作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

公用事業級光伏 (PV) 系統通常能產生數兆瓦 (MW) 的電力，是綠色能源和可持續發展的關鍵因素。每發出一兆瓦的電能就需要分布在幾英畝土地上的約 2,900 塊太陽能電池板、一臺或多臺逆變器和控制器，以及電網連接設備。將所有這些元器件與光伏系統連接，可能需要數英里長的電源和監控電纜，以及數以萬計的電纜管理組件。如果實施不當，布線和線纜管理組件實際上就會成為薄弱環節，從而降低效率，限制利用率，增加安全隱患，并提高安裝和運行成本。

設計安全高效的電纜管理裝置非常復雜。電纜管理裝置具體包括用于電力電纜短路保護的電纜夾板、用于保護安裝維修人員的無電壓測試儀、用于可靠的信號和監控連接的邊緣夾式電纜扎帶，以及用于電源和接地的壓縮接線片。此外，這些組件還必須符合各種國際標準，如電纜夾板必須符合 IEC 61914:2015 標準，以確保能夠承受接地故障；無電壓測試儀必須按照美國國家防火協會 (NFPA) 和 UL 及 CSA 安全標準的要求進行操作；太陽能組件必須符合 IEC 61215 關于戶外光伏裝置條件的一般要求。

本文將深入探討公用事業級光伏設備中的各種因素，特別關注所需的大量電纜管理組件，詳細介紹一些相關的國際安全標準，并介紹惡劣環境下運行及經濟高效地安裝的具體要求。在整個討論期間，我們將重點介紹 [Panduit]的典范產品。

BOS 的重要性與日俱增

在光伏安裝中，平衡系統 (BOS) 包括除光伏板以外的所有設備，如機架、電纜、電纜管理、逆變器和其他系統設備以及人工和軟件。隨著光伏板技術的改進，光伏板價格的下降速度超過了 BOS 組件的價格。根據國際可再生能源機構 (IRENA) 的分析，光伏發電裝置的成本降低了 62% 得益于光伏板和逆變器價格的下降^1^ 。

光伏板和逆變器的成本下降使 BOS 組件成為人們關注的焦點。根據國際可再生能源機構，BOS 在光伏裝置成本中所占的比例越來越高，從 2007 年的 58% 上升到 2017 年的 80%（圖 1）。與此同時，將配電母線提升至 1 kV直流或更高的電壓增加了 BOS 組件相對于系統效率和系統安全的重要性。展望未來，在推動降低成本和改進運行方面，BOS 組件將發揮越來越重要的作用，包括提高電網級光伏系統的安全性和效率。

圖 1：光伏板在裝置成本中所占比例的下降，增加了 BOS 在光伏系統中的重要性。（圖片來源：Panduit）

電纜管理是電網級光伏系統中 BOS 的一個重要方面，對安全、成本和效率都有重大影響。在優化電纜管理方面，電纜夾板就是一個很好的例子。電纜夾板為電力電纜提供短路保護。如果沒有適當的保護措施，短路時的大電流會使導體發熱，進而可能導致火災或爆炸。短路電流也會對配電電纜造成巨大的機電應力。

為了最大程度地保證安全，電纜夾板必須符合 IEC 61914:2015 標準的要求。最大機電應力約在短路事件后 5 ms 后產生。這遠早于斷路器等電路保護裝置做出反應所需的 60 ms 至 100 ms 的時間。IEC 61914:2015 規定電纜夾板（有時稱為電纜夾）的短路測試持續時間為 100 ms。Panduit 在設計電纜夾板時采用了仿真軟件，然后對其進行帶電短路故障測試，以確認是否符合 IEC 61914:2015 的規定（圖 2）。

圖 2：短路初期電纜上電磁力的 ANSYS 軟件仿真。（圖片來源：Panduit）

IEC 61914:2015 不僅涉及短路保護，還做了以下規定：

• 額定溫度
• 抵抗火焰傳播
• 耐腐蝕
• 軸向負載測試
• 橫向負載測試
• 耐沖擊
• 抗紫外線

Panduit 的 Trefoil 電纜夾采用 316L 不銹鋼（也稱為船用不銹鋼）制造，提供適用于直徑為 20 mm 至 69 mm 的電纜。例如，[CCSSTR6269-X] 型電纜夾適用于直徑為 62 mm 至 69 mm 的電纜。這些電纜夾板可在電纜鋪設后使用 Panduit 安裝支架安裝，或在電纜鋪設前使用 M8 螺栓通過固定孔將其直接固定在電纜橋架的橫檔上（圖 3）。

圖 3：如上圖所示，可使用安裝支架安裝 Panduit 的 Trefoil 電纜夾板。（圖片來源：Panduit）

短路時機電應力的復雜性和 IEC 61914:2015 嚴格的性能要求，使得確定所需的電纜夾成為一項繁重的數學工作。Panduit 提供[電纜夾板 kAlculator]應用，從 60 多種 Panduit 電纜夾板產品中為您推薦 IEC 61914:2015 短路解決方案，加快選型。使用 kAlculator 應用可將電纜夾選型簡化為簡單的三個步驟：

1. 選擇電纜布局。
2. 輸入電纜直徑。
3. 輸入短路電流峰值。

該應用提供組件和間距建議。

電源和接地

除了用于電源和接地電纜的電纜夾外，公用事業級光伏裝置還需要電源和接地連接。銅壓縮接線片可提供高效連接，Panduit 提供唯一按照 Telcordia Technologies 測試的、符合網絡設備樓宇系統 (NEBS) 3 級要求的壓縮銅接線片。[Pan-Lug 壓縮連接器]符合 NEBS 3 級標準，對于諸如公用事業級光伏等要求在設備壽命期內停工維護最少的應用來說，可確保用戶實現可靠的性能。

公用事業級光伏裝置的設計人員可采用 Panduit 的柔性導體、雙孔、標準套管連接器，這種連接器可與柔性、超柔性和編碼絞合銅導體配合使用，以實現高效可靠的電源和接地連接。例如， 型號 [LCDX1/0-14B-X] 用于 1 號美制線規 (AWG) 電纜，有兩個 0.25 英寸螺柱孔，間距為 0.75 英寸（圖 4）。所有 Pan-Lug 壓縮接線片的共同特點包括：

• 通過 UL 認證和 CSA 認證，電壓可達 35 kV，額定溫度為 +90°C。
• 套管末端帶內部斜面，簡化了導線插入。
• 觀察窗，確保完全插入。
• 99.9% 純銅，采用鍍錫工藝防止腐蝕。

圖 4：這種壓縮接線片可用于公用事業級光伏系統的電源和接地連接。（圖片來源：Panduit）

夾子和扎帶

除電力布線外，公用事業級光伏發電設施還包括數英里長的、用于控制和監控功能的布線。如果規定和安裝不當，用于電纜管理的電纜夾和扎帶會降低系統可靠性，增加安裝和運行成本。通用型電纜夾不適合長期暴露在陽光和戶外天氣條件下。如果在光伏裝置中使用，通用的非抗紫外線 (UV) 塑料夾和扎帶可能會變脆，因此需要定期更換。此外，鹽分會腐蝕金屬夾，損壞光伏電池板的鍍鋅邊緣。這兩種情況會造成維護成本都會大幅增加，并影響到可靠性。

光伏系統設計人員可以使用 Panduit 的 [CMSA12-2S-C300] 等邊緣夾式電纜扎帶，而不是使用通用的夾子和扎帶，前者采用耐候型熱穩定尼龍 6.6 和鍍鋅金屬夾制成，且通過 IEC 61215 標準測試，適用于室外光伏裝置（圖 5）。其他特性包括：

• UL94V-2 可燃性等級。
• 額定工作溫度范圍為 -60°C 至 +115°C。
• 符合 EN45545-2 R22:HL3 和 R23:HL3 防火標準。
• 紫外線老化預期壽命為 7 至 9 年。

圖 5：這種邊緣夾式電纜扎帶采用耐候型尼龍 6.6 和鍍鋅鋼夾，可確保在惡劣的戶外條件下仍保持高可靠性。（圖片：Panduit）

這種邊緣夾式電纜扎帶固定座在固定線束時無需粘合劑或鉆孔。這種設備預裝了電纜扎帶和夾子，可安裝在厚度從 0.7 mm 到 3 mm 不等的面板邊緣，具體取決于型號。無需工具即可將金屬夾可靠固定。

用于快速安裝。傳統束線帶的安裝時間約為 21 s，而這些邊緣夾的安裝時間僅需 11 s，每個夾子可節省 10 s。這樣可以節省大量時間。在典型的公用事業級光伏裝置中，每發出一兆瓦電能需要 2,900 塊光伏板，每塊光伏板需要三個夾子，因此可節省 24.17 個小時或 47% 的人工（安裝傳統束線帶需要 50.75 個小時，而安裝 Panduit 的太陽能電纜邊緣夾僅需要 26.58 個小時）（圖 6）。

圖 6：使用太陽能電纜夾可將安裝時間縮短 47%。（圖片來源：Panduit）

電網級光伏發板的維護

在維護電網級光伏設備，尤其是維護配電電纜時，根據安全法規要求，需要進行電壓驗證測試，以確保不存在危險電壓。例如，根據美國國家防火協會 (NFPA) 的 NFPA-70E 規范，確認在設備機柜內確認沒有高電壓后，維護人員才能在機柜內進行工作。使用手持便攜式測試儀器進行無電壓 (AVT) 測試非常復雜，不僅可能會出現誤差，而且耗費時間。Panduit 的[VeriSafe AVT] 提供了一種自動解決方案，可在打開柜門之前測試設備柜內有無危險電壓。使用自動測試解決方案有以下幾個好處：

• 可靠性可提高安全性并降低風險。
• 簡便性可提高生產率并確保符合安全規定。
• 靈活性增強了實施性。

VeriSafe AVT（如 [VS-AVT-C02-L03]型器件）由多個元件組成，包括一個位于外殼內的隔離模塊，用于將冗余傳感器導線連接到高壓區域以及中性線和地線。隔離模塊與電池供電型指示燈模塊可靠地相連，當機柜門關閉時，指示燈模塊和連接兩個模塊的電纜就會明顯外露（圖 7）。

圖 7：AVT 系統由系統電纜（左）、指示器模塊（中）和帶傳感器導線的隔離模塊（右）組成。（圖片來源：Panduit）

使用 VeriSafe AVT 系統啟動測試時，按下指示器模塊上的測試按鈕，系統將執行自檢。如果自檢失敗，紅色 LED 指示燈和測試停止燈點亮。如果自檢通過，隔離模塊將測試電壓和接地故障。最后一步是 AVT 進行第二次自檢。只有當第二次自檢通過且無電壓存在時，AVT 才會顯示人員可以安全地打開機柜并對系統進行操作。

結束語

BOS 組件在公用事業級光伏裝置成本中所占的比例越來越大。電纜管理是BOS 設計的一個重要方面，選擇經過優化的電纜夾、電源和接地片以及邊緣夾式電纜扎帶可顯著提高這些裝置的可操作性和安全性。新增的自動無電壓測試功能可滿足持續的維護工作需要，從而提高安全性并降低運營成本。