戴建偉，德國萊因TÜV大中華區太陽能及燃料電池技術服務部 副經理

 

2016年，中國以突破34GW的年總裝機量連續四年領先全球光電市場。除了炙手可熱的裝機熱潮之外，業界也在不斷探討，如何以更先進的技術讓光電系統的發電成本持續下降，同時優化轉換效率。直流1500V電壓系統相比常規的1000V系統，可以減少直流側組串數，從而減少光電電纜用量和直流匯流箱數量，降低直流線路損耗，減少安裝成本。同時，電流不變的前提下提升電壓，意味著匯流箱、逆變器等電氣設備單位功率密度的提高，從系統上降低光電發電成本，提高系統轉換效率。從全球市場來看，北美和歐洲的大部分系統也正逐步轉向直流1500V。

那麼，直流1500V系統對光電逆變器及其他核心模組設計提出了怎樣的技術挑戰？元件製造商該如何應對？德國萊因TÜV大中華區太陽能及燃料電池技術服務經理戴建偉先生就此話題為業界提供了應對思路和解決方案。

 

直流1000V和1500V系統要求，差異在哪裡？

IEC/EN 62109-1/2標準具體規範了光電逆變器的安全要求，涉及七大危害防護：電氣、機械、過溫、防火、化學、雜訊、液體氣體爆炸危險。直流1000V和1500V系統安全設計要求的區別主要集中在電氣安全。

標準規定，安全可觸及部分和危險電壓部分必須要有可靠的防護以確保安全。防護方式有以下4種：

• 隔離防護
• 阻抗防護
• 限壓防護
• 接地保護

那麼，相對於1000V系統，怎樣的防護才能滿足1500V系統的要求？

隔離防護是利用電氣間隙和爬電距離來阻隔危險電壓對人接觸安全可觸及部分時造成的觸電危險，是電氣安全防護中常用且可靠的方式。

德國萊因TÜV指出，在電氣間隙的要求上直流1000V和1500V沒有差異。但是，直流1500V系統的爬電距離要求比1000V系統提高較多，對現有的逆變器及相關元件的安全設計造成一定挑戰，詳見下表：

 

針對爬電距離要求升級的安全防護設計解決方案

爬電距離的提升對逆變器及元件製造商來說是個很大的挑戰，有沒有好的辦法可以解決？德國萊因TÜV提出了一種有效的解決方案：

標準明確定義了影響爬電距離的四大因素：污染等級、工作電壓、絕緣材料組別和絕緣類型。其中降低污染等級可以大幅降低爬電距離的限值要求，是可以滿足標準要求的可行措施，而灌膠與塗層就是降低污染等級的有效手段。

使用灌膠與塗層後，改變非常明顯。從下表可以看到，由於污染等級從2類變為1類在直流1500V系統中，基本絕緣和加強絕緣的限值分別從之前的15mm和30mm降到了5.2mm和10.4mm。

評估灌膠與塗層的關鍵測試有哪些？

根據IEC 60664-3，評估灌膠與塗層有以下關鍵測試：

• 目檢。這不是純粹依靠肉眼就能完成，測試需要將PCB板放大10倍後，檢查灌膠與塗層材料是否有膨脹、起泡、裂痕、與底部基材脫離等不滿足要求的情況；
• 低溫測試：-25℃，或以產品說明書定義的最低使用溫度，持續96個小時；
• 乾熱測試：125℃，或以產品說明書定義的最低使用溫度，持續1000小時；
• 快速溫變測試：50個迴圈/單個迴圈1小時/溫變速度≤30秒；
• 靜態電壓下的濕熱測試：40℃/93%濕度、持續時間96小時；
• 附著力測試：考核塗層與PCB板基材的結合程度；
• 潮態處理：40℃/93%濕度、持續48小時；
• 絕緣電阻測試；
• 耐壓測試；

 

（灌膠與塗層的測試項目）

 

如果能夠順利通過測試，則可以認定該灌膠與塗層符合標準要求。

德國萊因TÜV指出，提高絕緣材料組別也是降低爬電距離限值要求的另一種方式，但此種方式存在以下問題：

1.高組別的絕緣材料對廠商來說意味著更高的成本；

2.逆變器結構複雜，涉及的絕緣材料多種多樣，如採用隨機測試的方式進行驗證，需要提供標準試樣的種類和數量較多，一些模組的絕緣材料試樣比較難以獲得，例如光耦；

3.即便所有種類的絕緣材料全部符合了所要求的絕緣組別要求，一旦廠商需要更換某個涉及絕緣的零組件，新增的可選零組件仍需提供絕緣試樣進行隨機測試；

4.即使採用最高組別的絕緣材料CTI ≥600，其對應的爬電距離限值仍高於污染等級為1時的爬電距離要求，達到基本絕緣5mm和加強絕緣15mm；

相比較而言，採取降低污染等級的方式，雖然前期認證成本較高，但對廠商而言，後期的維護成本較低，增加的成本只涉及灌膠/塗層的材料，不影響其它元器件的更換。

直流1500V系統中的零組件選擇要求

德國萊因TÜV指出所有的相關元件需要具備IEC或EN相關標準的德國萊因TÜV或相關認證，額定工作電壓必須符合直流1500V的規格要求。以下是分別針對防雷裝置、直流側保險絲、直流側斷路器所進行的總結：

防雷裝置：

 

直流側保險絲：

 

直流側斷路器：

廠商應選擇與系統電壓相符的認證零組件。

除此以外，德國萊因TÜV還特別提出直流1500V系統還需要非常重視以下問題：例如直流拉弧和PID防護等。