引言

2012年柏林第四届光伏安全会议上曾指出造成光伏电站损坏的因素中火灾仅为2%，而火灾对电站所造成的经济损失却达到了惊人的26%，排在了所有经济损失因素中的第一位。

source:Photovoltaik-Auf die Qualitaetkommtes an! – Rainer Kohlenberg, MannheimerVersicherung,2010 – Dehn- und SoehneFachforumPhotovoltaik 2010

可见电站火灾是一个所有业主及供应商都无法回避的问题，那么什么是造成电站发生火灾的最大因素呢?这个问题也始终困扰着光伏同行。前几年国外知名机构FraunhoferISE和TÜV联合对光伏系统火灾原因调查后发现排在第一位和第三位的火灾原因都与连接器有关。

Source: Results of FMEA-Analysis”PV-Brandschutz” Project Fraunhofer ISE&TÜV

基于以上论述，为深入剖析连接器在光伏电站中发生火灾的原因，本文将对来自国内各电站实际使用中烧毁的产品进行分析，希望能给广大业主和光伏从业者提供一些有用信息，以便提高电站初期建设质量及后期运营效率。

2样品概况

本次分析的数十个烧毁连接器，均来自西北某几个大型地面电站。西北地区相对恶劣的应用环境，极易导致连接器失效问题发生，因而将其作为分析样本具有一定代表性。

由于样品烧毁严重(如图1所示)且本着只比较分析的原则，本文将隐去所有失效样品公司的名称。同时由于涉及到连接器的一些理论及数据，因此本文将以史陶比尔公司的MC4光伏连接器作为例子说明以便分析更明了透彻。

图1：国内光伏电站连接器烧毁案例

3失效分析

对所有的样品进行初步外观分析后发现，连接器烧毁的部位主要存在于连接器的中间部分(即A-B段，记为Rco)及两端压接部分(即C-D段，记为Rcr)(见图2)。

图2：光伏连接器示意图

发生火灾的根本原因就在于通流情况下连接器的电阻增大导致温升增加并超出塑料外壳及金属件所能承受的温度范围从而引发火灾。因此可以说连接器的失效并引发火灾是由塑料外壳和金属件共同作用的结果。

本文将根据现有样品情况着重分析这两方面并从理论上阐述导致接触电阻增大的根本原因，参照图3。

图3：光伏连接器失效样品分析树形图

3.1金属件部分

金属件是连接器组成的主体，也是最主要的通流路径。在各种环境下运行时，稳定的电阻就是保障连接器正常工作的前提条件。

通常意义上连接器的接触电阻R(图4)由3部分组成，即Rco、金属件内阻及Rcr。由于金属件内阻在正常情况下变化较小因此不会在本文中讨论。我们现在着重讨论的是Rco和Rcr。

图4：连接器接触电阻R示意图(插合状态)

3.1.1电阻Rco

如图2中所示，电阻Rco所表示的是连接器对插后金属件搭接部分的电阻。由于史陶比尔公司的第一代产品MC3和第二代产品MC4中都应用了公司的核心专利技术MULTILAM

，而目前全球市场上的光伏连接器都是采用了或者模仿类似的连接，因此，光伏连接器的这部分电阻就一定会由三部分组成：膜阻、MULTILAM本身的电阻及收缩电阻。

如果Rco不正常增大就会导致温度升高，进而导致连接器中间部位引发火灾，见图5、图6及图7。

         图5                                图6                              图7

导致Rco不正常增大的原因主要有如下三个：

1)安装不到位

安装不到位是引起Rco增大的主要因素之一。每个公司的连接器插合后为了能保证通流，A-B段(图2)的搭接长度是一定的，目的就是为了保证两个金属件完全接触。如果在连接器的组装过程中出现安装不到位的情况则金属件的插合就会出现异常(见图8及图9)。

图8：插合到位(剖面)

图9：插合不到位(剖面)

在图9情况下进行通流，由于金属插针和插座没有充分通过MULTILAM接触那么这一部分的电阻Rco就会在通流过程中变大(要远大于连接器厂家所宣称的电阻值)。

由于Rco的实际应用值超出了设计值，因此同样的电流在该部位产生的热量就会增加进而导致温度升高，这种状况还会因为高温所导致一系列后果(例如氧化、老化等等)而进一步加剧。这种恶性循环所带来的最终结果就是连接器烧毁。

对图6中的连接器拆卸后发现金属件搭接的部分很短，仅仅4mm左右(见图10)，这也进一步验证了以上分析。

图10：拆卸后样品

2)不同公司的连接器互插

各公司的连接器互插现象在电站应用中普遍存在，拜访很多电站后会发现有的电站一个阵列竟然有三种连接器互插的情况，而且许多电站业主和组件厂商并没有意识到其危害性，甚至很多连接器厂商都宣称可与MC4互插。其实这是一个很大的误区。UL、TÜV认证机构及史陶比尔公司都明确说明不同厂家生产的连接器是不能互插的，同时澳大利亚光伏安装标准AS5033也明确说明一个电站中不允许两种厂家的连接器互插。不同厂家的连接器可以“compatible”说法是不被接受的。

为什么不同厂家的连接器不能互插?互插会带来什么样的危害?本文还是以MC4光伏连接器结合失效的样品从理论上进行分析互插带来严重后果的可能性(见图11)。

图11：连接器结构示意图

互插无法保证通流的根本原因是无法保证核心元器件MULTILAM的长期有效接触。对于这类连接，安装槽的尺寸公差及MULTILAM与金属件的配合尺寸公差都是经过史陶比尔公司多次试验及计算总结出来的。虽然其它光伏连接器厂家声称可与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。同时，不同厂家的外壳与密封件配合时也会因为尺寸及公差方面的原因而造成原IP等级失效，从而对连接器使用中内部的环境造成伤害并导致失效。此外，我们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互插后电阻增加不明显，但这同样不能保证互插连接器在经过几个月甚至几年之后电阻的稳定性。这也就是大部分不同厂家的连接器在互插并使用一段时间后才发生问题的原因。

为了验证以上理论，史陶比尔公司内部针对不同连接器互插也进行了相关的测试，本文展示其中两项试验来进行佐证。

第一项为TC200(通额定电流)+DH1000的长期性测试。剔除由于互插导致的失效连接器外，有效结果如图12所示：很明显互插的不同连接器接触电阻试验后迅速增加，且增加趋势并未停止。而MC4公母端插合后接触电阻虽然有小幅的增加但之后趋于稳定，而连接器接触电阻的持续稳定性对于光伏电站安全高效的运行至关重要。

图12：不同连接器互插测试结果

第二项则是短时间大电流(3-5分钟、100A通流)测试。从图13中可以看出：3分钟时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。

而与之形成鲜明对比的是MC4自身公母头插合后的测试结果：除了温度有初始的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。但该测试却从正面直观的反映出互插带来的潜在威胁。

图13：不同连接器互插的极限测试

3)电连接技术

正因为金属件在硬连接的过程中所出现的种种问题，所以史陶比尔公司于1962年发明了MULTILAM技术。该技术实现了电连接器在电性能及机械性能方面的可控性。而MULTILAM技术应用是与材料、镀层、热处理、开槽尺寸及公差等这几项重要参数息息相关的。

通过这些参数来实现客户所提出的各类苛刻应用环境，包括高插拔(史陶比尔公司的工业连接器可插拔几百万次)、各类中低温、高温(史陶比尔公司的工业连接器可应用于300度以上的高温)、腐蚀等等。

史陶比尔公司具备50多年的MULTILAM的使用经验，光伏连接器的制造和应用经验则超过20年。而在其它大部分光伏连接器上出现类似技术应用也仅仅是这几年的事情，未经过反复试验验证及长期严酷实践的检验。这也是造成目前市面上的很多连接器在真正应用过程中不稳定的原因。

3.1.2 电阻Rcr

压接电阻Rcr主要是与压接质量和压接工艺有关。我们可以通过压缩比及压接剖面来判断压接质量的好坏。好的压接要求剖面紧密不能留有空隙，同时外形规整(参考图14)。对于常用的4mm2电缆压接，压接处的接触电阻，标准IEC2742/05也提出了小于0.2mΩ的要求，而IEC60352-2则规定压接端的拉出力要大于310N。

图14：好的压接(左)及差的压接(右)

涉及到压接工艺时我们需要注意剥线环节，标准中对于在剥线中切断的铜丝数是有严格规定。如果切断的铜丝较多就会影响压接及通流质量，从而造成较高的温升。而在失效的样品中我们发现：电缆在压接前内部很多铜丝已被剪断(见图15)。

图15：压接端铜丝断裂

为了保证好的压接质量，我们建议采用厂家提供的正规剥线工具及压接工具。同时建议安装时要由连接器厂家专业技术人员做系统详细的培训。

3.2密封性能

例如有些连接器就达到了IP65和IP68的防护等级。由于连接器是与电缆匹配连接，因此当涉及到密封性时，电缆的选择就变的非常重要。一般来说不同的连接器型号会对应不同的电缆外径，其目的就是保证密封性能。例如MC4连接器可匹配3-9mm外径(导体截面积1.5-10mm2)的光伏电缆，其对应的型号却高达6种。为了验证电缆的匹配性，在连接器组装好之后还要对其进行相关的测试，例如IP测试、湿绝缘测试及耐压测试等等。

而在失效的样品中就有两个是用了不同的电缆，且外径相差悬殊。在图16中，该连接器一侧用的是光伏电缆(黑色)，外径为6mm，而另一侧则是用的普通线缆(蓝色)，外径仅为4mm。将蓝色电缆端的螺帽拧开后发现可能由于密封不够竟采用了红色塑料片填充。在该种情况下连接器是很难保证其密封性，因此，在户外应用时有可能会进水进尘，从而破坏绝缘性能，进而引发火灾。

对图17分析也发现类似的问题，连接器的一端是黑色的光伏电缆，外径为6.1mm，而另一端则用了红色的普通电缆且外径仅为3.9mm。

         图16                                            图17

3.3绝缘材料

绝缘材料的选择直接决定了连接器的质量。好的连接器需要选择合适的绝缘材料，而是否合适主要是通过连接器使用要求来确定的，例如材料的耐候性能、耐热性能、阻燃性能、机械性能、绝缘性能等，光伏连接器绝缘材料的选择是这几项性能综合考虑的结果。选择合适的材料才能降低产品在较高的温升下的失火概率。

此外，对于光伏连接器来说是不可以使用回料的。之所以这么说是因为回料的使用有其极其严格的规定和产品检验措施，只有这样才能保证其产品的性能不会下降很多。而光伏连接器在很多的客户端是要求使用25年以上，这就意味着对材料提出了非常高的要求。

虽然使用回料可降低产品成本，但却增加了产品在使用端的失效概率，因此连接器厂商应该加以杜绝。

4失效总结

本文是在提供的失效样品基础上对其进行研究，并从金属件、密封性及绝缘材料的选择这三个方面进行了阐述。

本文对样品的失效机理进行分析并给出相应的改进措施，但由于不是史陶比尔公司的MC4系列产品，因此在本文中无法给出更为精确的数据及规范的组装建议来规避光伏连接器在使用时发生火灾失效的可能性。

光伏连接器在光伏电站中占的成本比重较低，但却是关键部件。前期电站建设时，连接器引发的故障风险往往不受重视，但是后期却会成为电站运维的痛点。因连接器失效而造成的运维成本包括发电量收益损失、备品备件成本、人力成本以及安全风险，这些运维成本最终都会影响电站的投资回报。质量可靠且由丰富生产组装经验的供应商提供的光伏连接器是保证光伏电站正常稳定运转的基础之一，而电站的正常运转则是保证业主最大收益的前提之一。

本文仅仅是针对提供的样品进行分析，因此很难覆盖电站在实际运维操作中出现的各类问题。不管问题出现前还是出现后，史陶比尔公司都愿与客户分享其在光伏行业20多年的成功经验并帮助客户实现其最大利益。