光伏组件的局部放电试验

Partial discharge to PV modules according to IEC61730

 王克勤

一，晶体硅光伏组件安全要求

    光伏组件（PV组件）的质量要求可分为三类：j PV组件的性能；k PV组件的质量可靠性；l PV组件的安全性。三类质量要求同样重要。PV组件的性能（包括Pm，Isc，Voc，Im，Vm，FF）虽然是合同中的技术要求，但是这些性能参数是PV组件采购商最关心的质量，他要根据这些性能参数去设计光伏发电站等；而PV组件的质量可靠性是在PV组件性能指标满足合同要求的前提下，进一步提出的质量要求，要求PV组件在其预期的使用期间内（通常不超过二十年），在承受任何可能的大自然环境条件应力的影响下，例如，冰雹，雷击，阳光暴晒，台风，湿热，冷热温度冲击，异物遮挡等，其性能劣变不能超过5％。而PV组件安全性能则是必须要满足的质量要求，它已经不是合同中的技术要求了，而是法规要求，不依采购合同而修改或偏离。国际标准化组织为此颁布了IEC61730标准，该标准分二个部分，即IEC61730-1光伏（PV）组件安全鉴定 第一部分：结构要求 及IEC61730-2光伏（PV）组件安全鉴定 第二部分：试验要求。IEC61730-1部分主要针对光伏产品基本结构设计和原材料的使用提出要求，指导企业在进行产品设计中如何从结构上确保产品安全。PV组件的结构符合性通常是以产品认证机构对产品设计文件审核和对样品的结构检查为主；IEC61730-2是光伏产品的安全试验要求，是对按IEC61730-1进行设计的PV组件产品通过检测机构在可复现的受控标准试验条件下，对产品安全性进行试验和验证。包括雷击试验，接地阻抗，泄漏电流，绝缘阻抗，介质耐压，局部放电，材料阻燃试验等。本文重点介绍局部放电试验，该试验主要针对光伏组件的绝缘材料，例如背膜。

二，局部放电产生机理

    局部放电是因固体绝缘材料中存在空腔、裂隙以及绝缘中的杂质或液态绝缘材料中存在的气泡产生的。由于空腔、裂隙中的空气其介电常数比环绕周围的绝缘材料介电常数普遍要低，在相同电压应力的作用下，相等距离或厚度的空气中的电场就显著高于周边绝缘介质的电场，当孔腔、裂隙上的电场强度高于起晕电压（corona inception voltage (CIV)）后，绝缘材料中的空腔就会发生局部放电。局部放电会产生局部桥接（类似短路），虽不会影响整体绝缘性能，但是，长时间的局部放电的热效应会使绝缘碳化或穿孔，逐渐破坏绝缘性能，最终导致绝缘失效。

 
 
 
孔洞中的局部放电相当于电容器放电

三，局部放电的测量

测量局部放电按照被测量的定义可以有由以下几种：
● 视在电荷量
● 放电重复率
● 放电功率
● 局部放电起始电压
● 局部放电灭弧电压

    发生局部放电时，电荷量的变化是不能直接测量出的，作为放电电荷量的派生量－放电电流I和功率P也由于持续时间短、幅度小而难以测量。由于局部放电呈现随机分布，测量放电重复率（放电次数）在PV组件工程上也没有意义。工程上，我们最关心的是绝缘材料在多大的电场强度下会产生显著的局部放电，当电场强度低于多少时，局部放电不会发生。因此，IEC61730-2标准规定的是起弧电压（Inception Voltage）和灭弧电压（Extinction Voltage）。由于判定这二个电压需要依照局部放电电荷量，而这是不能直接测量的，因此，IEC61730-2标准引入了IEC60644-1标准中的视在电荷量（q）的定义和相应的间接测量法，视在电荷量以公式q = CbΔ(Vc)表示，以PC（皮库仑）为单位。试验中先用校准的脉冲信号源标定测量系统，然后在被试样品二端注入一可以计量的电压，该被试样品在夹具作用下相当于一个电容，不断升高该电压，使样品发生局部放电，此时，样品二端（电容二极）上会在工频电压上叠加高频放电电压（spikes），用高频电压表类的仪器通过耦合电容测得该高频电压，我们就可以得出视在电荷量q，推算出局部放电量。发生局部放电时的视在电荷量（q）与实际该点上实际的电荷变化量并不相同，但是这是最接近实际的局部放电量的。

    图一是我们的局部放电试验系统的电路原理图，放电电压变化量Δ(Vc)是由窄带－宽带可调高频信号放大器以及高频信号接收机处理，由示波器检测放电毛刺。需要注意的是测试场地周围的背景噪声要很低，因为判断1pC的视在电荷量灵敏度是很高的，要避免周围环境噪波的干扰。

这期间，我们并不在意产生多大的视在电荷量才可认为开始放电，反之，多低的视在电荷量算作不会发生局部放电。因为，经验表明，发生放电时，示波器上的放电毛刺以及监测电压有显著增加，当电压减少到某一值时，放电毛刺几乎没有，监视到的视在电荷量Q明显减少，约1－3个pC。整个过程呈现非线性，有明显的阈值特点，因此，IEC7340-2规定的局部放电试验规定了三个步骤。首先逐渐升高施加样品绝缘上的试验电压，直至局部放电视在电荷量Q超过某一规定值（标准未规定）或显著放电，此时的电压为局部放电的起始电压；然后继续升高该电压10％，稳定局部放电；最后，降低被试绝缘上的电压，直至局部放电视在电荷量Q小于1PC（日本JET为3 pC）。或局部放电现象明显消除，此电压为灭弧电压。IEC61730-2标准规定灭弧电压应该至少为PV组件最大系统电压的1.5倍。起弧和灭弧电压带有明显的阈值特点，而且表现为一个突变过程而不是一个确切的电压数值，测试有离散性和不确定性，需要以数理统计的方式得出灭弧电压，即，以十个样品进行测试，用其结果的算术平均值减去标准偏差，这种方法求出的灭弧电压其实是确切和准确的，因为，当用的数理统计方法对数据处理时，某个样品由于质量不均匀带来的数据离散可以以平均值和标准偏差的原理修正。另外，测试时，不需要也不可能对起弧电压和灭弧电压精确测量，0.3mm厚的光伏组件背膜灭弧电压通常都在1000V左右，因此，测试到10 V已足以精确，特别是计算平均值时精确测量无实际意义，计算标准偏差也有类似结果，以测量分辨率1V和10V为例，假定十个样品的每个数据由于分辨率的原因都相差10V，经过标准偏差的处理后，二者结果只相差3.3V。日本JET测量灭弧电压精确到10V，判定灭弧的条件为≤3pC，当然给出灭弧电压最终结果时要精确到1V。

    什么是PV组件的最大系统电压？人们通常理解光伏产品是低压直流电源产品，以280W的PV组件为例，输出不超过50V，电流不超过8A。但这是针对一片电池组件而言，而工程应用中，PV组件作为补充型电力能源，必将用几十片甚至上百片PV组件组合成阵列发电，然后通过逆变器并网发电，为了减少PV组件阵列传输过程中的电能损耗，一定是采取高电压，低电流的方案，也就是串联阵列。因此，IEC61730-1标准要求组件制造商在产品设计时要考虑到最大系统电压并标识在产品铭牌上，从使用方需求角度，最大系统电压通常为750V－1000V。

    由于绝缘材料的不均匀性以及局部放电的正态随机分布性，IEC61730-2要求以10片材料样品进行试验，并对试验结果进行统计处理，计算算术平均值，方差和标准偏差。

四，测试实例

    下表是我们对某企业的光伏电池组件用背膜进行局部放电试验的数据，材料牌号为四氟，厚度为0.3mm。

 
 起弧电压
 Q(pC)
 1.1倍起弧电压
 Q(pC)
 灭弧电压
 Q(pC)
 方差分量
 
1#
 1200
 430
 1320
 650
 1100
 ≤1
 196
 
2#
 1190
 139
 1309
 720
 1100
 ≤1
 196
 
3#
 1200
 135
 1320
 790
 1120
 ≤1
 36
 
4#
 1230
 610
 1350
 950
 1000
 ≤1
 12996
 
5#
 1220
 480
 1340
 890
 1170
 ≤1
 3136
 
6#
 1220
 460
 1340
 730
 1150
 ≤1
 1296
 
7#
 1180
 480
 1290
 950
 1120
 ≤1
 36
 
8#
 1220
 520
 1340
 990
 1160
 ≤1
 2116
 
9#
 1230
 320
 1350
 1210
 1100
 ≤1
 196
 
10#
 1200
 400
 1320
 1060
 1120
 ≤1
 36
 
算术平均值：1114V
 标准偏差：47V
 修正后的灭弧电压：1067V
 

表中计算标准偏差的公式为：

    从数据中看出，10个样品的起弧电压为1180V－1230V之间，灭弧电压为1000V－1170V之间，按照标准IEC61730-2规定，灭弧电压的平均值减去标准偏差应高于PV组件的最大系统电压1.5倍，对获得的10组数据进行统计处理后得出表中的结果。需要注意的是，测得的灭弧电压为交流有效值，而光伏组件的系统电压是直流，因此，还应把交流灭弧电压乘1.414才能与光伏组件的最大系统电压对应。本测试企业提供的光伏组件最大系统电压为1000V，因此，该材料的试验结果为合格。

    如果企业不能提供最大系统电压，我们的报告结果将只是给出灭弧电压数据，不给合格与否的结论，当企业将该背膜材料使用在最大系统电压低于该电压66％时是合格的。目前，光伏电池组件行业明确标出最大系统电压的还不多。

    IEC61730-2标准在规定局部放电试验方法时直接引用IEC60644-1：2000标准，规范局部放电试验方法还有IEC270标准，该标准也是IEC60644-1或者IEC61730-2所接受的方法，而检测结果的符合性判定则由IEC61730-2标准规定。试验过程中，测试夹具表面与样品表面中间的残留空气也会产生放电，会对测试结果产生不利影响（使局部放电量偏大），因此，试验过程中我们在样品两面涂以硅膏，最大限度排除空气，使测试结果更准确。

    PV组件行业最近有采取绝缘背膜喷涂成形的新工艺，在基板上喷涂一层乳态绝缘塑料，待其固化后再喷涂第二层。这种新工艺形成的绝缘材料由于粘附在基板上，不能提供独立成形的绝缘样品，如何进行局部放电试验？我中心目前采取的做法是要求企业使用相同的材料，相同的喷涂工艺，相同的固化温度和时间，在厚度适宜（0.3mm～0.5mm）的金属基板上喷涂成10块样品，尺寸为75mm×75mm，完全固化后送样。金属基板只是为了形成样品的试验电极，因此对材质和厚度没有要求，但是，要求基板平整且不宜过厚，如果金属基板过厚且又不平整，单靠试验设备电极本身的重量很难形成对样品的全面接触而使试验结果不可靠。如何确认送样的背膜样品与生产的PV组件上的背膜一致？CQC在进行工厂质量保证能力检查时，将依据工厂提交的工艺文件，对照试验室提供的数据，包括样品实物，在现场进行一致性核查，必要时抽样。总之，PV组件绝缘背膜喷涂工艺肯定是CQC质量认证工厂检查的一个关键工序。

    采用新工艺背膜的PV组件，企业若申请作为已经获得CQC标志认证的某型号传统背膜PV组件的派生产品，由于设计和工艺变更显著，除局部放电试验外，还需要补充很多试验项目，如MST23，MST15，MST53，MST51a，MST16等，时间和费用几乎与新组件认证试验项目差不多。

（文章发表在《认证技术》2009年第1期）