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淺談外帶觸指技術及其在光伏連接器中的應用
發外于:2019-06-14 16:31:58
來源:史陶比爾(杭州)精密機械電子有限集團作家:袁萬強、沈錢平、馬良

光伏產業發展至今,技術的革新層出不窮。對于光伏連接器來說,僅僅經歷了兩代的轉變,或許“穩”才是其發展之道。“穩”意味著可靠性和安全性,這與連接器廠商的電連接技術水平和經驗息息相關。作為一種導電介質,外帶觸指是經過特殊成型的彈性連接元件,能夠明顯改善電連接和能量傳輸質量,使連接用具備持續低的接觸電阻。

1. 光伏連接器簡史

在光伏連接器未出現之前,光伏電站的連接主要通過“splice”(螺絲端子或接合連接件)方式來實現。隨著行業的發展,業內對快速、安全和易操作的連接方案需求愈發強烈。

1996年,一種新型的插入式連接器(plug-in connector)應運而生,這就是史陶比爾MC3光伏連接器。 MC3是真正意義上的光伏連接產品,它跟“splice”是完全不同的兩種連接方式,它的意義在于重新界說了光伏組件的連接。2002年,史陶比爾MC4面市,再次重新界說了光伏連接器,它真正實現了“即插即用”(plug and play)。隨著光伏電站系統的要求越來越高,不管是從標準層面還是安全層面,MC4出現并取代MC3成為一種必然。MC4從2002年研發并推向市場至今,已經成功應用了近17年,逐漸成為行業的一種標準。目前,市面上連接器產種類類繁多,但無論從結構還是外形上,大都采用MC4的樣式,因此咱們可稱其為“類MC4”。

圖片1

圖1 光伏連接器的演變

從電連接形式來看,“splice”是采用硬連接,而史陶比爾MC3和MC4連接器則使用了外帶觸指連接技術。史陶比爾外帶觸指技術,在電連接器領域已經應用超50年,廣泛應用于光伏、輸配電、自動化和電動交通等20余個行業。

2. 外帶觸指技術

電連接是指通過機械力將兩個帶電導體連接起來的可分連接。然而,該機械力作用產生的接觸覆蓋面(外面接觸區域)并不等于用于負載電流的有效接觸面。有效接觸面積明顯小于外面接觸面積,電流通道集中在單個接觸點,從而導致電阻增大。也即,看似面與面的連接,其實是點與點的連接。

圖片5
 

圖2 外面接觸區域與有效接觸面

MULTILAM技術,也稱為外帶觸指技術,即在兩個接觸面之間建立平行接觸點。每一個接觸頁片形成獨立的彈性負載載流橋,這樣就能大大減少整個接觸電阻。根據給定的每一個接觸頁片的接觸力、幾何結構、彈性特征以及外面材質的硬度和屬性,可以準確地計算出接觸電阻。

MULTILAM的接觸電阻Rl相當于并聯連接的接觸頁片的電阻。每一個接觸頁片的集合形狀均為實現長久的工作壽命而設計。頁片恒定的彈性壓力可以使接觸界面之間的連接保持穩定,從而實現恒定的低電阻(見圖3)。


 

圖3 外帶觸指原理

3. 外帶觸指技術在光伏連接器中的應用

相較于輸配電等行業的各類型外帶觸指應用,光伏連接器所使用的外帶觸指則較為簡單。前文所述光伏連接器的“穩”,一是指二十多年來光伏連接器的結構和外形變化不大,另一方面則是光伏連接器在長期使用中應體現出的穩定性,這一點與外帶觸指密切相關。

外帶觸指根據不同的應用環境會在材料、鍍層、類型、尺寸、正壓力、安裝槽設計等等方面有著嚴格的規定。本文著重從尺寸配合及外帶觸指整體工藝等角度進行分析。

3.1 配合尺寸

出于市場考慮,很多廠家在宣傳時提到“MC4兼容”的概念。其實這是一種誤導,無論是史陶比爾還是第三方認證機構都明確外明禁止互插,有些邦家還從法律法規上對光伏電站中所用連接器進行了規定。

連接器互插無法保證核心元器件—外帶觸指的長期有效接觸。對于這類連接,安裝槽的尺寸公差及外帶觸指與金屬件的配合尺寸公差都是經過史陶比爾反復試驗及計算總結出來的。固然其它連接器廠商聲稱可與MC4互插,但是由于金屬件、MULTILAM及安裝槽的不確定性會造成該部分電阻的增加。此外,還需要夸大的是光伏連接器在使用中的長期有效性,盡管有些連接器在與MC4互插后初始電阻增加不明顯,但這并不意味著幾個月甚至幾年之后電阻的穩定性。為了驗證以上理論,史陶比爾針對不同連接器互插進行了TC200+DH1000以及短時間大電流測試。

3.1.1 TC200(通額定電流)+DH1000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4所示。其他廠家連接器與MC4互插后,接觸電阻迅速增加,相同電流下,大的接觸電阻所產生的溫升會使連接器非金屬件老化速度加快,在一些極端情況下會造成連接器熔毀。


 

圖4 互插后的電阻增值

3.1.2 短時間大電流測試(3-5分鐘、100A)

從圖5可以看出:3分鐘,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,而內部溫度最高也達到了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。與之形成鮮明對比的是MC4自身公母頭插合后的測試結果:除了溫度由初始的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。但是,該測試卻從正面直觀的反映出互插帶來的潛在威脅。

3.2 整體工藝

外帶觸指的使用是一個大的概念,與咱們上文提到過的參數息息相關。涉及到廠家信息保密因素無法在本文一一展開討論,但是咱們可以通過實驗的手段來展現外帶觸指對產品性能的影響。

該實驗采用的是某“類MC4”連接器。需特別指出的是,“類MC4”連接器使用的是形似外帶觸指的導電介質。測試項目雖采用IEC62852標準但試驗條件更加嚴苛,例如TC200(通額定電流)之后又進行了TC400(通額定電流)的測試,而DH1000后又進行了DH2000的測試。每項測試后都有相關的測試項目對產品整體進行驗證,但由于導電介質與光伏連接器的接觸電阻息息相關,因此本文將只討論該連接器實驗后接觸電阻的變化。

本次實驗采用樣品共10套。TC400+DH2000結束后,只有三套樣品外現符合標準要求,另外四套接觸電阻均有明顯的增大,其中變化最大的已經超過40mΩ,超過其最大接觸電阻的80倍,更是目前MC4最大接觸電阻的160倍,另外三套則是燒熔或變形狀態,其燒熔點和變形點均為連接器中間導電介質所在位置,見圖6。

測試后,如果僅從接觸電阻的變化來看,該連接器失效比率達70%。如果該連接器應用于光伏電站中,那么最大的風險點就是中間連接部位,即導電介質和金屬部件接觸的部位。

4. 結語

連接器是能量的傳輸者和電力的搬運工。能量在傳輸時,必然會有損耗。對于連接器廠商來說,最大的考驗就是如何以最小的能量損耗實現安全和穩定地傳輸。積50余年應用經驗的史陶比爾外帶觸指技術,能夠保障連接用具備長期穩定的低接觸電阻。

【相約SNEC 2019:E1-555】

關于史陶比爾

從小型連接器到大功率連接器,史陶比爾電連接器廣泛應用于替代能源、輸配電、自動化、鐵路、測試測量和電動交通等諸多行業。在光伏領域,史陶比爾光伏連接器是環球市場領導者,迄今已成功連接超240GW光伏系統。史陶比爾一切電連接器都是基于MULTILAM核心專利技術。


索比pc蛋蛋算法(jixizp.com)責任編輯:韓哲

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