分?jǐn)嚯娏?/h3>

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

臨界過載電流的值需要通過大量的試驗(yàn)才能確定。一般以1 kA為間隔進(jìn)行逐級試驗(yàn)(1 kA為1級，最高不超過臨界分?jǐn)嚯娏?，尋找燃弧時間最長時的電流。不同于臨界分?jǐn)嚯娏髟囼?yàn)，臨界過載電流試驗(yàn)的失敗現(xiàn)象并不是造成動觸頭熔焊，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載電流為2 kA時的分?jǐn)嗍静▽Ρ葓D如圖7所示?？梢钥闯觯瑔螖帱c(diǎn)塑殼斷路器在臨界過載電流為2 kA時出現(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載電流為2 kA時的分?jǐn)嗍静▽Ρ葓DFig. 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

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

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

圖8 動觸頭接觸陽極時電弧的運(yùn)動方式Fig. 8 Arc movement mode when moving contact contacts anode

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

從圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動觸頭接觸陰極時，電弧更長，可以充分進(jìn)入滅弧室，產(chǎn)生更高的電弧電壓；當(dāng)動觸頭接觸陽極時，電弧很短，無法充分進(jìn)入滅弧室，電弧電壓很低，弧根在動觸頭根部長時間停留，無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個斷口中必定有4個是長電弧、4個是短電弧，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

對于單斷點(diǎn)塑殼斷路器，其斷口必定出現(xiàn)2個長電弧和1個短電弧，或者是1個長電弧和2個短電弧。當(dāng)采用“左正右負(fù)”進(jìn)線方式時，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動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，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動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，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動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，單斷點(diǎn)塑殼斷路器的動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個長電弧和2個短電弧時，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Ρ菷ig. 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間比單斷點(diǎn)塑殼斷路器的分?jǐn)鄷r間縮短了約25%，大幅降低了動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?個方面，對1500 V直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的高直流電壓對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)嘈阅堋１疚倪€對單斷點(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)；動觸頭分別接觸正、負(fù)極，其應(yīng)對陰極短電弧的能力強(qiáng)。