优化电缆管理，确保公用事业级光伏系统的安全和效率

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

公用事业级光伏 (PV) 系统通常能产生数兆瓦 (MW) 的电力，是绿色能源和可持续发展的关键因素。每发出一兆瓦的电能就需要分布在几英亩土地上的约 2,900 块太阳能电池板、一台或多台逆变器和控制器，以及电网连接设备。将所有这些元器件与光伏系统连接，可能需要数英里长的电源和监控电缆，以及数以万计的电缆管理组件。如果实施不当，布线和线缆管理组件实际上就会成为薄弱环节，从而降低效率，限制利用率，增加安全隐患，并提高安装和运行成本。

设计安全高效的电缆管理装置非常复杂。电缆管理装置具体包括用于电力电缆短路保护的电缆夹板、用于保护安装维修人员的无电压测试仪、用于可靠的信号和监控连接的边缘夹式电缆扎带，以及用于电源和接地的压缩接线片。此外，这些组件还必须符合各种国际标准，如电缆夹板必须符合 IEC 61914:2015 标准，以确保能够承受接地故障；无电压测试仪必须按照美国国家防火协会 (NFPA) 和 UL 及 CSA 安全标准的要求进行操作；太阳能组件必须符合 IEC 61215 关于户外光伏装置条件的一般要求。

本文将深入探讨公用事业级光伏设备中的各种因素，特别关注所需的大量电缆管理组件，详细介绍一些相关的国际安全标准，并介绍恶劣环境下运行及经济高效地安装的具体要求。在整个讨论期间，我们将重点介绍 [Panduit]的典范产品。

BOS 的重要性与日俱增

在光伏安装中，平衡系统 (BOS) 包括除光伏板以外的所有设备，如机架、电缆、电缆管理、逆变器和其他系统设备以及人工和软件。随着光伏板技术的改进，光伏板价格的下降速度超过了 BOS 组件的价格。根据国际可再生能源机构 (IRENA) 的分析，光伏发电装置的成本降低了 62% 得益于光伏板和逆变器价格的下降^1^ 。

光伏板和逆变器的成本下降使 BOS 组件成为人们关注的焦点。根据国际可再生能源机构，BOS 在光伏装置成本中所占的比例越来越高，从 2007 年的 58% 上升到 2017 年的 80%（图 1）。与此同时，将配电母线提升至 1 kV直流或更高的电压增加了 BOS 组件相对于系统效率和系统安全的重要性。展望未来，在推动降低成本和改进运行方面，BOS 组件将发挥越来越重要的作用，包括提高电网级光伏系统的安全性和效率。

图 1：光伏板在装置成本中所占比例的下降，增加了 BOS 在光伏系统中的重要性。（图片来源：Panduit）

电缆管理是电网级光伏系统中 BOS 的一个重要方面，对安全、成本和效率都有重大影响。在优化电缆管理方面，电缆夹板就是一个很好的例子。电缆夹板为电力电缆提供短路保护。如果没有适当的保护措施，短路时的大电流会使导体发热，进而可能导致火灾或爆炸。短路电流也会对配电电缆造成巨大的机电应力。

为了最大程度地保证安全，电缆夹板必须符合 IEC 61914:2015 标准的要求。最大机电应力约在短路事件后 5 ms 后产生。这远早于断路器等电路保护装置做出反应所需的 60 ms 至 100 ms 的时间。IEC 61914:2015 规定电缆夹板（有时称为电缆夹）的短路测试持续时间为 100 ms。Panduit 在设计电缆夹板时采用了仿真软件，然后对其进行带电短路故障测试，以确认是否符合 IEC 61914:2015 的规定（图 2）。

图 2：短路初期电缆上电磁力的 ANSYS 软件仿真。（图片来源：Panduit）

IEC 61914:2015 不仅涉及短路保护，还做了以下规定：

• 额定温度
• 抵抗火焰传播
• 耐腐蚀
• 轴向负载测试
• 横向负载测试
• 耐冲击
• 抗紫外线

Panduit 的 Trefoil 电缆夹采用 316L 不锈钢（也称为船用不锈钢）制造，提供适用于直径为 20 mm 至 69 mm 的电缆。例如，[CCSSTR6269-X] 型电缆夹适用于直径为 62 mm 至 69 mm 的电缆。这些电缆夹板可在电缆铺设后使用 Panduit 安装支架安装，或在电缆铺设前使用 M8 螺栓通过固定孔将其直接固定在电缆桥架的横档上（图 3）。

图 3：如上图所示，可使用安装支架安装 Panduit 的 Trefoil 电缆夹板。（图片来源：Panduit）

短路时机电应力的复杂性和 IEC 61914:2015 严格的性能要求，使得确定所需的电缆夹成为一项繁重的数学工作。Panduit 提供[电缆夹板 kAlculator]应用，从 60 多种 Panduit 电缆夹板产品中为您推荐 IEC 61914:2015 短路解决方案，加快选型。使用 kAlculator 应用可将电缆夹选型简化为简单的三个步骤：

1. 选择电缆布局。
2. 输入电缆直径。
3. 输入短路电流峰值。

该应用提供组件和间距建议。

电源和接地

除了用于电源和接地电缆的电缆夹外，公用事业级光伏装置还需要电源和接地连接。铜压缩接线片可提供高效连接，Panduit 提供唯一按照 Telcordia Technologies 测试的、符合网络设备楼宇系统 (NEBS) 3 级要求的压缩铜接线片。[Pan-Lug 压缩连接器]符合 NEBS 3 级标准，对于诸如公用事业级光伏等要求在设备寿命期内停工维护最少的应用来说，可确保用户实现可靠的性能。

公用事业级光伏装置的设计人员可采用 Panduit 的柔性导体、双孔、标准套管连接器，这种连接器可与柔性、超柔性和编码绞合铜导体配合使用，以实现高效可靠的电源和接地连接。例如， 型号 [LCDX1/0-14B-X] 用于 1 号美制线规 (AWG) 电缆，有两个 0.25 英寸螺柱孔，间距为 0.75 英寸（图 4）。所有 Pan-Lug 压缩接线片的共同特点包括：

• 通过 UL 认证和 CSA 认证，电压可达 35 kV，额定温度为 +90°C。
• 套管末端带内部斜面，简化了导线插入。
• 观察窗，确保完全插入。
• 99.9% 纯铜，采用镀锡工艺防止腐蚀。

图 4：这种压缩接线片可用于公用事业级光伏系统的电源和接地连接。（图片来源：Panduit）

夹子和扎带

除电力布线外，公用事业级光伏发电设施还包括数英里长的、用于控制和监控功能的布线。如果规定和安装不当，用于电缆管理的电缆夹和扎带会降低系统可靠性，增加安装和运行成本。通用型电缆夹不适合长期暴露在阳光和户外天气条件下。如果在光伏装置中使用，通用的非抗紫外线 (UV) 塑料夹和扎带可能会变脆，因此需要定期更换。此外，盐分会腐蚀金属夹，损坏光伏电池板的镀锌边缘。这两种情况会造成维护成本都会大幅增加，并影响到可靠性。

光伏系统设计人员可以使用 Panduit 的 [CMSA12-2S-C300] 等边缘夹式电缆扎带，而不是使用通用的夹子和扎带，前者采用耐候型热稳定尼龙 6.6 和镀锌金属夹制成，且通过 IEC 61215 标准测试，适用于室外光伏装置（图 5）。其他特性包括：

• UL94V-2 可燃性等级。
• 额定工作温度范围为 -60°C 至 +115°C。
• 符合 EN45545-2 R22:HL3 和 R23:HL3 防火标准。
• 紫外线老化预期寿命为 7 至 9 年。

图 5：这种边缘夹式电缆扎带采用耐候型尼龙 6.6 和镀锌钢夹，可确保在恶劣的户外条件下仍保持高可靠性。（图片：Panduit）

这种边缘夹式电缆扎带固定座在固定线束时无需粘合剂或钻孔。这种设备预装了电缆扎带和夹子，可安装在厚度从 0.7 mm 到 3 mm 不等的面板边缘，具体取决于型号。无需工具即可将金属夹可靠固定。

用于快速安装。传统束线带的安装时间约为 21 s，而这些边缘夹的安装时间仅需 11 s，每个夹子可节省 10 s。这样可以节省大量时间。在典型的公用事业级光伏装置中，每发出一兆瓦电能需要 2,900 块光伏板，每块光伏板需要三个夹子，因此可节省 24.17 个小时或 47% 的人工（安装传统束线带需要 50.75 个小时，而安装 Panduit 的太阳能电缆边缘夹仅需要 26.58 个小时）（图 6）。

图 6：使用太阳能电缆夹可将安装时间缩短 47%。（图片来源：Panduit）

电网级光伏发板的维护

在维护电网级光伏设备，尤其是维护配电电缆时，根据安全法规要求，需要进行电压验证测试，以确保不存在危险电压。例如，根据美国国家防火协会 (NFPA) 的 NFPA-70E 规范，确认在设备机柜内确认没有高电压后，维护人员才能在机柜内进行工作。使用手持便携式测试仪器进行无电压 (AVT) 测试非常复杂，不仅可能会出现误差，而且耗费时间。Panduit 的[VeriSafe AVT] 提供了一种自动解决方案，可在打开柜门之前测试设备柜内有无危险电压。使用自动测试解决方案有以下几个好处：

• 可靠性可提高安全性并降低风险。
• 简便性可提高生产率并确保符合安全规定。
• 灵活性增强了实施性。

VeriSafe AVT（如 [VS-AVT-C02-L03]型器件）由多个元件组成，包括一个位于外壳内的隔离模块，用于将冗余传感器导线连接到高压区域以及中性线和地线。隔离模块与电池供电型指示灯模块可靠地相连，当机柜门关闭时，指示灯模块和连接两个模块的电缆就会明显外露（图 7）。

图 7：AVT 系统由系统电缆（左）、指示器模块（中）和带传感器导线的隔离模块（右）组成。（图片来源：Panduit）

使用 VeriSafe AVT 系统启动测试时，按下指示器模块上的测试按钮，系统将执行自检。如果自检失败，红色 LED 指示灯和测试停止灯点亮。如果自检通过，隔离模块将测试电压和接地故障。最后一步是 AVT 进行第二次自检。只有当第二次自检通过且无电压存在时，AVT 才会显示人员可以安全地打开机柜并对系统进行操作。

结束语

BOS 组件在公用事业级光伏装置成本中所占的比例越来越大。电缆管理是BOS 设计的一个重要方面，选择经过优化的电缆夹、电源和接地片以及边缘夹式电缆扎带可显着提高这些装置的可操作性和安全性。新增的自动无电压测试功能可满足持续的维护工作需要，从而提高安全性并降低运营成本。