蘇州歐姆尼克新能源科技有限公司副總經理劉安家

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一、光伏直流開關質量問題導致多家澳大利亞太陽能公司關門大吉

越來越多的澳大利亞太陽能公司由于貼牌銷售的光伏直流開關不合格導致關門大吉。幾乎所有的澳大利亞經銷商都選擇對進口廉價的直流開關進行貼牌來銷售，一來開關的貼牌比較容易，僅僅更換名牌和包裝，原廠配合容易;其次這些原廠往往屬于小作坊，沒有什么品牌知名度，規模小，也愿意配合。經銷商通過貼上澳洲本地品牌進行銷售能增加廉價直流開關的附加值。經銷商對貼牌后的產品需要承擔后期所有的質保服務，對產品的問題承擔一切責任。這樣，一旦產品有質量問題，會讓經銷商承擔更高的風險，影響自身的品牌影響度，這也是導致這些公司倒閉的主要原因。

這些直流開關主要的問題在于：

1.觸點高阻抗引起過熱，甚至起火;

2.開關無法正常關斷，開關手柄保持在‘OFF’狀態;

3.不完全切斷，引起火花;

4.由于容許工作電流太小，容易引起過熱，使開關滅弧室損壞甚至外形變形。

昆士蘭一家公司出售據檢驗有安全隱患的直流開關，在用戶屋頂的太陽能系統上引發了至少70起火災，另外還有數以萬計存在電氣火災風險的房主憂心忡忡。

總部設在陽光海岸的Advancetech是一個歷史悠久的公司，他們的座右銘是“嘗試，測試，可信”。2014年5月12日，昆士蘭首席檢察官Jarrod Bleijie下令立即召回由Advancetech公司進口及銷售的27600個太陽能直流開關，該光伏直流開關在進口時被更名為“Avanco”。2014年5月16日，Advancetech進入破產清算，所有安裝商和二級分銷商不得不自己承擔更換問題產品的費用及風險。這表明，關鍵不在于你購買了什么而是你向誰購買的東西及其潛在的風險。相關信息可以查閱http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1059088。

圖一：AVANCO品牌光伏直流開關召回通知

另外在澳大利亞被召回的品牌還涉及到:

GWR PTY LTD Trading as Uniquip Industries公司的直流開關，召回原因是過熱和引起火災：http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1060436

NHP Electrical Engineering Product Pty Ltd公司的直流開關，召回原因是當手柄切換到’OFF’狀態，但是觸點始終是’ON’狀態，開關無法關斷：http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1055934

圖二：NHP品牌光伏直流開關召回通知

DKSH Australia Pty Ltd的PVPower品牌直流開關，召回原因同樣是過熱和引起火災:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1056490

圖三：PVPOWER品牌光伏直流開關召回通知

eltechindustries公司的的DC ISO-MAX 品牌直流開關，主要原因是由于設計缺陷導致不完全切斷，甚至產品火弧和過熱:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1009869

圖四：DC ISO-MAX品牌光伏直流開關召回通知

目前市面上也有很多所謂的直流斷路器并不是真正的直流斷路，而是由交流斷路器改良而來。光伏系統一般斷開電壓和電流都比較高，萬一有接地故障，高的短路電流會把觸頭拉到一起，從而造就極高的短路電流，最大可高達千安培(取決于不同產品)。尤其是光伏系統中常見多路電池板并聯輸入或者多路電池板獨立輸入，這樣就需要同時切斷多路電池板直流并聯輸入或多路電池板直流獨立輸入，這些場合對直流開關的滅弧能力要求會更高，這些改良而來的直流斷路器用在光伏系統中會存在很大的風險。

交流電的每個周期都有自然過零點，在過零點容易熄弧;而直流電沒有零點，電弧難以熄滅。交流系統滅弧容易，直流系統滅弧比較困難。由于系統不一樣、滅弧的原理不同，因此交流斷路器與直流斷路器在結構和性能上有很大區別。相對于交流斷路器，直流斷路器需要增加額外的滅弧裝置以增強滅弧能力。任何交流斷路器大部分材料采用一些適用于交流電路的設計制造，這意味著無論負載的電壓是230伏(交流)還是400伏(交流)，它都是50/60赫茲的正弦波。在通斷交流電時，一定要注意電壓的特點是它一定會通過0伏，因此，盡管不同的負載情況有不同，但是電流都會逐漸自行消失——這里指的是即使斷路器在電源峰值的時候開關，且觸頭間有電弧形成，電源電壓減小到0伏的過程也意味著負載的電壓同樣會趨向于零，電弧被滅掉。然而，直流負載電壓總保持恒定，通過觸頭之間的功率總是不變，除非負載變為零。如果負載是500伏(直流)，25安培，那么它現在，一秒以后，一分鐘以后，一小時以后都是500伏，25安培——保持恒定。與交流不一樣，所有直流負載在整個關斷過程中直流開關觸頭之間的負載是恒定的; 直流電不穿越0伏電平，除非有系統電源故障(或其它錯誤)。

圖五：直流和交流電

二、正確選擇直流開關的幾條標準

如何為光伏系統選擇合適的直流開關呢?以下幾個標準可以作為參考：

1.盡量選擇大品牌，尤其是通過國際認證的品牌。

光伏直流斷路器主要有歐洲的認證IEC 60947-3(歐洲通用標準，亞太大多國家沿用), UL 508(美國通用標準)，UL508i(針對光伏系統用直流開關美國標準)，GB14048.3 (國內通用標準)，CAN/CSA-C22.2(加拿大通用標準)，VDE 0660。目前國際大品牌都具備如上所有的認證，比如英國的IMO和荷蘭的SANTON，國內的大多數品牌目前都只通過了通用性標準 IEC 60947-3。

2.選擇滅弧功能好的直流斷路器。

滅弧效果是考核直流開關的最重要指標之一。真正的直流斷路器都有專門的滅弧裝置，可以帶載關斷。一般真正的直流斷路器的結構設計比較特殊，手柄和觸頭沒有直接的連接，所以通斷的時候不是直接旋轉觸頭而斷開，而是有特殊的彈簧進行連接，當手柄旋轉或者移動到一個特定點時觸發所有的觸頭“突然斷開”，因而產生一個非常迅速的通斷動作，使電弧時間持續比較短。一般國際一線品牌的光伏直流開關的電弧持續幾個毫秒時間內被滅掉，比如IMO的SI系統宣稱是在5個毫秒內進行滅弧。而一般交流斷路器改良過來的直流斷路器電弧持續100毫秒以上。

3.耐高電壓和電流。

一般光伏系統的電壓可能達到1000V(美國600V)，需要斷開的電流根據組件的品牌和功率、光伏系統連接方式是多串并聯還是多串獨立連接(多路MPPT)而不同。直流開關的電壓和電流由需要斷開的光伏陣列的串電壓和并電流決定。光伏直流斷路器在選型時參照如下經驗：

電壓 = NS x VOC x 1.15(公式1.1)

電流= NP x ISC x 1.25(公式1.2)

其中

NS – 串聯電池板的數量

NP – 并聯的電池組數量

VOC –電池板開路電壓

ISC – 電池板短路電流

1.15和1.25是經驗系數

一般大品牌的直流開關都可以斷開1000V的系統直流電壓，甚至設計斷開1500V的直流輸入。大品牌的直流開關往往有大功率系列，比如ABB的光伏直流開關有上百安系列的產品，IMO專注于分布式光伏系統用直流開關，能提供50A，1500V的直流開關。而一些小廠家一般只能提供16A，25A的直流開關，其技術和工藝很難生產出大功率的光伏直流開關。

4.產品型號齊全。

一般大品牌的直流開關有多種型號能滿足不同場合需求，有外置的、內置的、端子通過串聯和并聯滿足多路MPPT輸入的、帶鎖和不帶鎖的、更有滿足多種安裝方式的比如底座安裝(安裝在匯流箱和配電柜中)，單孔和面板安裝等。

5.材料阻燃和防護等級高。

一般直流開關的外殼、本體材料或者是手柄都是塑料，具有自身的阻燃特性，通常能達到UL94標準。質量好的直流開關的外殼或者本體能滿足UL 94V-0標準，而手柄一般達到UL94 V-2標準。

其次對于內置于逆變器內部的直流開關，如果外部有手柄可以進行開關，一般要求開關的防護等級至少滿足整機防護等級的測試要求。目前行業中應用較多的組串型逆變器(一般小于30kW功率等級)一般都滿足IP65的整機防護等級，這就要求內置直流開關和機器安裝時面板的密封性要求比較高。對于外置的直流開關，如果安裝室外，都要求滿足至少IP65的防護等級。

三、光伏系統中直流開關的選型步驟

光伏直流開關的選型一般通過關鍵參數初步估算并保證足夠的余量。光伏系統中光伏電池板本身的輸出功率受到天氣、環境溫度、逆變器功率點跟蹤等影響;其次，光伏逆變器本身有輸入功率的限制和保護，有最大容許輸入電壓，以及電流的限制和保護;最后直流開關本身的額定關斷能力和環境溫度也有關系。環境一定的時候電池板(電池陣列)輸出受逆變器直流側功率跟蹤的影響，隨著電壓的升高，直流開關通斷電流的能力會下降(熱效應影響)。總的來說使用的直流開關能通斷電池板實際輸出的電壓和電流，天氣、環境穩定、逆變器的功率跟蹤等都需要考慮在內。

最簡單的方法是選擇的直流開關(無論外置和內置)滿足如上公式1.1和1.2的要求。由于電池板不可能工作在最大短路電壓和開路電流上，所以一般外置的直流開關使用最大功率點電壓和電流來做參考：

電壓 = NS x VMP x 1.15(公式1.3)

電流= NP x IMP x 1.25(公式1.4)

對于內置的直流開關，可能還會受到逆變器本身最大輸入電壓和電流的限制，所以為了合理節約系統成本，一般依據直流開關能通斷電池板實際輸出的電壓和電流，并不高于所選擇使用的逆變器的保護電壓和電流。總的來說，直流開關的通斷V-1曲線需要包絡逆變器允許輸入的直流電壓和電流曲線。

總的來說光伏直流開關的選擇可以根據如下幾個步驟：

1.確定系統電壓。

所選擇的直流開關允許最大電壓需要能達到光伏系統電壓要求。常見的有600V和1000V。一般接入單相逆變器的系統電壓最高為600V，三相組串型或者電站型逆變器的系統電壓最高為1000V。

2.確定獨立電池串的路數。

如果是內置的直流開關，由于集成在逆變器內部，所以和逆變器獨立的MPPT數目有關系。常見的逆變器是單路MPPT，雙路MPPT，市面上也有少數3路MPPT的并網逆變器。一般逆變器功率等級在1kW~3kW的設計為單路MPPT;3kW~30kW為雙路MPPT，有少數公司也有三路MPPT的逆變器;大型逆變器100kW以上一般都是通過匯流箱匯流后輸入一路MPPT。逆變器獨立的MPPT數目決定了選擇的內置直流開關的獨立通段對數。

如果是外置直流開關，可能和設計的系統組網有關系，可以選擇具有通斷多串電池板的外置直流開關或者選擇只能通斷一串電池板的外置直流開關

圖六通斷多串獨立的電池板的外置直流開關

圖七通斷一串電池板的外置直流開關

3.確定電池串的電壓和電流。

通過電池組串電壓和電流參數，一般保險起見根據公式1.1和1.2計算，也可以根據公式1.3和1.4。如果對光伏逆變器的構造比較了解，尤其是逆變器廠家在選擇內置直流開關時，為了有效節約逆變器整機成本，可以通過研究逆變器出入直流電壓電流曲線來選擇，保證所選擇的直流開關曲線在各種天氣環境和溫度下都包絡逆變器輸入的直流開關和電流曲線。

4.分析使用的環境和安裝方式。

根據使用的環境確定工作溫度，防護和防火等級，一般品質好的直流開關工作穩定可以在-40°到60°。常見的外置直流開關防護等級為IP65，內置直流開關安裝后保證整機通過IP65。防火等級一般為外殼或者本體材料UL 94V-0, 手柄UL 94V-2。

安裝方式有面板安裝，底座安裝，單孔安裝等

5.確定具體型號。

如上1~4滿足，接下來需要從所傾向的品牌中選擇具體型號。一般具體型號的規格是通過電流分段的，完全匹配的直流開關是很難找到的，一般留有一定的余量來選擇高于理論計算的規格的直流開關。常見有16A，25A和32A，有些大廠家會有40A，50A，600V或者1000V額定電壓等級。