普兆小课堂 | 第三课 光伏快速关断

前面两节课我们讲到了光伏直流隔离开关和储能断路器的知识，本节课的重点内容：光伏快速关断。

定义：什么是光伏快速关断?

光伏快速关断，顾名思义就是快速地关断光伏发电系统。最早是由美国国家电工规范(National Electrical Code，简称NEC) 提出的概念，经过多年的更新，已形成一项严格的标准：光伏系统要具有“光伏危险控制系统”，使光伏系统在危急情况时是一个可控制的状态，利用“光伏危险控制系统”，关断光伏系统，在装置启动后30S内，界限范围外电压降低到30V以下，界线范围内电压降低到80V以下。

<2017版NEC690.12条款示意图>

原理：光伏系统为什么需要快速关断?

光伏电站起火容易，施救难。

在高电压的光伏系统中，组件热斑、组串失配、线缆破损、连接紧固和逆变器积灰等问题很容易造成光伏电站起火。光伏电站运维时间为25年，随着时间的推移设备老化，火灾事故几率呈指数上升。然而，在火灾发生时，仅仅关闭逆变器至电网的交流电的话，各组件之间以及组件至逆变器之间的直流侧依然存在几百甚至上千伏的高电压，如果消防员贸然施救，会对消防员的生命造成威胁。这种情况下，可能只能let it burn...

而快速关断可以切断组件至逆变器之间或者各组件之间的电流，给消防员营造安全的救援环境，降低火灾损失，保障人身财产安全。

<快速关断工作示意图>

选择：如何选择合适的快速关断产品?

在此背景下，各个光伏企业都推出了各自的快速关断产品。但是，目前市场上某些光伏快速关断其内置直流开关多是一些交流开关或其改进产品，这些开关的灭弧能力、额定带载切断功率都远远不够，易过热、变形，甚至起火，无法真正确保消防安全，反而给光伏系统带来更大的安全隐患。

那么，面对良莠不齐的快速关断市场，如何寻找最合适的产品，就成了用户最关心的问题。对此，普兆电气为用户做了如下总结：

选择专业度、知名度较高，尤其是通过国际认证的大品牌

快速关断常用的认证有CE-LVD认证、CE-EMC认证，TUV认证、UL认证等。其内置的直流隔离开关(组串式)主要有IEC60947-3(欧洲通用标准、亚太适用)、UL508(美国通用标准)、UL508i(针对光伏系统用直流开关美国标准)、GB14048.3(国内通用标准)等等。目前专业设计研发制造的国际大品牌都具备如上所有的认证，比如中国的普兆电气(Projoy Electric)。

选择产品型号齐全，技术、营销及售后服务网络完善的品牌

知名品牌的快速关断通常功率段齐全，比如普兆从单一组件级到1500V/50A多组串级各个系列都有，其专注于光伏系统专用直流开关和快速关断的设计和研发、生产，在细分领域内市场占有率和品牌知名度很高。

一般大品牌的快速关断开关有多种型号能满足不同场合需求，比如满足单个组件的组件式快速关断、满足组串式使用的组串式快速关断。普兆电气的快速关断分多种电压和电流等级、外置控制盒带锁和不带锁、多种颜色。其中组件式又细分成PLC版和DC24V版，一拖一、一拖二等等。满足不同地区、不同需求客户的多样化需求，完善的技术支持及营销、售后服务网络能保证整个产品在使用过程中能够得到及时的服务，真正做到买的安心、用的放心。

选择具备智能关断、紧急关断和远程关断，断电复电后自动复位等齐全功能的品牌

首先，快速关断应当具备能够自动检测环境温度功能，超温自动关断功能，此功能对于发生火灾第一时间切断高压直流电有及其重要的作用。尤其是对于一些家庭或工厂无人看护的房顶上。

第二，快速关断应符合消防员工作程序的国际标准。当光伏系统发生火灾时，人员可直接手动按急停按钮切断快速关断控制盒的交流电;另一方面，也可直接连接消防报警系统，在发生火灾的第一时间直接切断交流电，快速关断将收集交流失电信号，自动断开隔离开关断开直流侧，为消防员创造一个安全的环境。

最后，当交流电源关闭(例如在断电期间)后电源恢复时，快速关断能够自动复位并快速连接电路。客户不需要每次都手动重置。

选择通断能力高、灭弧效果好的品牌

通断能力、灭弧效果是考核快速关断的最重要指标之一。真正的快速关断都有专门的灭弧装置，灭弧效果很好。譬如组串式内置弹簧储能切换装置手柄和触头没有直接的连接，通断的时候不是直接旋转触头而断开，当手柄旋转或者移动到一个特定点时弹簧触发所有的触头“突然断开”，因此产生一个非常迅速的通断动作，极大地缩短了燃弧的时间，其它的譬如接触对、特殊自清洁设计、灭弧磁铁等对灭弧效果作用也非常大。一般国际一线品牌的光伏直流开关的电弧持续几个毫秒时间内即可被灭掉，比如普兆的组串式快速关断在5ms内进行灭弧，而一般由交流改良而来的电弧持续100ms左右。

选择材料阻燃和防护等级高的品牌

一般快速关断大都安装在室外，要求具有较高的阻燃特性及防护特性，防护等级至少要达到IP65。部分快速关断外壳采用塑料制品，具有自身的阻燃特性，质量好的能满足UL94V-0高标准;也有少数采用金属外壳，但采用金属外壳需要重新做接地防护，否则就有外壳漏电的安全风险。

<普兆组串级快速关断>

选型：光伏系统中快速关断选型步骤?

确认当地安规条款以及预算成本

根据国家和地区法规，如美国市场，针对组件电压有强制法规要求，那么只能选择组件级快速关断;如没有强制要求，可以根据光伏系统的配置、成本角度，选择组串级快速关断。相较于组件级快速关断，组串级快速关断对整个光伏系统的成本优势更明显，但也有“一定”弊端，比如组件级可以切断每块组件之间的电压，而组串级切断的是整个电池板和逆变器之间存在的直流电压。

需了解海拔、环境温度等对选型的影响

快速关断安装在组件和逆变器之间，其选型一般通过关键参数初步估算，同时考虑海拔、极端气温等环境因素影响留出足够裕量。光伏系统中组件的输出功率受天气、环境温度、逆变器MPPT跟踪等影响;其次，逆变器自身有最大容许输入直流电压和电流的限制，同时也受温度影响。比如辐照度一定的时候，在一定的温度范围内，短路电流随温度的升高而升高，开路电压随温度的降低而升高。

分析使用的环境和安装方式

根据使用的环境确定快速关断使用工作温度、防护、防火等级，一般质量好的以在-25℃到70℃正常工作、防护等级至少为IP65、防火等级达到UL94V-0为佳，户外使用的要带防水透气阀。

确定系统及组串电压、电流

所选择的快速关断允许最大电压需要能达到光伏组件或系统电压要求，组件的开路电压以实际光伏组件电气参数为准。系统电压有600V-1500V。一般接入单相逆变器的系统电压为600V，三相组串型或者电站型逆变器的系统电压达到1500V。

快速关断的选择参照如下经验：

电压=Ns×Voc×1.15

电流=Np×Isc×1.25

Ns-所需开断的光伏电池板串联数量

Np-所需开断的光伏电池板并联数量

Voc-电池板开路电压

Isc-电池板短路电流

1.15和1.25是经验系数

一般大品牌的快速关断都可以断开1000V的系统直流电压，甚至断开1500V的直流输入。

另外光伏组件不可能一直工作在最大开路电压和短路电流上，为了合理节约成本，一般组串快速关断也可以使用最大功率点电压和电流来做参考：

电压=Ns×Vmppt×1.15

电流=Np×Imppt×1.25

确定所需开断的组件或组串的数量

组件式需在满足开断电压范围内确定数量;

组串式的快速关断开断的数量≥组串的数量;

如果单个快速关断不满足，可以使用多个快速关断。

确定具体型号

在满足上述条件的基础上，需要从所倾向的品牌中选择具体型号。一般完全匹配的快速关断是很难找到的，一般留有一定的余量来选择高于理论计算的规格的。常见有16A、25A和32A，有些大厂家会有40A、55A、1000V或者1500V额定电压等级。

<普兆组件级快速关断>

综合以上几点，相信大家可以根据需要选择出最合适的快速关断产品。

目前欧美等发达国家对于快速关断的法律法规越来越健全，尽管对于国内来说，出于成本等一系列因素的考虑，助推光伏电站安全有序发展、全面推广安装快速关断仍然有一定困难，但各级也逐步出台了相关的安全标准，不得不说快速关断对光伏电站安全来说是一个非常重要的功能。

相信随着技术的不断进步、安规的普及落实、安全意识的逐渐加强，越来越多的快速关断将为更多电站保驾护航。

责任编辑：周末