ヒューズ、サーキットブレーカー、断路器の類似点と相違点を理解する

太陽光発電 (PV) 産業は、カーボンニュートラル指向の開発の一般的な傾向の下で急速な発展を遂げていますが、高出力モジュールが広く使用されるにつれて、発電所の安全性に関する問題が増大しています。 より新しい用途や使用状況が見つかるにつれて、太陽​​光発電システムの設計はますます複雑になっています。 DC 側の保護設計をどのように展開するかは、常に業界の懸案事項であり、議論となっています。 基本的には、太陽光発電システムの保護に一般的に使用されるヒューズ、サーキットブレーカー、断路器の誤解が根本原因です。

ヒューズ、回路ブレーカー、断路器は機能が似ているため (絶縁、短絡保護など)、業界では混乱や誤解が生じやすいです。 しかし、実際には、保護の原理、標準要件、適用シナリオ、保護効果が大きく異なるため、これらはまったく異なるデバイスです。 流通保護システムの構築に関しては、適用シナリオの下での生産上の要件を十分に理解し、デバイスがそれぞれの機能に基づいて合理的に配置され、その機能を適切に適用できるようにすることで、作業の安全性と安全性を向上させる必要があります。駅の信頼性。

ヒューズ：ヒューズエレメントとカートリッジからなる電流保護装置を指します。 ヒューズ素子は、一定時間以上の電流が流れると自らの発熱により溶断し、回路を遮断して保護の目的を達成します。

図：ヒューズによる保護原理

サーキットブレーカー:オン/オフを切り替えて電流を流すことができ、接点システム、消弧システム、アクチュエータ、およびトリップ ユニットで構成される機械式スイッチング デバイスを指します。 保護目的を達成できない場合に回路を遮断するために使用されます。 短絡の場合、反力ばねはより大きな電流によって生成される磁界によって克服され、この場合、アクチュエータはトリップユニットによって駆動され、すぐにスイッチがオフになります。 過負荷の場合、電流の増加による温度上昇でバイメタル ストリップがある程度変形し、アクチュエータのスイッチがオフになります。 電流が大きいほど、この保護動作の時間は短くなります。

優れた消弧能力により、回路ブレーカーはより大きな短絡電流を遮断でき、全体的な保護機能が時間や環境の影響を受けないため、繰り返し使用できます。

図：サーキットブレーカーによる保護原理

ディスコネクター:主に、オーバーホールされる電気機器と電源の間に見かけのブレークポイントを形成できるアイソレータとして機能し、オーバーホールの作業の安全性を保証します。 従来、ストリングインバータの直流側には手動式断路器が設けられていました。 太陽光発電所の賢明な発展に伴い、手動式断路器は電動式断路器に置き換えられています。

電動断路器 : 手動断路器を電動断路器に置き換え、インバータ+DSP信号制御用変流器を使用してストリング内の電流を検出するモードで電気的に動作することができます。 1*In では電気的寿命が 100 ～ 300 サイクルに達する可能性があるのに対し、4*In ではわずか 5 サイクルであることが知られています。 ただし、手動断路器に代わる電動断路器は、動作形態を改良したものに過ぎず、保護装置とは言えません。

最大 50A の熱電流を備えた断路器は、40A (定格電流) 未満の電流でも迅速に動作することができます。 複数対 1 の場合 (MPPT あたり 5 ストリングなど)、逆流電流が 50A を超える可能性があり、断路器内に蓄積された熱が発生し、内部の可動接点キャリアの変形や詰まりを引き起こす可能性があることに注意してください。

図：電動断路器と動作原理

これら3つの機器の保護原理と動作原理をまとめると、ヒューズとサーキットブレーカーは外部回路を必要とせず物理的作用により確実な機械的保護を実現できる保護装置、断路器は外部回路による検出を行うアイソレータです。そのため、停電や制御回路の故障が発生した場合には、断路器の性能が制限され、動作不能となる危険性があります。

表: 3 つのデバイスの違い

II. バリアント規格からの保護に関する要件間の大きな違い

現在、GB/T 14048.2-2020 (IEC 60947-2:2019) はサーキット ブレーカーに適用され、GB/T 14048.3-2017 (IEC 60947-3:2015) は現在断路器に適用されます。 これら 2 つの規格には、熱保護、磁気保護、開閉容量の定格短絡電流の倍数などにおいて大きな違いがあります。

Ⅲ． 太陽光発電システムのさまざまな設計におけるプロテクターの特定の要件 (適用シナリオの違い)

GBT および IEC には、PV システムの DC 側の保護に関する特定の要件があり、具体的には次のとおりです。

1) MPPT の 1 つの経路に 3 ストリング以上のモジュールには、過電流保護装置が必要です。

注: Ns – 並列接続されたストリングの数。 ISC-MOD – PV モジュールの短絡電流。 IMOD-MAX-OCPR – PV モジュールの最大過電流保護定格。

2) 過電流保護装置には、規格に準拠した特殊なヒューズまたはサーキットブレーカーが必要です。

電動断路器は保護機能がないため、遮断器やヒューズとは機能が全く異なり、これが関連規格の保護器の対象から除外される根本的な原因となっています。

IV. フィールドテストで断路器がモジュールを効果的に保護できない（破損）（保護効果の違い）

モーター式断路器のみ (ヒューズ、回路ブレーカー、その他の保護装置なし) を提供する場合、どのようなリスクがありますか? インバータの安全設計が異なると、過電流によるさまざまな結果が生じます。具体的には次のとおりです。

1) MPPT の 1 つのパスに 2 つのストリングを備えたモジュール: 障害が発生した場合、システム内の最大短絡電流または逆流電流はモジュール内の短絡電流に等しく、システムの安全性には影響しません。ディスコネクターが動作しません。

2) MPPT の 1 つのパスに 3 つ以上のストリング (ここでは 5 つのストリングを例にします) を備えたモジュール: 故障時に 1 つのストリングが短絡すると、他の 4 つのストリングの電流が短絡点まで流れます。が発生するため、4回故障時には回路に短絡電流が流れます。 この場合断路器が機能しない場合、火災が発生するまで、関連部品は継続的な過電流によって損傷します。

これに基づいて、業界関係者が最近懸念しているテスト実験のレビュー:

文字列の逆接続テスト:そのうちの1つの経路を逆接続テスト（アノードとカソード間を逆にする）を行うために取られ、このストリングの経路と他の4つの経路で回路が形成され、この場合、その4つの経路からの逆流電流により70Aの電流が形成されました。文字列のパス。 故障が発生すると断路器が作動しなくなり、該当部品の温度が急激に上昇しました。 この場合、モジュールのダイオードは150℃を超える温度で爆発しました。

文字列の逆流防止テスト : パスの 1 つで逆流テストを実施したところ、ストリングの他の 4 つのパスから故障したストリングに逆流電流 (最大 30A) が流れました。 障害が発生すると、断路器が動作しなくなり、関連するモジュールおよび回路の温度が急速に上昇しました（1 分間で 49 ℃上昇し、76.8 ℃まで）。

概要: 電動断路器はサーキットブレーカーと同等ではありません。

電動断路器は保護原理（動作）や規格要件がサーキットブレーカーとは異なるため、相互に置き換えることはできません。 ディスコネクタは、システムの保護能力を向上させるためにサーキットブレーカーなどの保護装置と併用して冗長構成として使用できますが、ヒューズやサーキットブレーカーの代替として単独で使用しないでください。

安全プロテクターの選択と構成には注意が必要です。