光伏系统电涌保护器新国标的解读

/德州市气象局 李斌 窦俊杰/

光伏系统电涌保护器新国标的解读

/德州市气象局 李斌 窦俊杰/

应用于新能源光伏系统电涌保护器的首部国家标准将于2016年9月1日正式实施，填补了我国在光伏电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法方面的空白。对于提升新能源光伏系统雷电防护的水平将会起到极大的推动作用。对电涌保护器的制造厂商提高光伏电涌保护器产品性能，以及对新能源光伏供电系统合理选配光伏电涌保护器，有了一本国家级的指导文件。光伏电涌保护器新国标内容丰富，概括了当前国内外光伏电涌保护器（SPD）技术发展的水平，本文试图作一浅显的解读。

新能源；光伏供电系统；电涌保护器；新国标

0　引言

我国新能源领域中的光伏产业，这些年来的发展前景可观，光伏系统使用寿命要求达到25年，其中光伏系统雷电防护的能力一直备受关注。2010年欧盟首次颁布了光伏系统电涌保护器标准的最终稿，立即引起国内雷电防护和电涌保护器行业的高度重视。

2012年期间，上海防雷中心和TüV认证机构等防雷产品检测部门，都分别以不同的方式，在行业中对光伏系统电涌保护器标准发展开展了技术培训，介绍和讲解了EN 50539-11光伏电涌保护器的主要内容。

2013年，北京鉴衡认证中心为确保光伏系统的电涌保护器的质量、促进产品产业化和确保光伏发电系统安全稳定运行，结合金太阳鉴衡认证的实际需要制定了相应的认证标准，并与2014年初实施。

2013年，国家标委会也正式启动了光伏电涌保护器标准的起草工作，并指出标准制定目的和意义：“近两年是新能源产业的蓬勃发展时期，根据全球知名的太阳能市场研究和咨询公司Solarbuzz公司调查，2011年全球光伏发电需求继续飞速。”（见国标委《2013年第一批拟立项推荐性国家标准项目》）。

2016年2月24日，中国国家标准管理委员会正式发布了GB/T 18802.31—2016 《低压电涌保护器 特殊应用（含直流）的电涌保护器 第31部分：用于光伏系统的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法》国家标准，并将于2016年9月1日实施。这部首次颁布的国家标准是由上海市防雷中心和西安高压电器研究院有限责任公司牵头，国内知名品牌的电涌保护器、敏感元件制造厂商和认证机构参与起草，标志着我国雷电防护及其电涌保护器（SPD）行业迈向了一个新的台阶。

以下是对新国标部分条款的解读。

1　范围

GB/T 18802.31—2016规定了电涌保护器（SPD）的性能要求和试验方法。定义了该电涌保护器安装的位置是光伏系统直流侧，连接于额定电压不超过1500V 的光伏发电设备的直流电源回路中。其目的是为了减小雷电感应或直击雷对光伏发电设备直流侧的影响。

光伏发电设备不同于其他设备（如低压配电系统），具有不同特性，标准作了详尽描述，引述如下：

本部分考虑到光伏发电设备的以下特性：

——类似电流源的特性；

——标称电流取决于光照强度；

——短路电流几乎等于标称电流；

——以串联和/或并联组合的方式输出各种大小的电压、电流和功率，从几

百瓦（民用设施）到几兆瓦（光伏发电场）。

光伏发电设备直流侧这些特殊的电气参数，决定了对电涌保护器（SPD）测试要求的特殊性。这也是本标准为何要制定的意义所在。

范围中还明确了以下几点：

输入和输出分开，端子之间有特殊的串联阻抗为二端口电涌保护器（SPD）需要额外考虑。

连接在电池组和其他直流设备的光伏设备的电涌保护器（SPD）需要有额外的要求和试验。

制造商声明过载特性为短路模式的电涌保护器（SPD），为防止直流电弧对操作人员的伤害，在维护和更换时，必须要有特别的防范措施。

2　术语、定义和缩写词

标准中术语、定义和缩写词部分围绕着光伏发电设备的特性作了切合实际的表述。例如：试验类型只定义了Ⅰ类和Ⅱ类试验，没有Ⅲ类试验的具体定义。再比如：只定义了一端口电涌保护器（SPD），而没有二端口的定义。

针对光伏系统的特性，在电涌保护器术语和定义中有以下六个条款值得关注，引述如下：

3.1.6

保护模式 modes of protection

端子间的电流通路包含一个或多个保护元件，并且制造商声明了该电流通路的保护水平，例如+对-， +对地， -对地。

注：该电流通路中可能包含额外的端子。［EN 61643-11:2012，定义3.1.8］

3.1.7

SPD的电流支路 current branch of an SPD

一条在两个节点之间既定的电流通路，包含一个或多个保护元器件。

注1：SPD 的一条电流支路可能等同于 SPD 的一种保护模式。

注2：该既定电流通路不包括额外的端子。

3.1.11

光伏系统的大持续工作电压 maximum continuous operating voltage for

PV application Ucpv

可连续地施加在SPD保护模式上的大直流电压。

3.1.12

光伏系统的持续工作电流 continuous operating current for PV application

Icpv

当SPD依据制造商的说明连接，施加大持续工作电压 CPV U 时，流过其带电导线间的电流。

3.1.23

额定短路电流 short-circuit current rating

Iscpv

SPD与指定脱离器连接后可以承受的电源系统的大预期短路电流额定值。

［EN 61643-11:2012，定义3.1.27］

3.1.37

确定电气间隙电压 Voltage for clearance determination

U max

根据7.4.4施加冲击时得到的大测量电压，用于确定电气间隙。

［EN 61643-11:2012，定义3.1.47］

此外，在标准的术语、定义和缩写词中，基本上引用了EN 61643-11.2012的标准，体现了电涌保护器行业最新的技术水准。

3　分类

GB/T 18802.31—2016对电涌保护器（SPD）作了10个项目的分类，细分一下，或有11个分类项目，为便于理解，列表1如下。

表1　电涌保护器项目分类

其中，对连接结构的分类了解尤为重要，它与低压配电系统电涌保护器的保护模式有点相似，但有着本质上的区别，不能混淆。连接结构的图形如图1所示。

图1　连接结构图形

4　技术要求

在标准的第六章节，规定了光伏系统电涌保护器的技术要求，共计6项条款，有以下几个重点要求：

1）电涌保护器（SPD）I型连接结构，若用于Y型结构的话，则需要分别根据Ⅰ型和Y型结构的参数进行试验。Y型结构有一体化和分体式两种形式，而分体式的Y型结构可用I型结构连接而成，因此，两种参数都要进行验证和测试。

2）产品标识中，电涌保护器在光伏系统的最大持续工作电压，每种保护模式有一个Ucpv值，若Ucpv值相同，则只需一个值。另：在制造商声明每种保护模式的SPD类型和放电参数中，须靠近印制“PV”字母字样。标识的参考图如图2所示。

图2　标识参考图

3）对于连接于等电位连接导体端子的电涌保护器（SPD），需按制造商说明的接线方式连接并测量残流（IPE）。测量电压为电涌保护器（SPD）的最大持续工作电压（Ucpv）。须通过标准7.4.2试验来检验其是否符合要求。

4）SPD的过载特性是应用于光伏系统的一个极为重要的技术要求，引述条款如下：

6.2.5.2SPD 过载特性

SPD失效应不会造成危险的后果，或SPD应能耐受在SPD失效过程中可能出现的声称的预期短路电流Iscpv。

通过7.4.7的试验检验其是否符合要求。

该试验不适用于只包含电压开关型元器件的SPD。本试验也不适用于保护模式中一条电流支路仅含电压开关元件的SPD。

如果SPD的一条电流支路仅含电压开关元件，且这条电流支路接地，那么这种SPD不能用于接地的PV系统。在这种条件下，即使SPD没有进行试验，制造商也可以声明具有相应的保护模式。

如果如 7.4.7 中描述的内部和外部脱离器交替动作，则需要做一个附加试验。该试验的电流设定为外部脱离器的额定电流的5倍（如果没有超过Iscpv），且对时间不作要求。

由于在更换器件时产生的直流电弧可能危及人身和财产安全，具有过载特性短路模式的插入式SPD（不需要工具就能更换的SPD）需要制造商声明合适的断开方式。通过安装说明的检查来验证是否符合要求。

检查制造商声称措施效能的特别试验正在考虑中。

5　型式试验

型式试验分为标志的耐久性、电气试验和机械试验，共有10个试验序列，包含了输入/输出端子分开的一端口 SPD、户外型SPD和分离隔离电路SPD的附加试验。细分试验项目共计29项。其中，应予以关注的有以下几点：

1）残流（IPE）试验，是在直流和交流两种电源条件下进行试验，直流电源输出的试验电压为Ucpv。交流电源输出的试验电压则为峰值相当于最大持续工作电压Ucpv的50Hz的正弦电压。 残流（IPE）值不应高出制造商的声称值。

2）SPD的过载性能试验，这是应用与光伏系统的电涌保护器关键试验项目之一。它对试验电源、试验样品准备和短路电流Iscpv值都有着特殊要求。

光伏系统的电涌保护器（SPD）有两种预期过载特性，开路模式（OCM）的过载特性，其电源特性采用DC3或PV4（DC3仅基于制造商协定）。短路模式（SCM）的过载特性，则为PV4 。根据不同的SPD设计，试验时应采用电压为Ucpv /1.2 的电源。其中，DC3为线性直流电源，PV4为模拟光伏电源。其I/V特性图如图3所示。

图3　I/V特性

试品的准备要根据电涌保护器（SPD）不同的连接结构进行。L、U、△和Y型结构通俗来讲采用减一法，即将其中某一支路的电压限压元件用替代铜块连接。而I型的则要降低MOV的参考电压至50%～60%。其配置图如图4～5所示。

此外，标准中对短路电流Iscpv也作了明确规定。为便于理解，列表见表2。

表2　短路电流Iscpv规定

机械实验中，验证电气间隙使用Umax作为输入参数来确定，而爬电距离则以直流工作电压值来确定。标准中还明确规定，对于海拔2000m以上，需要参考EN 60664-1∶2007中表F.2来确定电气间隙。对于户内和类似环境的SPD，其设计应按污染等级2来进行。

湿热条件下的寿命测试，是对电涌保护器（SPD）在相对恶劣环境下，材料和器件使用寿命的考核。其条款引述如下：

7.6.1湿热条件下的寿命测试

测试依据标准EN 60068-2-78进行，并适用于每种保护模式的样品。

图4　SPD过载性能试验的试品准备（Y型和U型结构）

图5　SPD过载性能试验的试品准备（△型、L型和I型结构）

在试验开始前先测量Icpv以备参考。试品随后放入温度为40℃±2K，相对湿度为93±3%的环境箱500h。在试验过程中，每种保护模式被连接在一个预期短路电流至少为100mA的试验电源上，将直流电压调节至Ucpv。

7.6.2合格判据

试验后，将样品从环境箱中取出1h±10min后测量Icpv。

将样品从环境箱中取出1h±10 min后必须满足表6中的合格判据C，E和G。

6　结束语

以上例举了GB/T 18802.31—2016 《低压电涌保护器 特殊应用（含直流）的电涌保护器 第31部分：用于光伏系统的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法》的一些值得关注的部分条款，其实，在标准还有更多条款和细节值得深入解读。

光伏系统电涌保护器的使用条件中，标准描述的气压和海拔为：“气压在80～106kPa。对应的海拔为+2000m～-500m。”（见标准4.2）。从实际光伏系统电涌保护器（SPD）的应用来看，海拔确实有要求到达4000m高度的，而很少有要求在海拔为“-”的使用要求。那么，标准所定义的海拔为 -500m的使用条件，其意义在哪里呢？值得进一步思考。

电涌保护器的连接结构，常用的多为Y型结构，而在此基础上所衍生出来其他类型的连接结构，可能对于标准来讲，还需要对其性能要求和测试方法要有一个相应的阐述。

随着新能源光伏产业的技术迅猛发展，系统工作电压为1500V光伏发电设备也将逐渐普及应用，所配套的电涌保护器（SPD）也许会遇到一些新的问题，需要不断总结，并提升到标准的层面上来。

此外，一般电涌保护器除了性能要求和试验方法标准外，还有一个选择和使用导则的标准相配套，对于光伏系统电涌保护器而言，是否也应如此值得考虑。

总之，GB/T 18802.31－2016的颁布和实施，必将极大地推动我国新能源光伏产业雷电防护事业向前发展，并为其他新能源行业（如风电）等起到引领作用。

［1］GB/T 18802.31—2016 低压电涌保护器 特殊应用（含直流）的电涌保护器 第31部分：用于光伏系统的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法［S］.

［2］ CGC/GF 026：2013 （CNCA/CTS 0026-2013） 低压电涌保护器 特殊应用（含直流）的电涌保护器：用于光伏系统的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法 ［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］.