非隔离型光伏逆变器电气安全距离设计

西安麦格米特电气有限公司 刘 勇

深圳麦格米特电气股份有限公司 李 志

光伏逆变器是一种双向电源系统的电力电子设备，一般输入和输出电压高、户外使用、非隔离，因此电气安全隔离设计至关重要。本文从光伏逆变器的安全应用角度，提出光伏逆变器需要绝缘设计的位置，针对绝缘设计的位置，结合绝缘类型、工作电压、海拔、材料等级、暂态电压、冲击电压等应用场景，进行绝缘设计分析和设计，使之满足光伏逆变器的电气安全距离设计要求及现场的安全应用。光伏逆变器是将光伏（PV）太阳能电池板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电（AC）的逆变器，可以并网到输电系统，亦可供离网的电网或负载使用。

光伏逆变器是一种双向电源系统，其具有以下特点：（1）输入侧为PV电源系统，输出侧为AC电源系统，且输入和输出电路不隔离。（2）光伏逆变器的输入和输出电压较高，一般输入电压为500～1000 Vdc，最高到1500 Vdc，输出电压一般为220～400 Vac，最高达800 Vac。（3）逆变器在户外使用，使用环境较恶劣。因此，光伏逆变器特殊的电气特性及应用场景，决定了光伏逆变器需要进行良好的电气安全绝缘和电气安全距离设计。

1 光伏逆变器电气绝缘和防护设计要求

光伏逆变器在目前的大部分应用中，通过金属外壳对带电部件进行隔离和绝缘，外部仅有绝缘的输入和输出线缆及可触及的外部通讯线缆。从电气绝缘和安全的设计要素考虑，需要进行绝缘设计的部位包括带电部件对机壳的安全绝缘和带电部件对外部通讯电路的安全绝缘。光伏逆变器与一般的电气工业产品一样，其电气绝缘设计需要达到加强或双重绝缘的设计要求，接大地被认为是能提供一重保护。因此，系统带电部件到接地外壳的绝缘需要达到基本绝缘的设计要求，带电部件到外部可触及通讯电路要求达到加强或双重绝缘的要求。

2 光伏逆变器电气绝缘系统分析

光伏逆变器系统主要包括BOOST升压电路、逆变电路、控制电路及外部通讯电路。从图1看出，光伏逆变器的PV输入升压电路和逆变器输出电路之间没有隔离，而控制电路需要采用BOOST电路及逆变电路的电压、电流并对这些开关电路进行控制。从电路功能、简化设计、节约成本的角度考虑，一般不再对输入输出带电电路与控制电路进行特别的隔离和绝缘设计，而是统一按功能绝缘进行设计。

图1 光伏逆变器电气绝缘示意图

金属防护外壳在正常操作过程中容易触及，属于可触及的部件。从安全角度考虑，光伏逆变器常常设计为I类设备，因此，金属外壳必须可靠接地，达到冗余接地设计和保护接地截面积的要求，即带电部件和金属接地外壳之间必须满足基本绝缘的电气安全和距离设计。外部通讯电路需要在各个系统之间进行通讯，而且需要接到通讯中心进行管理和维护。通讯电路不接地，一般作为II类绝缘结构存在，因此，通讯电路和带电部件需要进行加强绝缘的电气安全和距离设计。经过上述分析，从图1看出，1和2为需要进行电气安全和距离设计的位置，3和4属于功能绝缘的位置。

表1 电压电路的绝缘电压要求

3 电气安全距离设计

3.1 电气间隙设计

（1）系统电压的确定

由于光伏逆变器为双向电源系统，电气安全距离的确定以系统电压为参考电压。PV测的系统电压为PV侧开口电压。交流输出的连接一般具有TN、TT、IT三种连接方式。对于TN、TT系统，系统电压为相对地电压。对于IT系统，相电压对虚拟中点的电压作为决定冲击电压的系统电压，而相与相电压作为决定暂态过电压的系统电压。

（2）过电压等级类型的决定

电气间隙除了需要考虑系统电压外，还要考虑系统中承受的过电压类型。对于光伏逆变器，其直流侧定义为II类过电压等级。对于交流测，如果直接连接到电网则定义为过电压等级OVC IV；如果通过升压隔离变压器并网，则电网侧的过电压等级定义为OVC III。

（3）冲击电压和暂态瞬变的决定

对于开口电压为1000 V的PV输入电压，380 V交流输出电压的光伏逆变器。从PV测看，其工作电压为1000 Vdc；从交流测看，工作电压为380 Vac，其电压一般为电网所钳位。

对于连接到TN系统的电网，光伏逆变器交流测系统电压为220 V，如果直接并网，根据IEC62109-1及表1，其决定的冲击电压为6000 V，决定的暂态过电压为2120 Vdc/1500 Vac；对于直流侧1000 Vdc， 根据IEC62109-1及表1进行插值，决定的冲击电压为4464 V。决定电气间隙设计时，根据交直流不同的工作电压、冲击电压、暂态电压三者取最严酷者进行设计。

对于连接到IT系统的电网，决定冲击电压时，光伏逆变器交流测系统电压为220 V，这类系统一般非直接并网，按表1，则决定的冲击电压为4000 V。决定暂态电压时，光伏逆变器交流测系统电压为380 V，根据IEC62109-1及表1，决定的暂态电压为2550 Vdc/1800 Vac；对于直流侧1000 Vdc，根据IEC62109-1及表1，决定的冲击电压为4464 V。对于IT系统，决定电气间隙设计时，同样是根据交直流不同的工作电压、冲击电压和暂态电压三者取严酷者进行设计。

（4）海拔对电气间隙设计的影响系数

一般标准定义的电气间隙设计值是针对于2000 m海拔的设计数值，海拔因子为1。光伏逆变器由于其应用环境较复杂，往往会应用于较高的海拔，海拔对电气间隙设计的影响系数也至关重要，根据IEC62109-1及表2，海拔对电气间隙的影响系数如表2。

表2 电气间隙的海拔影响因子

（5）电气间隙设计

对于与连接到TN系统的电网，光伏逆变器交流测系统电压为220 V，如果直接并网，决定的冲击电压为6000 V，决定的暂态电压为2120 Vdc/1500 Vac；对于直流侧1000 Vdc，决定的冲击电压为4464 V。按IEC62109-1及表3，6000 V冲击电压对应的电气间隙设计值为5.5 mm；按IEC62109-1及表3，2121 Vdc暂态峰值电压对应的电气间隙设计值小于3.0 mm；PV侧1000 V系统电压对应的冲击电压为4464 V，按IEC62109-1及表3，4464 V冲击电压决定的电气间隙设计值为3.8 mm；按IEC62109-1及表3，1000 V的工作电压对应的电气间隙为1.5 mm。因此，系统电气间隙最终设计值取最严酷者为5.5 mm。对于4000 m海拔，系统电气间隙设计值为5.5×1.29=7.1 mm。

表3 电气间隙设计参考表

对于与连接到IT系统的电网，决定冲击电压时，光伏逆变器交流测系统电压为220 V，如果非直接并网，则决定的冲击电压为4000 V；决定暂态电压时，光伏逆变器交流测系统电压为380 V，则决定的暂态电压为2550 Vdc/1800 Vac；对于直流侧1000 Vdc， 决定的冲击电压为4464 V。通过IEC62109-1及表3可以看出，由直流侧4464 V冲击电压决定的电气间隙为3.8 mm；由暂态峰值电压2550 V决定的电气间隙为3.0 mm；由交流测4000 V冲击电压决定的电气间隙为3.0 mm；由系统最大工作电压1000 V决定的电气间隙为1.5 mm。因此，系统电气间隙最终设计值为3.8 mm，对于海拔为4000 m，则系统电气间隙设计值为3.8×1.29=5.0 mm。

加强绝缘的电气间隙设计值为上述基本绝缘冲击电压的下一个冲击电压对应的电气间隙设计数值。

3.2 爬电距离设计

（1）工作电压的决定

针对PV输入1000 Vdc，交流输出380 Vac的光伏逆变器，其系统最大工作电压有效值为1000 Vdc，此电压作为爬电距离设计的参考电压。

（2）材料等级的决定

从绝缘材料的漏电起痕指数来分类，绝缘材料的等级分为CTI I、CTI II、CTI IIIa、CTI IIIb。同一工作电压下，不同绝缘材料的CTI等级对应不同的爬电距离设计数值。

对于陶瓷、玻璃等不会引起漏电起痕的绝缘材料，其爬电距离可以降低到电气间隙的设计数值。但电气间隙大于爬电距离时，将电气间隙作为爬电距离设计数值。

对于PCB表面的爬电设计，其PCB CTI等级需要大于等于IIIa。

（3）污染等级的决定

光伏逆变器的应用环境一般为户外，因此其污染等级为PD3。在户外使用时，内部电路考虑防水和防尘设计，在外壳的防护等级大于IP54时，其内部电路的污染等级可以降低为污染等级PD2。

对于PCB内层的同层绝缘布线，一般按PD1的污染等级进行爬电距离设计，电气间隙设计与PCB表面一致；或者按固体绝缘进行设计，满足热循环及绝缘测试的要求，此时将内层布线设计为1 mm进行热循环试验及绝缘试验，如果测试通过，则内层可按1 mm进行固体绝缘设计，否则加大内层绝缘设计的距离并重新试验，直到满足试验要求。PCB上下层的至少大于0.4 mm，以满足绝缘穿透绝缘的设计要求。

（4）其他绝缘材料的考虑

对于光伏逆变器，除了PCB的绝缘部件外，还有变压器绝缘材料、麦拉片绝缘膜等绝缘材料，这类材料一般没有按绝缘材料CTI等级进行划分，因此在按其他绝缘材料进行爬电距离设计时，一般按CTI IIIa、IIIb的材料等级进行爬电距离设计。

（5）爬电距离设计

针对1000 V输入，380 V输入的光伏逆变器，由于其最大工作电压有效值为1000 Vdc. 因此对于PCB表层布线，需要满足5 mm的基本绝缘要求，基本绝缘需要满足1 mm/200 V的设计。对于其他绝缘材料，如隔离变压器内部，由于其材料一般都为IIIa、IIIb，因此其爬电距离至少为10 mm；对于PCB内层的同层布线，1000 V工作电压下，其爬电距离最小3.2 mm，如果计算的电气间隙小于爬电距离，则PCB内层的同层之间的绝缘布线最小为3.2 mm，否则为电气间隙设计数值；对于PCB各个层之间绝缘穿透距离，最小为0.4 mm或者至少2层的PP模达到双重绝缘的要求。

爬电距离和电气间隙设计值需要协调设计，即计算的爬电距离小于电气间隙时，爬电距离应该上升到电气间隙设计数值。加强绝缘的爬电距离为上述基本绝缘的爬电距离设计的2倍。

4 功能绝缘的安全距离设计

对于功能绝缘的设计，电气间隙设计值为可以通过降一级过电压等级进行设计，功能绝缘的爬电距离与基本绝缘的爬电距离设计值一样。如果功能绝缘的设计值小于要求的数值，则需要PCB的阻燃等级达到V-0，PCB材料的CTI等级为IIIa及以上，并且满足PCB短路试验测试要求，即短路试验后不发生着火或电气绝缘损坏的情况。

针对图1中3的位置，1000 V输入电路的功能绝缘的距离需要达到5.0 mm的要求；图1中4的位置，380 V输出的功能绝缘的距离，在不考虑海拔时，至少要达到3.0 mm的设计要求。

结语：本文通过对一种非隔离的光伏逆变器的电气绝缘系统进行分析，提出了绝缘设计的要求，并针对绝缘设计的要求进行电气安全距离设计，能有效的保证光伏逆变器的电气安全要求及绝缘可靠性要求。