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光伏組件連接器失效原因分析
編輯:東莞美樺電子   發布時間:2019-03-21

光伏組件的接線盒、連接器都是不引人矚目的小部件。然而,這兩個小部件如果質量不過關,將是巨大的安全隱患!可能引起火災,給電站帶來巨大損失。    

之前,國外知名機構 Fraunhofer ISE和TüV聯合對光伏系統火災原因調查后發現排在第1位和第三位的火災原因都與連接器有關。    

Source: Results of FMEA-Analysis ”PV-Brandschutz” Project Fraunhofer ISE&TüV    

發生火災的根本原因就在于:    

通流情況下連接器的電阻增大導致溫升增加并超出 塑料外殼及金屬件所能承受的溫度范圍從而引發火災。因此,連接器的失效并引發火災是由塑料外殼和金屬件共同作用的結果。    

本文從金屬件、密封性及絕緣材料的選擇三個方面分析失效原因進行分析,將根據現有樣品情況著重分析這兩方面并從理論上闡述導致接觸電阻增大的根本原因,。    

一、金屬件部分造成的失效分析    

   金屬件是連接器組成的主體,也是zui主要的通流路徑。在各種環境下運行時,穩定的電阻就是保障連接器正常工作的前提條件。    

  通常意義上連接器的接觸電阻R由3部分組成,即Rco、金屬件內阻及Rcr。    

對所有的樣品進行初步外觀分析后發現,連接器燒毀的部位主要存在于連接器的中間部分(即A-B段,記為Rco)及兩端壓接部分(即C-D段,記為Rcr)。    

電阻Rco是連接器對插后金屬件搭接部分的電阻。如果Rco不正常增大就會導致溫度升高,進而導致連接器中間部位引發火災。    

導致Rco不正常增大的原因主要有如下三個:    

1)安裝不到位    

安裝不到位是引起Rco增大的主要因素之一。每個公司的連接器插合后為了能保證通流,A-B段的搭接長度是一定的,目的就是為了保證兩個金屬件完全接觸。如果在連接器的組裝過程中出現安裝不到位的情況則金屬件的插合就會出現異常。    

由于Rco的實際應用值超出了設計值,因此同樣的電流在該部位產生的熱量就會增加進而導致溫度升高,這種狀況還會因為高溫所導致一系列后果(例如氧化、老化等等)而進一步加劇。這種惡性循環所帶來的zui終結果就是連接器燒毀。    

2)不同公司的連接器互插           

各公司的連接器互插現象在電站應用中普遍存在,拜訪很多電站后會發現有的電站一個陣列竟然有三種連接器互插的情況,而且許多電站業主和組件廠商并沒有意識到其危害性,甚至很多連接器廠商都宣稱可與MC4互插。其實這是一個很大的誤區。UL、TüV認證機構都明確說明不同廠家生產的連接器是不能互插的,同時澳大利亞光伏安裝標準AS5033也明確說明一個電站中不允許兩種廠家的連接器互插。不同廠家的連接器可以“compatible”說法是不被接受的。    

為什么不同廠家的連接器不能互插?    

互插無法保證通流的根本原因是無法保證核心元器件的長期有效接觸。同時,不同廠家的外殼與密封件配合時也會因為尺寸及公差方面的原因而造成原IP等級失效,從而對連接器使用中內部的環境造成傷害并導致失效。。    

此外,盡管有些連接器在與MC4互插后電阻增加不明顯,但這同樣不能保證互插連接器在經過幾個月甚至幾年之后電阻的穩定性。這也就是大部分不同廠家的連接器在互插并使用一段時間后才發生問題的原因。      

    對連接器進行TC200(通額定電流)+DH1000的長期性測試。    

剔除由于互插導致的失效連接器外,有效結果如圖7所示。很明顯,互插的不同連接器接觸電阻試驗后迅速增加,且增加趨勢并未停止。而MC4公母端插合后接觸電阻雖然有小幅的增加但之后趨于穩定,而連接器接觸電阻的持續穩定性對于光伏電站安全高效的運行至關重要。    

再對連接器進行短時間大電流(3-5分鐘、100A通流)測試。    

3分鐘時互插的不同廠家連接器溫度已達到160℃,功率損失為700多瓦且外殼已經出現變形特征;4分鐘后互插的連接器外殼開始冒煙,而內部溫度zui高也達到了200℃以上,功率損耗也持續增加;5分鐘后,互插的連接器已開始冒濃煙,功率損耗已達到800瓦,這時候連接器已接近失火狀態。    

而與之形成鮮明對比的是MC4自身公母頭插合后的測試結果:除了溫度有初始的90℃升高到135℃及功率損失由69W升高到73W外,外觀并無明顯的變化。    

當然這種狀態也不會持續太長時間,因為畢竟是100A的極限通流測試。但該測試卻從正面直觀的反映出互插帶來的潛在威脅。    

2、電阻Rcr的失效分析    

壓接電阻Rcr主要是與壓接質量和壓接工藝有關。我們可以通過壓縮比及壓接剖面來判斷壓接質量的好壞。好的壓接要求剖面緊密不能留有空隙,同時外形規整。對于常用的4mm2電纜壓接,壓接處的接觸電阻,標準IEC2742/05也提出了小于0.2mΩ的要求,而IEC60352-2則規定壓接端的拉出力要大于310N。    

涉及到壓接工藝時我們需要注意剝線環節,標準中對于在剝線中切斷的銅絲數是有嚴格規定。如果切斷的銅絲較多就會影響壓接及通流質量,從而造成較高的溫升。而在失效的樣品中我們發現:電纜在壓接前內部很多銅絲已被剪斷。    

為了保證好的壓接質量,我們建議采用廠家提供的正規剝線工具及壓接工具。 同時建議安裝時要由連接器廠家專業技術人員做系統詳細的培訓。    

二、密封性能造成的失效分析    

連接器由于處于戶外,因此對于密封性能有著嚴格的要求。    

例如有些連接器就達到了IP65和IP68的防護等級。由于連接器是與電纜匹配連接,因此當涉及到密封性時,電纜的選擇就變的非常重要。一般來說不同的連接器型號會對應不同的電 纜外徑,其目的就是保證密封性能。例如MC4連接器可匹配3-9mm外徑(導體截面積1.5-10mm2)的光伏電纜,其對應的型號卻高達6種。為了驗證電纜的匹配性,在連接器組裝好之后還要對其進行相關的測試,例如IP測試、濕絕緣測試及耐壓測試等等。    

    而在失效的樣品中就有兩個是用了不同的電纜,且外徑相差懸殊。    

三、這可輸入標題絕緣材料造成的失效分析    

 絕緣材料的選擇直接決定了連接器的質量。好的連接器需要選擇合適的絕緣材料,而是否合適主要是通過連接器使用要求來確定的,例如材料的耐候性能、耐熱性能、阻燃性能、機械性能、絕緣性能等,光伏連接器絕緣材料的選擇是這幾項性能綜合考慮的結果。選擇合適的材料才能降低產品在較高的溫升下的失火概率。    

     此外,對于光伏連接器來說是不可以使用回料的。之所以這么說是因為回料的使用有其極其嚴格的規定和產品檢驗措施,只有這樣才能保證其產品的性能不會下降很多。而光伏連接器在很多的客戶端是要求使用25年以上,這就意味著對材料提出了非常高的要求。    

雖然使用回料可降低產品成本,但卻增加了產品在使用端的失效概率,因此連接器廠商應該加以杜絕。    

四、失效總結    

光伏連接器在光伏電站中占的成本比重較低,但卻是關鍵部件。前期電站建設時,連接器引發的故障風險往往不受重視,但是后期卻會成為電站運維的痛點。因連接器失效而造成的運維成本包括發電量收益損失、備品備件成本、人力成本以及安全風險,這些運維成本zui終都會影響電站的投資回報。質量可靠且由豐富生產組裝經驗的供應商提供的光伏連接器是保證光伏電站正常穩定運轉的基礎之一,而電站的正常運轉則是保證業主zui大收益的前提之一。    

3.4 壓接工具    

絕大多數的光伏連接器是在工廠內通過自動化設備完成安裝的,壓接質量較高。但是,對于不得不在工程現場安裝的連接器,壓接只能通過壓接鉗完成。壓接必須使用原廠專業壓接鉗,普通的老虎鉗或者尖嘴鉗不能用于壓接,一方面壓接質量低下,另外這也是不被連接器廠商和認證機構認可的方式。    

3.5 不規范壓接危害    

壓接不良可能導致不符合規范標準、不穩定的接觸電阻以及密封性失效。它是影響光伏電站整體功能和盈利能力的一個很大風險點。    

4. 小結    

連接器是小部件,卻會影響光伏項目的運營效率。與質量妥協,通常意味著后續的高損失和風險,而它們本可避免。    

光伏連接器的安裝,壓接環節是重中之重,建議使用專業的壓接工具。對于工程安裝人員來說,進行壓接培訓是一個必不可少的環節。    


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