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【干貨】看看光伏組件連接器失效原因
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(gè)小部件如果質(zhì)量不過(guò)關(guān)，將是巨大的安全隱患！可能引起火災(zāi)，給電站帶來(lái)巨大損失。
圖1：國(guó)內(nèi)光伏電站連接器燒毀案例
之前，國(guó)外知名機(jī)構(gòu)FraunhoferISE和TüV聯(lián)合對(duì)光伏系統(tǒng)火災(zāi)原因調(diào)查后發(fā)現(xiàn)排在第一位和第三位的火災(zāi)原因都與連接器有關(guān)。
Source：ResultsofFMEA-Analysis”P(pán)V-Brandschutz”P(pán)rojectFraunhoferISE&TüV
發(fā)生火災(zāi)的根本原因就在于：
通流情況下連接器的電阻增大導(dǎo)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(fā)火災(zāi)。因此，連接器的失效并引發(fā)火災(zāi)是由塑料外殼和金屬件共同作用的結(jié)果。
本文從金屬件、密封性及絕緣材料的選擇三個(gè)方面分析失效原因進(jìn)行分析，將根據(jù)現(xiàn)有樣品情況著重分析這兩方面并從理論上闡述導(dǎo)致接觸電阻增大的根本原因，參照?qǐng)D2。
圖2：光伏連接器失效樣品分析樹(shù)形圖
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，也是最主要的通流路徑。在各種環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)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(圖3)由3部分組成，即Rco、金屬件內(nèi)阻及Rcr。
圖3：連接器接觸電阻R示意圖(插合狀態(tài))
對(duì)所有的樣品進(jìn)行初步外觀分析后發(fā)現(xiàn)，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)(見(jiàn)圖4)。
圖4：光伏連接器示意圖
1、電阻Rco的失效分析
電阻Rco是連接器對(duì)插后金屬件搭接部分的電阻。如果Rco不正常增大就會(huì)導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致連接器中間部位引發(fā)火災(zāi)，見(jiàn)圖5。
圖5
導(dǎo)致Rco不正常增大的原因主要有如下三個(gè)：
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(gè)公司的連接器插合后為了能保證通流，A-B段(圖2)的搭接長(zhǎng)度是一定的，目的就是為了保證兩個(gè)金屬件完全接觸。如果在連接器的組裝過(guò)程中出現(xiàn)安裝不到位的情況則金屬件的插合就會(huì)出現(xiàn)異常，如圖6。
圖6：插合到位(剖面)
由于Rco的實(shí)際應(yīng)用值超出了設(shè)計(jì)值，因此同樣的電流在該部位產(chǎn)生的熱量就會(huì)增加進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，這種狀況還會(huì)因?yàn)楦邷厮鶎?dǎo)致一系列后果(例如氧化、老化等等)而進(jìn)一步加劇。這種惡性循環(huán)所帶來(lái)的最終結(jié)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(xiàn)象在電站應(yīng)用中普遍存在，拜訪很多電站后會(huì)發(fā)現(xiàn)有的電站一個(gè)陣列竟然有三種連接器互插的情況，而且許多電站業(yè)主和組件廠商并沒(méi)有意識(shí)到其危害性，甚至很多連接器廠商都宣稱可與MC4互插。其實(shí)這是一個(gè)很大的誤區(qū)。UL、TüV認(rèn)證機(jī)構(gòu)都明確說(shuō)明不同廠家生產(chǎn)的連接器是不能互插的，同時(shí)澳大利亞光伏安裝標(biāo)準(zhǔn)AS5033也明確說(shuō)明一個(gè)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(shuō)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(wú)法保證通流的根本原因是無(wú)法保證核心元器件的長(zhǎng)期有效接觸。同時(shí)，不同廠家的外殼與密封件配合時(shí)也會(huì)因?yàn)槌叽缂肮罘矫娴脑蚨斐稍璉P等級(jí)失效，從而對(duì)連接器使用中內(nèi)部的環(huán)境造成傷害并導(dǎo)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(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年之后電阻的穩(wěn)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(shí)間后才發(fā)生問(wèn)題的原因。
對(duì)連接器進(jìn)行TC200(通額定電流)+DH1000的長(zhǎng)期性測(cè)試。
剔除由于互插導(dǎo)致的失效連接器外，有效結(jié)果如圖7所示。很明顯，互插的不同連接器接觸電阻試驗(yàn)后迅速增加，且增加趨勢(shì)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(wěn)定，而連接器接觸電阻的持續(xù)穩(wěn)定性對(duì)于光伏電站安全高效的運(yùn)行至關(guān)重要。
圖7：不同連接器互插測(cè)試結(jié)果
再對(duì)連接器進(jìn)行短時(shí)間大電流(3-5分鐘、100A通流)測(cè)試，如圖8所示。
圖8：不同連接器互插的極限測(cè)試
從圖8中可以看出：3分鐘時(shí)互插的不同廠家連接器溫度已達(dá)到160℃，功率損失為700多瓦且外殼已經(jīng)出現(xiàn)變形特征；4分鐘后互插的連接器外殼開(kāi)始冒煙，而內(nèi)部溫度最高也達(dá)到了200℃以上，功率損耗也持續(xù)增加；5分鐘后，互插的連接器已開(kāi)始冒濃煙，功率損耗已達(dá)到800瓦，這時(shí)候連接器已接近失火狀態(tài)。
而與之形成鮮明對(duì)比的是MC4自身公母頭插合后的測(cè)試結(jié)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(wú)明顯的變化。
當(dāng)然這種狀態(tài)也不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)楫吘故?00A的極限通流測(cè)試。但該測(cè)試卻從正面直觀的反映出互插帶來(lái)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(zhì)量和壓接工藝有關(guān)。我們可以通過(guò)壓縮比及壓接剖面來(lái)判斷壓接質(zhì)量的好壞。好的壓接要求剖面緊密不能留有空隙，同時(shí)外形規(guī)整(參考圖9)。對(duì)于常用的4mm2電纜壓接，壓接處的接觸電阻，標(biāo)準(zhǔn)IEC2742/05也提出了小于0.2mΩ的要求，而IEC60352-2則規(guī)定壓接端的拉出力要大于310N。
圖9：好的壓接(左)VS差的壓接(右)
涉及到壓接工藝時(shí)我們需要注意剝線環(huán)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于在剝線中切斷的銅絲數(shù)是有嚴(yán)格規(guī)定。如果切斷的銅絲較多就會(huì)影響壓接及通流質(zhì)量，從而造成較高的溫升。而在失效的樣品中我們發(fā)現(xiàn)：電纜在壓接前內(nèi)部很多銅絲已被剪斷(見(jiàn)圖10)。
圖10：壓接端銅絲斷裂
為了保證好的壓接質(zhì)量，我們建議采用廠家提供的正規(guī)剝線工具及壓接工具。同時(shí)建議安裝時(shí)要由連接器廠家專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員做系統(tǒng)詳細(xì)的培訓(xùn)。
二、密封性能造成的失效分析
連接器由于處于戶外，因此對(duì)于密封性能有著嚴(yán)格的要求。
例如有些連接器就達(dá)到了IP65和IP68的防護(hù)等級(jí)。由于連接器是與電纜匹配連接，因此當(dāng)涉及到密封性時(shí)，電纜的選擇就變的非常重要。一般來(lái)說(shuō)不同的連接器型號(hào)會(huì)對(duì)應(yīng)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(dǎo)體截面積1.5-10mm2)的光伏電纜，其對(duì)應(yīng)的型號(hào)卻高達(dá)6種。為了驗(yàn)證電纜的匹配性，在連接器組裝好之后還要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，例如IP測(cè)試、濕絕緣測(cè)試及耐壓測(cè)試等等。
而在失效的樣品中就有兩個(gè)是用了不同的電纜，且外徑相差懸殊。圖11中的左側(cè)圖連接器一側(cè)用的是光伏電纜(黑色)，外徑為6mm，而另一側(cè)則是用的普通線纜(藍(lán)色)，外徑僅為4mm。將藍(lán)色電纜端的螺帽擰開(kāi)后發(fā)現(xiàn)可能由于密封不夠竟采用了紅色塑料片填充。在該種情況下連接器是很難保證其密封性，因此，在戶外應(yīng)用時(shí)有可能會(huì)進(jìn)水進(jìn)塵，從而破壞絕緣性能，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。
圖11中的右側(cè)圖連接器的一端是黑色的光伏電纜，外徑為6.1mm，而另一端則用了紅色的普通電纜且外徑僅為3.9mm。
三、這可輸入標(biāo)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(zhì)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(guò)連接器使用要求來(lái)確定的，例如材料的耐候性能、耐熱性能、阻燃性能、機(jī)械性能、絕緣性能等，光伏連接器絕緣材料的選擇是這幾項(xiàng)性能綜合考慮的結(jié)果。選擇合適的材料才能降低產(chǎn)品在較高的溫升下的失火概率。
此外，對(duì)于光伏連接器來(lái)說(shuō)是不可以使用回料的。之所以這么說(shuō)是因?yàn)榛亓系氖褂糜衅錁O其嚴(yán)格的規(guī)定和產(chǎn)品檢驗(yàn)措施，只有這樣才能保證其產(chǎn)品的性能不會(huì)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(duì)材料提出了非常高的要求。
雖然使用回料可降低產(chǎn)品成本，但卻增加了產(chǎn)品在使用端的失效概率，因此連接器廠商應(yīng)該加以杜絕。
四、失效總結(jié)
光伏連接器在光伏電站中占的成本比重較低，但卻是關(guān)鍵部件。前期電站建設(shè)時(shí)，連接器引發(fā)的故障風(fēng)險(xiǎn)往往不受重視，但是后期卻會(huì)成為電站運(yùn)維的痛點(diǎn)。因連接器失效而造成的運(yùn)維成本包括發(fā)電量收益損失、備品備件成本、人力成本以及安全風(fēng)險(xiǎn)，這些運(yùn)維成本最終都會(huì)影響電站的投資回報(bào)。質(zhì)量可靠且由豐富生產(chǎn)組裝經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商提供的光伏連接器是保證光伏電站正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)之一，而電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)則是保證業(yè)主最大收益的前提之一。
