為何 DC Switch 切離後仍然有電流? NEW!

DC Switch 目的為將太陽能模組跟光電系統切離,切離後太陽能光電系統停止工作,太陽能模組應該工作於開路電壓,此時用電流勾表量測 PV1(+)、PV1(-)、PV2(+)或PV2(-)不應該有任何電流。但是,維護太陽能光電系統時常發現 DC Switch 切離後仍然有電流,難免會有疑惑,這現象合理嗎?發生的原因是什麼?後續應該如何處理?

除了直流接線箱,太陽能光電轉換器內建的 DC Switch 也是相同功用,此 DC Switch 切離後仍有電流也會產生相同疑惑。

太陽能模組簡化模型主要包含兩部分,其一短路電流為正比例於光照強度的電流源,另一為並聯之寄生二極體。DC Switch 切離後,所有短路電流通往寄生二極體,太陽能模組的電壓為開路電壓,DC Switch 導通後由負載 VR 的電流決定其電壓,同理也由太陽能模組的電壓決定其輸出電流,調整負載可以使太陽能模組工作於下圖綠線的 I-V Curve 不同位置。DC Switch 切離後太陽能模組應工作於開路電壓,換句話說,若電流勾表量測到太陽能模組電流存在,則代表太陽能模組並非工作於開路電壓。

DC Switch 切離後,太陽能模組並非工作於開路電壓的可能性,其一為並聯組串的太陽能板片數不同,下圖為例,組串 1 為兩片太陽能模組串聯,組串 2 為單片太陽能模組,組串 1 與組串 2 因並聯而電壓相同。DC Switch 切離後組串 1 電流灌往組串 2 之寄生二極體,使組串 2 的總電壓接近但略高於開路電壓,並使組串 1 都兩片太陽能模組都工作接近開路電壓的一半。由下圖可知,此時組串 1 電壓介於數值介於短路與最大功率點間,若以電流勾表量測太陽能模組電流,則數值介於當時日照的短路電流與最大功率點電流間。

此類 DC Switch 切離後的環流,較常發現於新建置案場,起因通常設計圖或施工不慎造成並聯組串的太陽能板片數不同。已運轉一段時間的案場發現類似現象,起因通常在太陽能模組接線盒內的旁路二極體因損壞而短路,旁路二極體短路造成太陽能模組電壓降低,造成片數相同的組串卻實際電壓不同。

 

DC Switch 切離後,太陽能模組並非工作於開路電壓的另一可能性 MC4 公母頭不慎打反。太陽能模組接線盒內的旁路二極體使其輸出電壓最低為零,以下圖為例,組串 2 接反造成組串 1 的電流通過組串 2 的旁路二極體,且造成組串 2 的電流通過組串 1 的旁路二極體,使組串 1 與組串 2 的輸出電壓都接近零,也使組串 1 與組串 2 的輸出為短路電流,無論 DC Switch 切離與否。

DC Switch 切離後的環流,無論起因屬於並聯組串的太陽能模組片數不同,或是太陽能模組接線盒內的旁路二極體因損壞而短路,或是太陽能模組施工造成組串接反,此切離後環流的共同原因為兩者

  • 組串並聯前電壓不相同
  • 組串並聯後迫使電壓相同,造成太陽能模組並非工作於開路電壓

除了直流接線箱,太陽能光電轉換器內建的 DC Switch 也是相同功用,以新望公司的產品 PV-22000S-U 電氣方塊圖為例做說明,太陽能模組 MC4 公母頭插入 PV-22000S-U 後,無論 DC Switch 切離與否都會持續將組串並聯,也因此,上述組串並聯前電壓不相同,因太陽能模組插入太陽能光電轉換器後產生之環流,即使 DC Switch 切離也會持續存在。

此類 DC Switch 切離後仍存在的環流,發生原因為組串並聯前電壓不相同,且組串並聯後迫使太陽能模組電壓相同造成非工作於開路電壓,建議以下方式預防發生

  • 新建案施工時,MC4 插到逆變器前確實用電表量測,並且,必須同時確認電壓數值跟電壓極性正負號都正確,兩者都正確後,才能把 MC4 插入逆變器
  • 直流接線箱進行組串並聯,也必須確實用電表量測,做前項的相同確認
  • 案場驗收時,於 AC NFB 切 OFF 且逆變器內建 DC Switch 切 OFF 的條件下,用電流勾表量直流配線,確認無異常電流
  • 無論直流接線箱或太陽能光電轉換器,DC Switch 切 OFF 直流配線仍有異常電流,應屬並聯組串的太陽能模組片數不同,或是太陽能模組接線盒內的旁路二極體因損壞而短路,或是太陽能模組施工造成組串接反;此類異常必須等到夜晚或天亮前到案場,用電流勾表量測 MC4 接無電流狀況下拔開,以避免拉 MC4 時產生直流電弧造成接頭損壞,若時間上不允許,盡可能在光線較弱的時候在靠近太陽能模組側把線路剪斷
  • 避免太陽能模組本體異常或接線盒內的旁路二極體因損壞而短路,建議將 DC Switch 切 OFF 後用電流勾表量直流配線,作為定期巡檢項目之一
  • 避免直流電弧與太陽能光電系統關機流程建議,可以參考相關說明 [1]

參考資料 [1] 

https://primevolt.com.tw/太陽能光電系統關機流程建議/

 

太陽能光電系統關機流程建議

太陽能光電系統如何完成關機流程,是用戶最頻繁詢問的疑惑。在整個系統中,可由交流配電盤 NFB 切離 AC 側,也可由太陽能光電變流器所附的直流開關切離 DC 側,或由直流接線箱切離 DC 側,而直流接線箱又包含直流開關跟直流保險絲兩種方式切離。在這麼多切離的選項中,使用者難免疑惑,最合理的先後順序是哪種?

太陽光電系統架構圖

太陽光電系統架構圖

安全是所有考量中第一優先,其中最重要的安全考量是直流電弧。直流電弧特徵為電壓與電流恆正,切離時無電弧最脆弱的是零電壓與零電流點,而太陽能板屬於電流源,切離過程仍持續提供電流,因此切離過程可能伴隨直流電弧與其延燒現象,也可查閱在網路上分享的實際太陽能板電弧測試資料 [1]。

電弧現象

電弧現象

相較之下,交流電特徵為有正負電壓,切離過程具有電弧最脆弱的零電壓與零電流點,因此拉斷電弧的交流側,屬於優先切離的首選。另一方面,交流配電盤的 NFB 切離後,太陽能光電變流器無法將太陽能模組的能量轉換至公共電網,正常情況下太陽能模組會工作於零電流開路電壓,進而使直流電弧消失。因此,建議關機流程的首要步驟為切離交流配電盤的 NFB。

在後續關機流程中,選項還包含太陽能光電變流器所附的直流開關與直流接線箱兩種。直流接線箱通常裝置於戶外,長期暴露於灰塵、濕氣、積水、昆蟲、蜘蛛網等異物環境中,可能造成內部直流開關材質與消弧能力降低。相較之下,太陽能光電變流器屬於防水防塵設計,只要在施工期間防水措施有妥善施作,被上述異物降低消弧能力的機率較小。因此建議先觀察太陽能光電變流器內部是否有灰塵、濕氣、積水、昆蟲、蜘蛛網等異物,如未觀測到上述異常,則可先切離太陽能光電變流器所附的直流開關。但若有類似下圖之類的內部汙染疑慮,則可能因異物汙染而降低直流開關消弧能力,需要改為由直流接線箱先切離。

變流器內部遭受汙染

變流器內部遭受汙染

直流接線箱又包含直流開關跟直流保險絲兩種切離模式。考量到直流保險絲不具備消弧能力,原則上要由直流開關來切離。然而,切離直流開關必須注意兩方面:首先,若直流接線箱內部以可觀察到灰塵、濕氣、積水、昆蟲、蜘蛛網等異物,長期使用都有可能造成內部直流開關材質與消弧能力降低,不建議在電流未消失的條件下切離。其次,若直流開關採用上下方向切離型式[2],因不是由直流開關內部的彈簧控制 90 度開關動作的消弧速度,而是由手拉控制消弧的速度,實際切離伴隨電弧延燒的機率極高,可參考資料[2]網路分享的實際太陽能板電弧測試。

安全是所有考量中的首要優先,直流電弧為太陽能光電系統關機順序的重要安全考量,基於上述說明,以下是關機前的建議:

  1. 太陽能光電系統關機前,建議攜帶滅火器、防燙手套、直流電流勾表跟鉗子。
  2. 正常關機的切離順序為:(1)切離交流配電盤的NFB (2)切離太陽能光電變流器所附的直流開關 (3)切離直流接線箱內的直流開關。然而,考量到可能線路或設備損壞,造成太陽能板工作於短路電流,若有以下幾種狀況,在切離直流前,必須先用直流電流勾表確認電流是否為零:
  • 若直流配線的MC公母頭打反,造成插到太陽能光電變流器的直流電壓相反,即使將太陽能光電變流器所附的直流開關切離仍可能產生短路環流,此類異常於新案場建置初期發生機率較高,建議待太陽下山後夜間光線降低,用直流電流勾表確認太陽能板電流為零後,再切離或拔開MC4接頭以避免直流電弧風險
  • 若太陽能光電變流器內部觀察到異常灰塵、濕氣、積水、昆蟲、蜘蛛網等異物,有汙染而降低直流開關消弧能力疑慮,則不應由太陽能光電變流器所附的直流開關切離
  • 若直流接線箱內部觀察到異常灰塵、濕氣、積水、昆蟲、蜘蛛網等異物,有汙染而降低直流開關消弧能力疑慮,則不應由此直流開關切離
  • 若直流接線箱內的直流開關採用上下方向切離型式,而非 90 度方向切離型式,則不應由此直流開關切離
  • 直流接線箱內直流保險絲不具備消弧能力,不應由此切離
  • 若有以上特殊狀況,建議直流電流勾表量測值為零前不要進行切離,待太陽下山後再行切離,若有不得已因素必須切離,建議先備好滅火器、防燙手套跟鉗子
  1. 電弧屬於高溫且帶電物質,應遠離以保持安全。若直流開關切離過程發生電弧且有隔離工具,如防燙手套跟轉開關的鉗子,應迅速以此隔離工具並將直流開關再切回導通位置,有機率可因再次導通而消弧。
  2. 若已引發高溫電弧對絕緣皮的延燒擴散,滅火器無法達成降溫滅火,須用鉗子將太陽能板源頭的線路剪斷,讓直流電弧因電流為零而消失,可降低電弧延燒擴散的風險。

參考資料

[1]https://www.youtube.com/watch?v=S9a2oPCIMr0 , DC Solar Array – Arc fault demonstration.

[2]https://www.youtube.com/watch?v=EJC6wKir_Lo , Do not use this type of DC Isolator for your solar power system array! I explain why they catch fire.