光伏发电用直流熔断器的额定电流计算方法与设计选型研究

刘 冉

(济南城投设计有限公司，济南 250000)

0 引言

目前，虽然中国对于与光伏发电相关的设计标准在不断完善，但仍无系统的、专门针对直流熔断器的设计规范，此方面的相关国际标准也鲜见详细解读。基于此，本文对IEC、NEC等国际标准关于光伏发电用直流熔断器的设计选型及其额定电流计算方法进行介绍，对不同标准之间的差异进行分析，并通过案例进行设计选型分析。

1 光伏发电用直流熔断器的作用和选型

光伏发电系统直流侧过电流保护用元器件可采用直流熔断器或直流断路器，这2种元器件均能够及时切除过电流故障，保护光伏组件免受外部短路故障的影响，防止事故范围扩大，是光伏发电系统中不可或缺的一部分。

中国民用或工业用电一般为交流电，其波形为正弦曲线，存在自然过零点，比直流电更易分断。因此，相较于同规格的交流断路器，直流断路器的价格相对更高。虽然直流熔断器也能可靠地分断过电流，且分断速度比直流断路器更快，但通常直流熔断器动作后不能再次使用，需要更换。尽管存在上述情况，由于直流熔断器的价格较低，其在光伏发电领域仍得到了大规模应用。

光伏组件厂家一般会在铭牌上标识光伏组件在标准测试条件(STC)下得到的短路电流ISC_MOD，但其值通常不高，考虑到光伏组件的版型、原材料不同，ISC_MOD值一般在5～20 A之间；而低压(380 V)交流配电系统的短路电流值可达几十千安。这就要求熔断器需要在相对较小故障电流时也能可靠地分断，对熔断器提出了更高要求。所以，光伏发电系统直流侧熔断器一般为光伏发电专用熔断器。

2 熔断器额定电流的相关标准研究

2.1 国内相关标准规范要求

目前，GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[1]中并未对光伏发电系统直流侧的设备如熔断器等的选型做出明确规定。

GB/T 13539.6—2013《低压熔断器 第6部分：太阳能光伏系统保护用熔断体的补充要求》[2](等同IEC 60269-6: 2010)中，主要对光伏发电用熔断器的约定熔断电流进行了更新补充，并未对此种熔断器的额定电流选型进行详细规定。该标准在其附录BB(资料性附录)的“BB.3.1额定电流”章节中仅进行了举例：“例如：在45 ℃和1200 W/m2辐照度峰值时，熔断体的额定电流应大于等于 1.4ISC_MOD”。

北京鉴衡认证中心公布的CNCA/CTS0001—2011A《光伏汇流设备技术规范》[3]中“5.2.4过流保护装置的选型”章节对光伏组串汇流箱内和光伏方阵汇流箱内使用的熔断器进行了详细规定，其所引用的公式及说明均来自IEC/TS 62548: 2013，但IEC/TS 62548: 2013已更新为IEC 62548: 2016，相关章节内容也已进行了更新。

根据GB/T 16895.32—2008《建筑物电气装置 第7-712部分：特殊装置或场所的要求 太阳能光伏(PV)电源供电系统》[4](等同IEC 60364-7-712: 2002)中712.433.1和712.433.2的规定，当电缆的连续载流量大于等于直流侧任何位置的ISC_MOD的1.25倍时，连接光伏组串和光伏阵列的电缆的过负载保护可忽略。但该标准中提到的上述要求仅是针对电缆保护的要求，对熔断器等过电流保护装置并无明确要求。

2.2 国外相关标准规范

对于 IEC 62548: 2016《Photovoltaic (PV) arrays—Design requirements》[5]，中国目前尚无与该标准对应的国家标准。该标准的2016年版本较2013年版本有所更新。2016年版本中的6.5.5条对光伏发电侧过电流保护进行了规定，6.5.5.1-a)条目中针对单个光伏组串时熔断器的过电流保护进行了规定，即：

式中：In为单个光伏组串的熔断器的额定电流值；IMOD_MAX_COPR为光伏组件的最大过流保护值，即光伏组件允许注入的与光生电流方向相反，但并不会使其发生热斑的最大电流。

6.5.5.1-a)条目还注明，考虑到高太阳辐照度条件，In计算最小值时设置了设计余量，取系数1.5。但在设计中还是应根据每个项目所在地的太阳辐照度、当地气温来确定，因为循环负载、成组熔断器及不同平行光伏组串间的不平衡穿越电流都会导致系数大于1.5。

值得注意的是，中国有研究[6]引用了IEC 62548 Ed.1.0 CDV，该研究认为“熔断体的额定电流应在(1.4～2.4)ISC_MOD的范围内”，该值明显与式(1)不符，但IEC 62548: 2013的6.3.6.1条目中的公式与式(1)相同。

6.5.5.1-b)条目规定了1个熔断器保护多个光伏组串时的选型要求，即：

式中：NG为1个熔断器保护的光伏组串数量；Ing为保护多个光伏组串的熔断器的额定电流值。

6.5.5.2条规定了光伏子阵列熔断器的选型要求，即：

式中：ISCS_ARRAY为光伏子阵列的短路电流；Ina为保护光伏子阵列的熔断器的额定电流值。

式(3)中，Ina计算最小值时取系数1.25，而不是式(1)中的1.5，这是为了给光伏发电系统设计者更多的灵活性，但设计者也必须考虑到某些高太阳辐照度地区可能出现的熔断器频繁熔断的情况。

本文对6.5.5.3条中提到的光伏方阵及其上级过电流保护的选型不再赘述。

根 据 NFPA 70—2011《National Electrical Code》[7]中条目690.8(A)的规定，光伏发电系统直流侧的最大电流值为1.25ISC_MOD。该值是考虑到实际的太阳辐照度会比STC下的1000 W/m2高后，在电路中可能出现的非故障最大短路电流值。

再根据NFPA 70—2011中条目 690.8(B)[7]光伏发电系统中过电流保护装置的额定值规定，过电流保护装置的额定电流值应选择大于等于条目690.8(A)中所计算的1.25ISC_MOD的1.25倍，即1.25×1.25ISC_MOD=1.5625ISC_MOD，这也是国内很多研究中提到的系数1.56的来源。其与IEC 62548:2016规定的1.5倍的设计余量相近。

综上可知，IEC 62548: 2016的要求更为详细。IEC和NEC规定的计算熔断器额定电流所需的设计系数主要考虑了2个因素：1)可靠性，即在故障情况下流过短路电流时，熔断器能够动作，但考虑到光伏组串间不平衡电流等因素后，则应乘以一个可靠系数，以防止熔断器误动作；2)由于ISC_MOD是在STC下测得的短路电流，项目所在地的太阳辐照度有可能比1000 W/m2高，因此光伏组件的实际短路电流会大于ISC_MOD。

对于国际标准IEC和UL关于熔断器额定电流要求的差别，本文不再详述。

3 设计选型举例

3.1 不同地区太阳辐照度对光伏组串用熔断器选型的影响

在中国，不同地区的太阳辐照度存在较大差别，根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录C[8]得到夏季不同纬度下太阳时12:00时水平面接收的总太阳辐照度，具体如表1所示。

表1 夏季不同纬度下12:00时水平面接收的总太阳辐照度Table 1 Total solar irradiance received by horizontal plane at different latitudes in summer at 12:00

从表1中可以看出，中国20°N～45°N区域在夏季12:00时的总太阳辐照度大于STC下的太阳辐照度1000 W/m²。

目前，随着光伏组件技术不断升级，中国大型地面光伏电站所用光伏组件类型已由以多晶硅为主升级为以单晶硅为主，光伏组件的光电转换效率也普遍超过20%。以某品牌型号为TSMDE18M(II)的500 Wp单晶硅光伏组件为例，其在STC下的参数情况如表2所示。

表2 某品牌单晶硅光伏组件参数情况Table 2 Parameters of a brand of mono-Si PV module

考虑到夏季极端温度情况，此时光伏组件的短路电流ISC_TMAX可修正为：

式中：Tmax为光伏组件最高工作温度，此处取 85 ℃。

将相关数据代入式(4)可得ISC_TMAX=12.486 A。

考虑到中国20°N～30°N地区(比如，西藏等地区)的太阳能资源丰富，则此情况下光伏组件的最大短路电流ISCmax=12.486×1.14=14.23 A=1.16ISC_MOD，并且ISCmax＜1.25ISC_MOD。

综上可知，由于太阳辐照度的原因，在中国某些区域也适用于NEC所采用的1.25倍的设计余量系数。

虽然短路电流的大小与太阳辐照度成正比，但在中国，即使最大太阳辐照度一般也应小于太阳常数(1367±7 W/m2)。若当最大太阳辐照度采用太阳常数时，光伏组件的最大短路电流ISCmax=12.486×1.367=17.07A=1.39ISC_MOD，并且ISCmax＜1.56ISC_MOD。

可见，在最极端环境情况下，按照1.56系数选型，光伏组件正常的短路电流值不会超过熔断器额定电流值。但此种情况下的设计余量已经较小，设计系数宜大于1.56，以保证光伏组件安全稳定运行。

3.2 多光伏组串并联时熔断器的选型举例

参考表2中光伏组件ISC_MOD的取值12.28 A，选用截面积为4 mm2的光伏专用电缆，则该电缆工作温度为80 ℃时的截面载流量I为35 A。光伏子方阵中光伏组串的并联数量N取4，则光伏组串的最大短路电流ISCMAX可表示为：

将相关参数值代入式(5)可得ISCMAX=36.9 A。

由于36.9 A大于电缆截面载流量35 A，因此单个光伏组串也需要设置熔断器保护，此时熔断器额定电流In的计算式为：

将相关数据代入式(6)可得In=19.2 A，此时需选择额定电流为20 A的熔断器；然后再根据光伏组串内光伏组件的串联数量等，选择合适额定电压的熔断器，这样熔断器就能很好地保护光伏组串。对可满足此情况下要求的型号为PV-20A10F的某品牌熔断器(圆柱形)参数进行列举，具体如表3所示。

表3 某品牌光伏发电用熔断器的参数表Table 3 Parameters of certain brand of fuses for PV power generation

3.3 小结

由于每个地区的太阳辐照度不同，因此在实际的光伏电站设计时，光伏发电系统直流侧熔断器的额定电流建议选择大于1.56倍的光伏组串额定短路电流 (即光伏组串汇流箱处的短路电流)，这个光伏发电系统的可靠性更高；而光伏方阵处及其上级的过电流保护可依此类推。但无论是1.5还是1.56都为推荐参考选型系数，设计者还应根据项目所在地的实际环境情况进行详细分析。

4 结论

本文对光伏发电用直流熔断器的选型及其额定短路电流计算方法进行了介绍，目前除了IEC和NEC标准中明确指出熔断器额定电流选型系数应采用1.5或1.56外，国内尚无与此对应的国家标准，GB 50797目前仍为2012年版本，后续版本应补充熔断器选型标准。在实际的光伏电站设计中，光伏发电系统直流侧熔断器的额定电流建议选择大于1.56倍的光伏组串额定短路电流 (即光伏组串汇流箱处的短路电流)，这样较为可靠；而光伏方阵处及其上级的过电流保护可依此类推。无论是1.5还是1.56都为推荐参考选型系数，设计者还应根据项目所在地的实际环境情况进行详细分析，这样才能有效保护光伏发电系统直流侧。