作者：ABB中国低压产品业务部营销和销售总工程师   张强 

   在利用可再生能源的各项技术中，光伏发电因其自身的诸多优势，具有远大的发展前景。逆变器作为光伏发电系统的重要组成部分，特别是其中占到大部分份额的集中型逆变器，其市场在近几年中得到快速的发展。尽管政策的变动、市场的不稳定性让整个光伏发电行业的发展经历了一段低谷，但是经过技术创新等途径，逆变器企业依然继续前行。与逆变器企业同步，低压电器厂商也在根据光伏发电行业的需求变化，不断地研发新产品、新技术，因而市场上涌现出许多性能优异的光伏发电专用低压产品。下面将从太阳能能源系统对低压电器的要求，结合ABB公司低压产品在光伏行业的实际应用经验来介绍这些专用低压产品。
 
太阳能能源系统对低压电器的要求
    相关国际标准和规范对于太阳能发电设备早有明确的规定。IEC标准60364-7-712（太阳光电能源供应系统）536.2.1.1中要求，“维修太阳能发电系统的逆变单元时必须在其直流侧和交流侧都加隔离”,536.2.2.5中要求“在太阳能发电系统的逆变单元直流侧必须用隔离开关”。美国国家电气规范条款690要求“必须将太阳能发电系统中的带电导体与建筑物中的导体完全隔离开”，“必须将逆变器、蓄电池组、充电控制器等设备与其它所有的不接地导体隔离开”。从以上标准可看出，太阳能能源系统要求在逆变器的直流侧和交流侧必须选用相关的低压电器实现隔离、保护及控制。参见图1所示。
   为了便于分析和认识光伏发电领域对于低压电器的技术要求，首先从逆变器的技术数据来看，以ABB公司 PVS800-57-0250kW-A250kW集中型逆变器（图2）的技术数据为例（见表1）。
 
   参考上述集中型逆变器直流侧的主要技术数据可以发现：直流侧的电压范围在450~750V，最高电压达900V。对于低压断路器来说在高电压等级下分断直流非常困难，因为不同于交流电路，直流电路的整个分断过程没有过自然零点和反电势的情况。所以，整个灭弧过程都必须由触头和灭弧室来消耗分断产生的电弧能量，对动触头、静触头的耐压性能和灭弧室的电弧导引设计都提出相对更高的要求。普通的交流断路器在没有经过专门的设计和相关分断试验的情况下，无法保证其在直流电网的分断能力，实际分断能力会远远低于交流电的情况，甚至发生分断失败导致逆变柜烧毁。由此可见，光伏逆变器直流侧的高电压和直流的应用环境给低压电器带来严峻挑战。在此将重点对直流应用的低压电器的新技术做阐述。[page]
    相对于逆变器交流侧，表2中列举出的交流侧技术参数完全在低压电器额定的应用范围之内，因此可选择常规的低压电器产品，对于其中的低压电器的应用在此不再赘述。

逆变器直流侧的低压断路器
   为了满足光伏直流侧的要求，在低压断路器产品上需要特殊设计来提高断路器的直流灭弧效率和能力。除了在断路器主触头上采用增加动热稳定性的改良设计和耐热、耐灼烧级别更高的合金材料之外，还必须考虑断路器灭弧栅片的材料和形状设计对分断所起的作用，以及断路器的材料和灭弧室承受电弧冲击的耐受能力。
从提高直流灭弧效率来说，一般低压断路器主要有几种工艺设计手段。首先是改进灭弧室金属栅片的材料和排布结构，以及灭弧栅片的形状。由于灭弧栅片的形状会影响电弧进入灭弧室的速度和深度，而且就直流电而言，提高电弧引弧的效率并不容易，所以栅片的设计和材料的选用就更加重要。
   目前比较流行的设计方案也是一些知名厂商已经采用的设计是灭弧栅片窄缝设计，这种设计减小了电弧进入灭弧室的阻力并拉长了电弧，增加了电弧与栅片的接触面积加速了电弧的冷却。ABB的塑壳断路器灭弧栅片排列使用了差分的排列方式，在保证了电弧的切断点数的同时，增加了灭弧室的空间和栅片的散热面积，同时提高了栅片的动热稳定性，对于分断较高的电压和灭弧带来了帮助。
   另外尽可能多的栅片格数排布也能把较高的电压尽量分割到每段电弧的电压小于36V从而使得维持电弧的压降无法存在而使得电弧更容易熄灭。除改进灭弧栅片材料和设计的工艺可以提高直流断路器的分断可靠性外，各种吹弧技术也可以代替引弧效应，帮助改进直流电弧进入灭弧室的速度和深度，提要灭弧能力。
    图3所示为ABB Tmax系列塑壳断路器磁吹弧系统设计示意图。利用独特的触头设计和栅片配合形成一个电磁场，通过磁场对电弧自身磁场的作用力，使电弧在磁场的作用下被“吹”进灭弧室。这样可以使得灭弧室被最大限度利用，而电弧也会在能量达到最大值前被拉到最大（使得弧压升高，从而减少电弧的电流），以便被更快熄灭，从而使得其额定电压达到1000VDC，满足了逆变器直流侧隔离和保护的要求。
 
    其它一些广泛采用的吹弧技术还包括产气吹弧技术。产气吹弧的原理主要是在灭弧室或者静触头附近安装高温下会迅速产生大量气体的聚酯材料，通过电弧产生的高温来引发大量的气化，从而提高了灭弧室外的气压，把电弧推进灭弧室内。由于这些气体本身为阻燃性气体，因而可以间接地帮助迅速灭弧。
 
专用直流接触器
    正是由于逆变器直流侧在直流分断方面给低压电器提出较高要求，市场上之前很难找到可用于逆变器直流侧通断控制的接触器，而ABB最新推出的GAF系列直流接触器提供了完美解决方案，其工作电压提升至1000VDC、额定电流最大扩展至2050A。这得益于它在灭弧室中使用了永久磁铁，而这种磁铁部件能够使接触器在分断直流电路时，快速熄灭接触器触点表面之间出现的强大电弧。同时，GAF配装的电子式控制电磁铁和被市场广泛认可的AF系列接触器一样，具有“开关”式动作特性，吸合保持功耗低，线圈工作电压范围宽（例如100－250V AC/DC），对电压波动、跌落不敏感，即使线圈电压下降至额定电压值下限的55%，甚至发生电压消失20ms以内，接触器仍能保持吸持而不释放。这些对于接触器来说，都是非常重要的特性，因为不稳定的电网所引起的电压波动、跌落，是造成接触器触点熔焊的最直接原因。另外，由于“开关”式的动作特性，消除了触点的抖动问题，从而增加了接触器的可靠性和使用寿命，保证设备工作的连续性，噪音也比常规接触器要低很多。
    针对光伏逆变直流系统的特点，ABB还开发了一系列的光伏专用产品，诸如OT 1000VDC隔离开关和OVR PV电涌保护器等。
   光伏发电行业的快速发展，给相关配套产品不断地提出各种新的技术要求。上文简要地分析了光伏逆变系统中直流侧和交流侧对于低压电器设计选型的技术要求，并以ABB产品为例，分享了几种低压产品在光伏逆变系统中的成功应用案例，希望对大家有所帮助。