最佳化的電纜管理可確保公用事業規模 PV 系統的安全性與效率

公用事業規模的光伏 (PV) 系統通常會產生數百萬瓦 (MW) 的電力，是促進綠色能源和永續性的關鍵要素。每 MW 需要大約 2,900 個太陽能板，分佈在數英畝的土地上，還要有一個或多個逆變器和控制器，加上電網連接設備。要將這些要件全都連接到 PV 系統，可能需要數英里的電源和監測纜線，以及數萬個電纜管理元件。若未正確實施，佈線和電纜管理元件實際上會變成脆弱環節，進而降低效率、限制可用性，增加安全風險，並且提高安裝和營運成本。

設計安全高效的電纜管理設備非常複雜。包括用於對電源電纜進行短路保護的電纜夾；採用電壓測試器，以保護維修設備的人員；邊緣夾式電纜扣，可達到可靠的發訊並監測連接；用於電源和接地的壓縮接片連接器。此外，這些元件必須符合多重國際標準，例如電纜夾就必須符合 IEC 61914:2015，以確保能耐受接地故障，並採用電壓測試器，且必須依照美國國家消防協會 (NFPA) 和 UL 和 CSA 的安全標準進行操作，還要遵守太陽能元件的一般要求，以耐受戶外條件，如 IEC 61215 針對 PV 設備所制訂的規定。

本文將深入探討公用事業規模 PV 設備中的元素，並特別關注其所需的大量電纜管理元件，也會詳細說明一些相關的國際安全標準，並瞭解要在惡劣環境中操作，並達到經濟高效架設的要求。在本文的討論中，會以 Panduit 的產品為例重點說明。

BOS 日益重要

在 PV 設備中，系統平衡 (BOS) 包括 PV 面板以外的所有元素，例如機架、電纜、電纜管理、逆變器與其他系統裝置，以及人工和軟體。隨著 PV 面板技術增進，面板價格的下降速度比 BOS 元件價格的下降速度更快。根據國際再生能源機構 (IRENA) 的分析，PV 設備降低的成本中，有 62% 是因為 PV 面板和逆變器的價格下降¹。

PV 面板和逆變器成本的下降讓 BOS 元件受到關注。根據 IRENA 的資料，BOS 在 PV 設備中所佔的成本比例，從 2007 年的 58%，上升到2017 年的 80% (圖 1)。同時，將配電匯流排提高到 1 kV_DC 以上，BOS 元件對於系統效率和安全性的重要性會隨著提高。今後，BOS 元件對於推動成本的降低和操作的改善會越來越重要，包括提高電網規模 PV 系統的安全性和效率。

圖 1：PV 面板在安裝成本中所佔的比例已經降低，進而提升 BOS 在 PV 系統中的重要性。(圖片來源：Panduit)

電纜管理對於電網規模 PV 系統中的 BOS 來說是關鍵環節。對安全性、成本和效率有重大影響。電纜夾就是證明電纜管理最佳化優勢的良好例子之一。能為電源纜線提供短路保護。如果沒有適當的保護，短路期間所經歷的高電流會讓導線發熱，進而引發起火或爆炸的可能性。短路電流還會導致配電纜線產生巨大的機電應力。

為了達到最大安全性，電纜夾必須符合IEC 61914:2015 的要求。在短路事件期間，大約 5 毫秒 (ms) 後就會面臨最大的機電應力。這比電路防護裝置 (如斷路器) 所要求的 60 到 100 ms 反應時間還提早許多。IEC 61914:2015 規定電纜夾 (又稱電纜固定夾具) 的短路測試持續時間為 100 ms。Panduit 在設計電纜夾時會運用模擬軟體，進入實際的短路故障情況，以確認符合 IEC 61914:2015 的規定 (圖 2)。

圖 2：ANSYS 軟體可模擬電纜在短路初期階段的電磁力。(圖片來源：Panduit)

IEC 61914:2015 不僅規範短路保護，也針對以下層面制訂規定：

• 額定溫度
• 防止火焰擴散
• 抗腐蝕
• 軸向負載測試
• 橫向負載測試
• 抗衝擊
• 抗 UV

Panduit 的 Trefoil 電纜夾採用 316L 不鏽鋼製成，也稱為航海級不鏽鋼，其型號可容納直徑介於 20 至 69 mm 的電纜。以CCSSTR6269-X 型號為例，就可處理 62 至 69 mm 的電纜直徑。使用 Panduit 安裝支架佈線後就可安裝這些電纜夾，或在佈線前，先將電纜夾直接裝在電纜托盤上，並使用 M8 螺栓穿過固定孔 (圖 3)。

圖 3：如上圖所示，Panduit 的 Trefoil 電纜夾可透過安裝支架進行安裝。(圖片來源：Panduit)

在短路期間所經歷的機電力具有複雜性，再加上 IEC 61914:2015 具有嚴格的效能要求，因此讓電纜夾的識別成了一項繁重的數學作業。Panduit 提供 電纜夾 kAlculator 應用程式，可在超過 60 款的 Panduit電纜夾產品中，推薦符合 IEC 61914:2015 的短路解決方案，以便加速挑選產品。使用 kAlculator 應用程式就可將電纜夾的挑選作業縮短成簡單的三個步驟：

1. 選擇電纜佈局。
2. 輸入電纜直徑。
3. 輸入峰值短路電流。

應用程式會提供元件和間距的建議。

電源和接地

除了用於電源和接地電纜的電纜夾外，公用事業規模的 PV 設備還需要電源和接地連接。銅壓縮接片連接器可以提供高效的連接，Panduit 提供唯一符合網路設備建構系統 (NEBS) 第 3 級要求的銅壓縮接片，且經過 Telcordia Technologies 測試。滿足 NEBS 第 3 級就可向使用者保證，Pan-lug 壓縮連接器可以在應用中提供可靠的性能，例如要求在設備使用壽命期間達到最少服務中斷的公用事業規模 PV。

公用事業規模 PV 設備的設計人員，可以轉用 Panduit 的柔性導線、雙孔標準套管連接器。此連接器可搭配柔性、超柔性和代碼絞合銅導線使用，進而提供高效、可靠的電源和接地連接。例如 LCDX1/0-14B-X 型號就要搭配 #1 美國線規 (AWG) 尺寸電纜使用，並且在 0.75 in 間距上有兩個 0.25 in 的螺柱孔 (圖 4)。所有 Pan-lug 壓縮連接器的常見特點包括：

• UL 列名且通過 CSA 認證達 35 kV，額定溫度為 +90°C。
• 內部斜面筒狀末端，可簡化導線的插入。
• 含檢驗視窗，可確保達到完整的插入。
• 99.9% 純銅主體，經過鍍錫，可抑制腐蝕。

圖 4：這類壓縮接片可用於公用事業規模 PV 系統的電源和接地連接。(圖片來源：Panduit)

夾具和扣帶

除了電源佈線外，公用事業規模的 PV 設備還可涵蓋數英里的控制與監測功能用接線。如果未正確指定和安裝，用於電纜管理的電纜夾和扣帶反而會降低系統可靠性，並增加安裝和營運成本。一般用途電纜夾不適合長期暴露於陽光和戶外天氣條件下。如果用於 PV 設備，一般用途的非抗紫外線 (UV) 塑膠夾具和扣帶可能會變脆弱，因此需要定期更換。此外，暴露到鹽份會腐蝕金屬夾具，導致 PV 面板的鍍鋅邊緣受損。在這兩種情況下，維護成本都會顯著增加，可靠性也會受到影響。

與其使用一般用途的夾具與扣帶，PV 系統的設計人員可以轉用 Panduit 的 CMSA12-2S-C300 等邊緣夾式電纜扣帶，此產品以耐熱、耐天候的尼龍 6.6 和鍍鋅金屬夾製成，並通過 IEC 61215 戶外 PV 設備標準 (圖 5)。其他特點包括：

• UL94V-2 耐燃等級。
• 可在 -60°C 至 +115°C 的額定溫度範圍內連續運作。
• 根據 R22:HL3 和 R23:HL3 分類條件，符合 EN45545-2 的防火要求。
• UV 天候下的預期壽命為 7 至 9 年。

圖 5：這種邊緣夾式電纜扣帶具有耐天候的尼龍 6.6 和鍍鋅鋼材質的夾具，可確保在惡劣的戶外條件下具有高可靠性。(圖片：Panduit)

這些邊緣夾式電纜扣帶可固定接線束，無需黏著劑或鑽孔。預裝有電纜扣帶和夾具，可安裝到厚度介於 0.7 至 3 mm 的面板邊緣，視型號而定。金屬夾可牢牢固定，且空手就可安裝，無需使用工具。

專為快速安裝而設計。與傳統拉鍊扣帶的安裝時間約為 21 秒相比，這些邊緣夾具可在 11 秒內安裝完成，每個夾具可節省 10 秒。節省的效果積少成多。在典型的公用事業規模 PV 設備中，每 MW 需具備 2,900 個 PV 面板，每個面板有 3 個夾具，節省下來的人力一共 24.17小時，或節省 47% (傳統拉鍊安裝需 50.75 小時，Panduit 太陽能電纜邊緣夾的安裝則需 26.58 小時) (圖 6)。

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

電網規模 PV 的維修

在維修電網級 PV 設備時，尤其是在維修配電電纜時，安全法規要求進行電壓驗證測試，以驗證是否具有危險電壓。例如，美國國家消防協會 (NFPA) 的規範 NFPA-70E 就要求，要先確認設備機櫃內沒有高電壓後，維護人員才可進入機櫃內執行任何工作。使用手持可攜式測試儀器進行無電壓 (AVT) 測試相當複雜，有潛在的不準確性且相當耗時。Panduit 的 VeriSafe AVT 提供自動化的解決方案，可在打開機櫃門前測試設備內部是否有危險電壓。使用自動化測試解決方案可帶來多項好處，包括：

• 可靠性能提高安全性並降低風險。
• 簡單性可提高生產力，並確保符合安全規範。
• 靈活性可改進實作成果。

VeriSafe AVT 如 VS-AVT-C02-L03機型，含有多個要件，包括裝在機殼內的隔離模組，其會將多餘的感測器引線接至高電壓區，並連接中性與接地線。隔離模組會牢固地連接至電池供電的指示燈模組，當機殼門關閉後也可檢查燈號，也有電纜連接兩個模組 (圖 7)。

圖 7：AVT 系統由系統電纜 (左)、指示燈模組 (中間) 和帶有感測器引線的隔離模組 (右)組成。 (圖片來源：Panduit)

若要使用 VeriSafe AVT 系統進行測試，按下指示燈模組上的測試按鈕，系統就會執行自我測試。LED 亮起紅色且測試停止，表示自我測試失敗。如果通過自我測試，隔離模組會測試是否有電壓與接地故障的情況。最後一步是讓 AVT 執行第二次自我測試。只有在通過第二次自我測試，且沒有電壓的情況下，AVT 才會顯示安全，此時人員才可打開機櫃並對系統進行操作。

結論

BOS 元件在公用事業規模的 PV 設備中所佔的成本越來越高。電纜管理是 BOS 設計中重要的一環，挑選最佳化的電纜夾、電源和接地接片以及邊緣夾式電纜扣帶，就可大幅改進這些設備的操作和安全性。添加自動化的無電壓測試，就可支援持續進行維護作業，並且提升安全性及減少營運成本。

參考資料：

1. Renewable Power Generation Costs in 2019, International Renewable Energy Agency