深入浅出理解光伏直流系统(二)

引言：

1864年电气工业就采用铂丝作为熔断器来保护海底电缆。熔断器诞生于白炽灯的时代，拥有超过150年的应用历史。熔断器从未过时且由于公认的可靠性成为电气线路保护的常青树且被誉为线路保护“最后的防线”。熔断器对直流电气系统的线路保护可以追溯到1879年，汤伯生(S.P. Thampson)教授在当年生产了一种改进型的熔断器，它是由两根铁丝连接到一个金属球上。这个球是用铅、锡合金或其它低熔点的导电材料制成的。当有足够大的电流在足够长的时间内通过熔断器时，金属球就会熔化而坠落，从而导线分开，电路断开。

值得注意的是，大约在1890年以前，大部分电路采用的是直流电流，因此电路突然断开后，无疑会产生电弧。所以，熔断器的保护率先应用于直流环境，之后才应用于交流环境。熔断器的基本原理是让一小段导电材料在必要时熔断，使得被保护电路的健全部分免受损害，并使故障部分的损坏限制在尽可能小的范围。 根据额定电流的大小，熔断器可以由一根或数根熔体并联组成。当有足够大的过电流通过熔断器时，熔体熔化，随后产生电弧。[1]

图1 世界上早期用于直流的熔断器[1]

第一部分 熔断器标准—质量的基石

早在1931年，国际电工技术委员会IEC就已经明确：

(1)设计和生产的每个熔断器都应能在额定电流范围内持续地使用;

(2)过载引起电流超过某一规定值时，熔断器应当能在足够短的时间内动作，以保护设备免受损坏;

(3)当设备或线路发生事故时，熔断器应迅速动作，以使事故部分受损最小，同时不使健全部分遭受损坏。

所以，熔断器必须具有反时间-电流特性,对于任何使用场合，应当正确选用熔断器，一旦故障发生，能使故障程度得到正确鉴别，以避免不必要的断路。下面两个表格作者列出了低压熔断器的各类IEC标准和光伏行业应用的各国和地区的熔断器标准。

第二部分 熔断器在欧美国家光伏系统中的普遍应用

不是由于IEC(国际电工委员会)制订了光伏熔断器的相关标准，才推动了熔断器在光伏行业的普遍应用。而是由于在欧美国家参与设计与分析整个光伏系统的研究人员，经过仔细比较与衡量才选用了熔断器作为光伏直流系统中过电流保护的低压电器。

例如，John Wiles教授(受美国能源部委托研究光伏系统超过20年，同时也是作为美国太阳能标准委员会的资深委员)曾在2008年撰文指出，之所以在超过150V直流的环境下推荐采用熔断器作为过电流保护装置是由于电流等级、有效性和较低的成本综合考虑的结果[3]。

我们会发现在光伏组件的标签上都会标注有“series fuse”或“Maximum Series Fuse“一项，即与组件串联的熔断器的最大电流等级。

图2 . 组件背后技术参数标签上标明的串联熔断器的最大电流等级[3]

根据表3可知，由于光伏电池板制造工艺的不同，导致短路电流的差异性很大。所以在选择过电流保护装置时，由于熔断器的电流等级具备以下额定电流等级：

1,2,3,4,5,6,7,8,10,12,15,16,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,110,125,150,

175,200,225,250,300,350,400,450,500,600A一共37个电流等级(注：实际可以有更多的额定电流等级，20A及以下常用于直流汇流箱内)非常符合光伏电池组件的电流特性[ 请参考“深入浅出理解光伏直流系统(一)”]，既保证了能够顺利通过自身线路产生的短路电流，又能够非常快速有效地切除其他并联电池串的反向电流。并且熔断器结构简单、稳定可靠性高，价格合理，所以成为了欧美地区光伏直流系统占据压倒性优势的过电流保护装置。各个国家和地区的组件制造商都会在标签上都会标注有“series fuse”或“Maximum Series Fuse“一项。