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浅谈表带触指技术及其在光伏连接器中的应用

原标题:浅谈表带触指技术及其在光伏连接器中的应用

光伏产业发展至今,技术的革新层出不穷。对于光伏连接器来说,仅仅经历了两代的转变,或许“稳”才是其发展之道。“稳”意味着可靠性和安全性,这与连接器厂商的电连接技术水平和经验息息相关。作为一种导电介质,表带触指是经过特殊成型的弹性连接元件,能够显著改善电连接和能量传输质量,使连接器具备持续低的接触电阻。

1. 光伏连接器简史

在光伏连接器未出现之前,光伏电站的连接主要通过“splice”(螺丝端子或接合连接件)方式来实现。随着行业的发展,业内对快速、安全和易操作的连接方案需求愈发强烈。

1996年,一种新型的插入式连接器(plug-in connector)应运而生,这就是史陶比尔MC3光伏连接器。 MC3是真正意义上的光伏连接产品,它跟“splice”是完全不同的两种连接方式,它的意义在于重新定义了光伏组件的连接。2002年,史陶比尔MC4面市,再次重新定义了光伏连接器,它真正实现了“即插即用”(plug and play)。随着光伏电站系统的要求越来越高,不管是从标准层面还是安全层面,MC4出现并取代MC3成为一种必然。MC4从2002年研发并推向市场至今,已经成功应用了近17年,逐渐成为行业的一种标准。目前,市面上连接器产品种类繁多,但无论从结构还是外形上,大都采用MC4的样式,因此我们可称其为“类MC4”。

图1 光伏连接器的演变

从电连接形式来看,“splice”是采用硬连接,而史陶比尔MC3和MC4连接器则使用了表带触指连接技术。史陶比尔表带触指技术,在电连接器领域已经应用超50年,广泛应用于光伏、输配电、自动化和电动交通等20余个行业。

2. 表带触指技术

电连接是指通过机械力将两个带电导体连接起来的可分连接。然而,该机械力作用产生的接触覆盖面(表面接触区域)并不等于用于负载电流的有效接触面。有效接触面积明显小于表面接触面积,电流通道集中在单个接触点,从而导致电阻增大。也即,看似面与面的连接,其实是点与点的连接。

图2 表面接触区域与有效接触面

MULTILAM技术,也称为表带触指技术,即在两个接触面之间建立平行接触点。每一个接触页片形成独立的弹性负载载流桥,这样就能大大减少整个接触电阻。根据给定的每一个接触页片的接触力、几何结构、弹性特征以及表面材质的硬度和属性,可以准确地计算出接触电阻。

MULTILAM的接触电阻Rl相当于并联连接的接触页片的电阻。每一个接触页片的集合形状均为实现长久的工作寿命而设计。页片恒定的弹性压力可以使接触界面之间的连接保持稳定,从而实现恒定的低电阻(见图3)。

图3 表带触指原理

3. 表带触指技术在光伏连接器中的应用

相较于输配电等行业的各类型表带触指应用,光伏连接器所使用的表带触指则较为单一。前文所述光伏连接器的“稳”,一是指二十多年来光伏连接器的结构和外形变化不大,另一方面则是光伏连接器在长期使用中应体现出的稳定性,这一点与表带触指密切相关。

表带触指根据不同的应用环境会在材料、镀层、类型、尺寸、正压力、安装槽设计等等方面有着严格的规定。本文着重从尺寸配合及表带触指整体工艺等角度进行分析。

3.1 配合尺寸

出于市场考虑,很多厂家在宣传时提到“MC4兼容”的概念。其实这是一种误导,无论是史陶比尔还是第三方认证机构都明确表明禁止互插,有些国家还从法律法规上对光伏电站中所用连接器进行了规定。

连接器互插无法保证核心元器件—表带触指的长期有效接触。对于这类连接,安装槽的尺寸公差及表带触指与金属件的配合尺寸公差都是经过史陶比尔反复试验及计算总结出来的。虽然其它连接器厂商声称可与MC4互插,但是由于金属件、MULTILAM及安装槽的不确定性会造成该部分电阻的增加。此外,还需要强调的是光伏连接器在使用中的长期有效性,尽管有些连接器在与MC4互插后初始电阻增加不明显,但这并不意味着几个月甚至几年之后电阻的稳定性。为了验证以上理论,史陶比尔针对不同连接器互插进行了TC200+DH1000以及短时间大电流测试。

3.1.1 TC200(通额定电流)+DH1000长期性测试

剔除由于互插导致的失效连接器外,有效结果如图4所示。其他厂家连接器与MC4互插后,接触电阻迅速增加,相同电流下,大的接触电阻所产生的温升会使连接器非金属件老化速度加快,在一些极端情况下会造成连接器熔毁。

图4 互插后的电阻增值

3.1.2 短时间大电流测试(3-5分钟、100A)

从图5可以看出:3分钟,互插的不同厂家连接器温度已达到160℃,功率损失为700多瓦且外壳已经出现变形特征;4分钟后,互插的连接器外壳开始冒烟,而内部温度最高也达到了200℃以上,功率损耗也持续增加;5分钟后,互插的连接器已开始冒浓烟,功率损耗已达到800瓦,这时候连接器已接近失火状态。与之形成鲜明对比的是MC4自身公母头插合后的测试结果:除了温度由初始的90℃升高到135℃及功率损失由69W升高到73W外,外观并无明显的变化。当然,这种状态也不会持续太长时间,因为毕竟是100A的极限通流测试。但是,该测试却从正面直观的反映出互插带来的潜在威胁。

3.2 整体工艺

表带触指的使用是一个大的概念,与我们上文提到过的参数息息相关。涉及到厂家信息保密因素无法在本文一一展开讨论,但是我们可以通过实验的手段来展现表带触指对产品性能的影响。

该实验采用的是某“类MC4”连接器。需特别指出的是,“类MC4”连接器使用的是形似表带触指的导电介质。测试项目虽采用IEC62852标准但试验条件更加严苛,例如TC200(通额定电流)之后又进行了TC400(通额定电流)的测试,而DH1000后又进行了DH2000的测试。每项测试后都有相关的测试项目对产品整体进行验证,但由于导电介质与光伏连接器的接触电阻息息相关,因此本文将只讨论该连接器实验后接触电阻的变化。

本次实验采用样品共10套。TC400+DH2000结束后,只有三套样品表现符合标准要求,另外四套接触电阻均有明显的增大,其中变化最大的已经超过40mΩ,超过其最大接触电阻的80倍,更是目前MC4最大接触电阻的160倍,另外三套则是烧熔或变形状态,其烧熔点和变形点均为连接器中间导电介质所在位置,见图6。

测试后,如果仅从接触电阻的变化来看,该连接器失效比率达70%。如果该连接器应用于光伏电站中,那么最大的风险点就是中间连接部位,即导电介质和金属部件接触的部位。

4. 结语

连接器是能量的传输者和电力的搬运工。能量在传输时,必然会有损耗。对于连接器厂商来说,最大的考验就是如何以最小的能量损耗实现安全和稳定地传输。积50余年应用经验的史陶比尔表带触指技术,能够保障连接器具备长期稳定的低接触电阻。

【相约SNEC 2019:E1-555】

关于史陶比尔

从小型连接器到大功率连接器,史陶比尔电连接器广泛应用于替代能源、输配电、自动化、铁路、测试测量和电动交通等诸多行业。在光伏领域,史陶比尔光伏连接器是全球市场领导者,迄今已成功连接超240GW光伏系统。史陶比尔所有电连接器都是基于MULTILAM核心专利技术。

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史陶比尔(杭州)精密机械电子有限公司袁万强、沈钱平、马良返回搜狐,查看更多

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