光伏系統(tǒng)設(shè)計中絕緣電阻的考慮

云南拓日科技有限公司 ■ 普平貴 滕小華 李偉明

一 引言

目前光伏行業(yè)正歷經(jīng)空前的危機(jī)，產(chǎn)能閑置，行業(yè)整體虧損，破產(chǎn)傳言此起彼伏，與瘋狂期形成了鮮明的對比。但不可否認(rèn)，化石能源總有終結(jié)的一天，傳統(tǒng)可再生能源中能夠形成替代功能的水電開發(fā)總有限度，而且隨著自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生也帶來了諸多爭議；日本福島核事件也給核電的發(fā)展蒙上了一層陰影。近年來國內(nèi)發(fā)展迅猛的風(fēng)電在給人們帶來實惠的同時，大規(guī)模集中應(yīng)用也給電網(wǎng)帶來了很大挑戰(zhàn)，除電網(wǎng)本身需要不斷完善外，風(fēng)電本身的設(shè)計、管理和技術(shù)的提升也同樣迫切。目前，國內(nèi)光伏電力的發(fā)展日益成熟，政府也出臺相關(guān)的政策加以支持，國內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)容量從起步階段正逐漸進(jìn)入發(fā)展期，從2000年初的千瓦級至2011年的兆瓦級，發(fā)展可謂勢不可擋、大勢所趨。

不可否認(rèn)，光伏電力必將成為全社會的重要能源，但目前的事實同樣也需要理智認(rèn)知，國內(nèi)光伏發(fā)電還處于初期，國內(nèi)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)仍處于借鑒國外現(xiàn)有資料和經(jīng)驗階段。目前國外大規(guī)模應(yīng)用的西方發(fā)達(dá)國家，其單個系統(tǒng)本身容量較小，很少有非常大容量的單個電站。系統(tǒng)容量偏小自然系統(tǒng)電壓也就不高，德國萊茵TUV認(rèn)證測試的組件電壓為715V，IEC內(nèi)規(guī)定值為1kV。而國內(nèi)目前建設(shè)的項目，特別是2011年國內(nèi)裝機(jī)容量達(dá)到2.9GW的電站中，絕大部分為大型地面電站。大型地面電站由于受組件耐壓值的限制，目前直流系統(tǒng)部分均以1kV為上限，而并網(wǎng)逆變器的設(shè)計和系統(tǒng)直流部分設(shè)備的選型也與組件耐壓直接相關(guān)，導(dǎo)致直流系統(tǒng)電壓仍然較低，從而單位方陣基本以1MWp為單元。

就目前已經(jīng)設(shè)計并建設(shè)完成的項目中，人們在設(shè)計直流系統(tǒng)部分電壓時，并沒有把各設(shè)備在系統(tǒng)中組合后會導(dǎo)致系統(tǒng)整體絕緣電阻下降考慮在內(nèi)，也沒有把特殊環(huán)境狀況下絕緣電阻大幅降低所帶來的安全隱患做充分考慮，僅僅依靠各種設(shè)備自身的耐壓和絕緣阻值數(shù)據(jù)，這是不科學(xué)的。本文根據(jù)已建項目的實際測試數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果，為光伏項目設(shè)計者和電站運(yùn)營管理單位提供一些參考。

二 光伏方陣組串與絕緣

1 組串設(shè)計依據(jù)

目前國內(nèi)大型地面光伏電站設(shè)計時，基本以1MWp為一個單元，通過許多個相同的單元組合為一個電站。在一個單元設(shè)計上，將逆變器交流輸出做一次升壓為10kV，再二次升壓為35kV并入電網(wǎng)，或直接一次升壓至35kV并入電網(wǎng)，容量較大電站還升壓并入110kV電網(wǎng)。直流逆變交流部分一般采用兩臺500kW組合“主從”或“主從主”模式，將1MWp單元方陣直流逆變?yōu)榻涣麟姟?/p>

在1MWp單元方陣直流系統(tǒng)電氣設(shè)計上，根據(jù)光伏組件和逆變器的電壓參數(shù)以及當(dāng)?shù)貧鉁貥O值，設(shè)計一個組串需要配置的組件數(shù)量，再根據(jù)一個組串峰值功率容量在1MWp單元方陣內(nèi)的占比，配置一定數(shù)量的組串。一般以16路組串匯流進(jìn)一個匯流箱的形式配置多臺匯流箱，將整個1MWp單元方陣內(nèi)的組串匯流至機(jī)房直流配電柜，如圖1所示。

2 影響系統(tǒng)絕緣電阻因素

目前，IEC 61215-2005規(guī)定光伏系統(tǒng)在絕緣電阻檢測時相對濕度不得超過75%、測試絕緣電阻不小于1MΩ即滿足設(shè)計要求。設(shè)備實驗室檢測光伏設(shè)備的絕緣電阻和耐壓時，均對測試環(huán)境條件有明確要求。

在空氣相對濕度較大的條件下對電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻測試，其測量值與實際值差別較大，原因主要是受水膜和電場畸變的影響。當(dāng)空氣相對濕度較大時，絕緣物表面將出現(xiàn)凝露或附著一層水膜，導(dǎo)致表面絕緣電阻降低而表面泄漏電流增加。另外，凝露和水膜還可能導(dǎo)致導(dǎo)體與絕緣物表面電場發(fā)生畸變，電場分布更不均勻，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，直接影響測量結(jié)果。

表1為一段電纜在不同濕度下的絕緣電阻測試數(shù)據(jù)。由表1可見，絕緣電阻對濕度變化很敏感，相對濕度增加，絕緣電阻降低。當(dāng)環(huán)境的相對濕度大于75%，一般在絕緣材料表面會出現(xiàn)微小的水珠或薄薄的水膜。

表1 不同濕度電纜絕緣電阻實驗數(shù)據(jù)

同時在建設(shè)的電站中，絕緣電阻值還受溫度、機(jī)械震動等因素的影響。溫度升高會導(dǎo)致絕緣材料的離子活動和游離機(jī)會增加，使離子數(shù)目相應(yīng)增多，離子性電導(dǎo)電流加大，絕緣電阻下降；強(qiáng)烈、持續(xù)震動可導(dǎo)致絕緣材料原有的物理和機(jī)械性能的改變，破壞其絕緣強(qiáng)度。此外，由于介質(zhì)的吸收性能不同，絕緣電阻也常隨加壓時間的長短而變化。

此外，濕度過高會使空氣的絕緣性能降低，而開關(guān)設(shè)備中很多地方是靠空氣間隙絕緣的。另一方面空氣中的水分附著在絕緣材料表面，使電氣設(shè)備的絕緣電阻降低，特別是使用年限較長的設(shè)備，由于內(nèi)部有積塵吸附水分，潮濕程度將更嚴(yán)重，絕緣電阻更低。設(shè)備的泄露電流大大增加，甚至造成絕緣擊穿，產(chǎn)生事故。

潮濕的空氣還有利于霉菌的生長。實踐表明，溫度25～30℃、相對濕度75%～95%是霉菌生長的良好條件。所以，如果通風(fēng)不好將會加快霉菌的生長速度。霉菌中含有大量的水分，會使設(shè)備的絕緣性能將大大降低。對一些多孔的絕緣材料，霉菌根部還能深入到材料的內(nèi)部，造成絕緣擊穿。霉菌的代謝過程所分泌的酸性物質(zhì)與絕緣材料相互作用，也會使設(shè)備絕緣性能下降。

因此，在電站運(yùn)行過程中，水分、溫度和氣壓是影響系統(tǒng)絕緣電阻的基礎(chǔ)因素，由于此三種因素的共同作用，將直接影響電站電氣設(shè)備的絕緣電阻。對于高緯度、高海拔的雨雪地帶以及處于低緯度的熱帶地區(qū)，雪、雨水與太陽輻射的并行出現(xiàn)或頻繁交替發(fā)生，必然會大大降低系統(tǒng)的絕緣電阻值，將對設(shè)備安全運(yùn)行和運(yùn)營管理人員安全構(gòu)成威脅。

三 光伏系統(tǒng)直流線路的絕緣電阻測試

在我公司承擔(dān)的云南冶金集團(tuán)技術(shù)中心實驗研究基地內(nèi)1MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)(圖2)中，部分設(shè)備配置和安裝為：組件峰值功率為185Wp，72片125mm×125mm單晶硅電池片串聯(lián)；匯流箱為16路組串接入；接入?yún)R流箱的每個組串共計有17塊組件串聯(lián)；光伏陣列放置在屋頂彩鋼瓦面上，組件通過鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)支撐；每個組串至匯流箱的正負(fù)極引線用金屬管做保護(hù)。

用絕緣電阻測試儀DC 1kV檔位做以下測試：

(1) 正常條件下測量

拆卸匯流箱內(nèi)正負(fù)極接地防雷器，組串正負(fù)極進(jìn)線與匯流箱正負(fù)極母排正常連接，測量匯流箱正極母排對地絕緣電阻為8.4M?，負(fù)極母排對地絕緣電阻為37.2M?。

(2) 匯流箱正負(fù)極對地絕緣電阻測量

當(dāng)16路組串正負(fù)極均不接入?yún)R流箱，測量匯流箱正負(fù)極母排對地絕緣電阻均為無窮大。

(3) 組件正負(fù)極對地絕緣電阻測量

選取組串內(nèi)一塊組件，在安裝支架上單獨(dú)測量其正負(fù)極對地絕緣電阻，正極對地絕緣電阻為3G?，負(fù)極對地絕緣電阻為3.1G?。

(4) 組串至匯流箱之間線路絕緣電阻測量

單獨(dú)測量組串正極出線點(diǎn)至匯流箱正極進(jìn)線點(diǎn)的連接電纜的接地電阻，測量該線路匯流箱側(cè)對地的絕緣電阻為5.2G?，組串側(cè)對地的絕緣電阻為無窮大。

5 測量匯流箱在組串回路內(nèi)對整體絕緣電阻的影響

當(dāng)組串負(fù)極并在匯流箱負(fù)極母排時，測量該組串匯流箱側(cè)正極端對地絕緣電阻為11.6M?；當(dāng)組串負(fù)極不接入?yún)R流箱負(fù)極母排時，測量該組串匯流箱側(cè)正極端對地絕緣電阻為187M?。

除以上5項測量外，為檢測組串內(nèi)串聯(lián)組件數(shù)量對組串回路整體絕緣電阻的影響，組串的正負(fù)極均并在匯流箱的正負(fù)極母排，分別將組串的第1、2、3塊組件，直至第17塊組件的負(fù)極從組串中拆下，分別測量負(fù)極端對地的絕緣電阻。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)測量的現(xiàn)有串聯(lián)組件、組串正極至匯流箱正極母排間線路和匯流箱設(shè)備整體絕緣電阻，隨著串聯(lián)組件的減少，絕緣電阻逐步升高。

通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，單一設(shè)備的絕緣電阻值均很大，但隨著設(shè)備的串聯(lián)組合數(shù)量增加，整體絕緣電阻在不斷下降。在雨天用同樣的方式測量同樣的設(shè)備和組串絕緣電阻時，其測量值更低。

四 光伏組串絕緣電阻實驗

在實驗室選取規(guī)格相同、峰值功率為90Wp的10塊單晶硅組件，將其串聯(lián)為一個組串，并排斜靠在墻壁上，地面用金屬板鋪墊，以保證10塊組件的邊框與其可靠接觸，用絕緣電阻測試儀DC 1kV檔位，做以下實驗：

(1) 所有組件均干燥的條件下，測量組串正極對邊框的絕緣電阻為300M?；

(2) 在靠近組串正極側(cè)的第1塊組件的正面玻璃上均勻噴灑水珠，測量組串正極對邊框的絕緣電阻。起初絕緣電阻基本不發(fā)生變化，但水珠匯集在一起，并且向下流至組件邊框時，絕緣電阻迅速下降。此時不停向組件正面玻璃和邊框噴灑水，使組件正面玻璃和邊框表面形成水膜的面積增大，絕緣電阻逐步往下降低，最低降至48M?；

(3) 當(dāng)在10塊組件的正面快速噴灑水珠時，組串正極對邊框的絕緣電阻下降更快，實驗測量到的最低值為9M?。停止噴灑，隨著玻璃表面 的水珠逐漸干燥，絕緣電阻又逐漸上升。

通過實驗證明了工程現(xiàn)場不同條件下測量數(shù)據(jù)的可靠性。雖然實驗數(shù)據(jù)比電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)較為理想，但電站現(xiàn)場影響絕緣電阻的因素更為復(fù)雜，特別是運(yùn)行一段時間后，由于潮濕空氣和雨水的作用，常年處于高溫高濕的熱帶地區(qū)，系統(tǒng)整體絕緣電阻的變化還會進(jìn)一步加劇。

五 結(jié)語

雖然光伏發(fā)電應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年，但以往項目主要以離網(wǎng)和小型并網(wǎng)形式出現(xiàn)，運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)收集條件和范圍有一定限制。目前光伏發(fā)電走向大型化，系統(tǒng)絕緣電阻問題也將逐步顯現(xiàn)。對于濕度較大的地區(qū)和時期，雪和雨水頻繁的地區(qū)和時期，項目設(shè)計上需要特別考慮直流系統(tǒng)的絕緣電阻值受環(huán)境的影響。在熱帶高溫高濕地帶，還需不斷跟蹤電站運(yùn)行期直流系統(tǒng)絕緣電阻的變化情況，適時對絕緣電阻降低的部位及時修復(fù)調(diào)整。同時也收集更多可靠的運(yùn)行期數(shù)據(jù)，為新項目的設(shè)計提供更多依據(jù)。

[1] 歐陽潤澤. 濕度對絕緣電阻的影響及解決方式[J] . 電氣時代,2001, (12): 37－38.

[2] CGC/GF003.1:2009, 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工程驗收基本技術(shù)要求[S] .

[3] IEC60068-3-4:2001, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗濕熱試驗導(dǎo)則[S] .