優(yōu)化電纜管理，確保公用事業(yè)級光伏系統(tǒng)的安全和效率

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

公用事業(yè)級光伏 (PV) 系統(tǒng)通常能產(chǎn)生數(shù)兆瓦 (MW) 的電力，是綠色能源和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。每發(fā)出一兆瓦的電能就需要分布在幾英畝土地上的約 2,900 塊太陽能電池板、一臺或多臺逆變器和控制器，以及電網(wǎng)連接設(shè)備。將所有這些元器件與光伏系統(tǒng)連接，可能需要數(shù)英里長的電源和監(jiān)控電纜，以及數(shù)以萬計的電纜管理組件。如果實施不當(dāng)，布線和線纜管理組件實際上就會成為薄弱環(huán)節(jié)，從而降低效率，限制利用率，增加安全隱患，并提高安裝和運行成本。

設(shè)計安全高效的電纜管理裝置非常復(fù)雜。電纜管理裝置具體包括用于電力電纜短路保護(hù)的電纜夾板、用于保護(hù)安裝維修人員的無電壓測試儀、用于可靠的信號和監(jiān)控連接的邊緣夾式電纜扎帶，以及用于電源和接地的壓縮接線片。此外，這些組件還必須符合各種國際標(biāo)準(zhǔn)，如電纜夾板必須符合 IEC 61914:2015 標(biāo)準(zhǔn)，以確保能夠承受接地故障；無電壓測試儀必須按照美國國家防火協(xié)會 (NFPA) 和 UL 及 CSA 安全標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行操作；太陽能組件必須符合 IEC 61215 關(guān)于戶外光伏裝置條件的一般要求。

本文將深入探討公用事業(yè)級光伏設(shè)備中的各種因素，特別關(guān)注所需的大量電纜管理組件，詳細(xì)介紹一些相關(guān)的國際安全標(biāo)準(zhǔn)，并介紹惡劣環(huán)境下運行及經(jīng)濟高效地安裝的具體要求。在整個討論期間，我們將重點介紹 [Panduit]的典范產(chǎn)品。

BOS 的重要性與日俱增

在光伏安裝中，平衡系統(tǒng) (BOS) 包括除光伏板以外的所有設(shè)備，如機架、電纜、電纜管理、逆變器和其他系統(tǒng)設(shè)備以及人工和軟件。隨著光伏板技術(shù)的改進(jìn)，光伏板價格的下降速度超過了 BOS 組件的價格。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu) (IRENA) 的分析，光伏發(fā)電裝置的成本降低了 62% 得益于光伏板和逆變器價格的下降^1^ 。

光伏板和逆變器的成本下降使 BOS 組件成為人們關(guān)注的焦點。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu)，BOS 在光伏裝置成本中所占的比例越來越高，從 2007 年的 58% 上升到 2017 年的 80%（圖 1）。與此同時，將配電母線提升至 1 kV直流或更高的電壓增加了 BOS 組件相對于系統(tǒng)效率和系統(tǒng)安全的重要性。展望未來，在推動降低成本和改進(jìn)運行方面，BOS 組件將發(fā)揮越來越重要的作用，包括提高電網(wǎng)級光伏系統(tǒng)的安全性和效率。

圖 1：光伏板在裝置成本中所占比例的下降，增加了 BOS 在光伏系統(tǒng)中的重要性。（圖片來源：Panduit）

電纜管理是電網(wǎng)級光伏系統(tǒng)中 BOS 的一個重要方面，對安全、成本和效率都有重大影響。在優(yōu)化電纜管理方面，電纜夾板就是一個很好的例子。電纜夾板為電力電纜提供短路保護(hù)。如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，短路時的大電流會使導(dǎo)體發(fā)熱，進(jìn)而可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。短路電流也會對配電電纜造成巨大的機電應(yīng)力。

為了最大程度地保證安全，電纜夾板必須符合 IEC 61914:2015 標(biāo)準(zhǔn)的要求。最大機電應(yīng)力約在短路事件后 5 ms 后產(chǎn)生。這遠(yuǎn)早于斷路器等電路保護(hù)裝置做出反應(yīng)所需的 60 ms 至 100 ms 的時間。IEC 61914:2015 規(guī)定電纜夾板（有時稱為電纜夾）的短路測試持續(xù)時間為 100 ms。Panduit 在設(shè)計電纜夾板時采用了仿真軟件，然后對其進(jìn)行帶電短路故障測試，以確認(rèn)是否符合 IEC 61914:2015 的規(guī)定（圖 2）。

圖 2：短路初期電纜上電磁力的 ANSYS 軟件仿真。（圖片來源：Panduit）

IEC 61914:2015 不僅涉及短路保護(hù)，還做了以下規(guī)定：

• 額定溫度
• 抵抗火焰?zhèn)鞑?/li>
• 耐腐蝕
• 軸向負(fù)載測試
• 橫向負(fù)載測試
• 耐沖擊
• 抗紫外線

Panduit 的 Trefoil 電纜夾采用 316L 不銹鋼（也稱為船用不銹鋼）制造，提供適用于直徑為 20 mm 至 69 mm 的電纜。例如，[CCSSTR6269-X] 型電纜夾適用于直徑為 62 mm 至 69 mm 的電纜。這些電纜夾板可在電纜鋪設(shè)后使用 Panduit 安裝支架安裝，或在電纜鋪設(shè)前使用 M8 螺栓通過固定孔將其直接固定在電纜橋架的橫檔上（圖 3）。

圖 3：如上圖所示，可使用安裝支架安裝 Panduit 的 Trefoil 電纜夾板。（圖片來源：Panduit）

短路時機電應(yīng)力的復(fù)雜性和 IEC 61914:2015 嚴(yán)格的性能要求，使得確定所需的電纜夾成為一項繁重的數(shù)學(xué)工作。Panduit 提供[電纜夾板 kAlculator]應(yīng)用，從 60 多種 Panduit 電纜夾板產(chǎn)品中為您推薦 IEC 61914:2015 短路解決方案，加快選型。使用 kAlculator 應(yīng)用可將電纜夾選型簡化為簡單的三個步驟：

1. 選擇電纜布局。
2. 輸入電纜直徑。
3. 輸入短路電流峰值。

該應(yīng)用提供組件和間距建議。

電源和接地

除了用于電源和接地電纜的電纜夾外，公用事業(yè)級光伏裝置還需要電源和接地連接。銅壓縮接線片可提供高效連接，Panduit 提供唯一按照 Telcordia Technologies 測試的、符合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備樓宇系統(tǒng) (NEBS) 3 級要求的壓縮銅接線片。[Pan-Lug 壓縮連接器]符合 NEBS 3 級標(biāo)準(zhǔn)，對于諸如公用事業(yè)級光伏等要求在設(shè)備壽命期內(nèi)停工維護(hù)最少的應(yīng)用來說，可確保用戶實現(xiàn)可靠的性能。

公用事業(yè)級光伏裝置的設(shè)計人員可采用 Panduit 的柔性導(dǎo)體、雙孔、標(biāo)準(zhǔn)套管連接器，這種連接器可與柔性、超柔性和編碼絞合銅導(dǎo)體配合使用，以實現(xiàn)高效可靠的電源和接地連接。例如， 型號 [LCDX1/0-14B-X] 用于 1 號美制線規(guī) (AWG) 電纜，有兩個 0.25 英寸螺柱孔，間距為 0.75 英寸（圖 4）。所有 Pan-Lug 壓縮接線片的共同特點包括：

• 通過 UL 認(rèn)證和 CSA 認(rèn)證，電壓可達(dá) 35 kV，額定溫度為 +90°C。
• 套管末端帶內(nèi)部斜面，簡化了導(dǎo)線插入。
• 觀察窗，確保完全插入。
• 99.9% 純銅，采用鍍錫工藝防止腐蝕。

圖 4：這種壓縮接線片可用于公用事業(yè)級光伏系統(tǒng)的電源和接地連接。（圖片來源：Panduit）

夾子和扎帶

除電力布線外，公用事業(yè)級光伏發(fā)電設(shè)施還包括數(shù)英里長的、用于控制和監(jiān)控功能的布線。如果規(guī)定和安裝不當(dāng)，用于電纜管理的電纜夾和扎帶會降低系統(tǒng)可靠性，增加安裝和運行成本。通用型電纜夾不適合長期暴露在陽光和戶外天氣條件下。如果在光伏裝置中使用，通用的非抗紫外線 (UV) 塑料夾和扎帶可能會變脆，因此需要定期更換。此外，鹽分會腐蝕金屬夾，損壞光伏電池板的鍍鋅邊緣。這兩種情況會造成維護(hù)成本都會大幅增加，并影響到可靠性。

光伏系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用 Panduit 的 [CMSA12-2S-C300] 等邊緣夾式電纜扎帶，而不是使用通用的夾子和扎帶，前者采用耐候型熱穩(wěn)定尼龍 6.6 和鍍鋅金屬夾制成，且通過 IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)測試，適用于室外光伏裝置（圖 5）。其他特性包括：

• UL94V-2 可燃性等級。
• 額定工作溫度范圍為 -60°C 至 +115°C。
• 符合 EN45545-2 R22:HL3 和 R23:HL3 防火標(biāo)準(zhǔn)。
• 紫外線老化預(yù)期壽命為 7 至 9 年。

圖 5：這種邊緣夾式電纜扎帶采用耐候型尼龍 6.6 和鍍鋅鋼夾，可確保在惡劣的戶外條件下仍保持高可靠性。（圖片：Panduit）

這種邊緣夾式電纜扎帶固定座在固定線束時無需粘合劑或鉆孔。這種設(shè)備預(yù)裝了電纜扎帶和夾子，可安裝在厚度從 0.7 mm 到 3 mm 不等的面板邊緣，具體取決于型號。無需工具即可將金屬夾可靠固定。

用于快速安裝。傳統(tǒng)束線帶的安裝時間約為 21 s，而這些邊緣夾的安裝時間僅需 11 s，每個夾子可節(jié)省 10 s。這樣可以節(jié)省大量時間。在典型的公用事業(yè)級光伏裝置中，每發(fā)出一兆瓦電能需要 2,900 塊光伏板，每塊光伏板需要三個夾子，因此可節(jié)省 24.17 個小時或 47% 的人工（安裝傳統(tǒng)束線帶需要 50.75 個小時，而安裝 Panduit 的太陽能電纜邊緣夾僅需要 26.58 個小時）（圖 6）。

圖 6：使用太陽能電纜夾可將安裝時間縮短 47%。（圖片來源：Panduit）

電網(wǎng)級光伏發(fā)板的維護(hù)

在維護(hù)電網(wǎng)級光伏設(shè)備，尤其是維護(hù)配電電纜時，根據(jù)安全法規(guī)要求，需要進(jìn)行電壓驗證測試，以確保不存在危險電壓。例如，根據(jù)美國國家防火協(xié)會 (NFPA) 的 NFPA-70E 規(guī)范，確認(rèn)在設(shè)備機柜內(nèi)確認(rèn)沒有高電壓后，維護(hù)人員才能在機柜內(nèi)進(jìn)行工作。使用手持便攜式測試儀器進(jìn)行無電壓 (AVT) 測試非常復(fù)雜，不僅可能會出現(xiàn)誤差，而且耗費時間。Panduit 的[VeriSafe AVT] 提供了一種自動解決方案，可在打開柜門之前測試設(shè)備柜內(nèi)有無危險電壓。使用自動測試解決方案有以下幾個好處：

• 可靠性可提高安全性并降低風(fēng)險。
• 簡便性可提高生產(chǎn)率并確保符合安全規(guī)定。
• 靈活性增強了實施性。

VeriSafe AVT（如 [VS-AVT-C02-L03]型器件）由多個元件組成，包括一個位于外殼內(nèi)的隔離模塊，用于將冗余傳感器導(dǎo)線連接到高壓區(qū)域以及中性線和地線。隔離模塊與電池供電型指示燈模塊可靠地相連，當(dāng)機柜門關(guān)閉時，指示燈模塊和連接兩個模塊的電纜就會明顯外露（圖 7）。

圖 7：AVT 系統(tǒng)由系統(tǒng)電纜（左）、指示器模塊（中）和帶傳感器導(dǎo)線的隔離模塊（右）組成。（圖片來源：Panduit）

使用 VeriSafe AVT 系統(tǒng)啟動測試時，按下指示器模塊上的測試按鈕，系統(tǒng)將執(zhí)行自檢。如果自檢失敗，紅色 LED 指示燈和測試停止燈點亮。如果自檢通過，隔離模塊將測試電壓和接地故障。最后一步是 AVT 進(jìn)行第二次自檢。只有當(dāng)?shù)诙巫詸z通過且無電壓存在時，AVT 才會顯示人員可以安全地打開機柜并對系統(tǒng)進(jìn)行操作。

結(jié)束語

BOS 組件在公用事業(yè)級光伏裝置成本中所占的比例越來越大。電纜管理是BOS 設(shè)計的一個重要方面，選擇經(jīng)過優(yōu)化的電纜夾、電源和接地片以及邊緣夾式電纜扎帶可顯著提高這些裝置的可操作性和安全性。新增的自動無電壓測試功能可滿足持續(xù)的維護(hù)工作需要，從而提高安全性并降低運營成本。