太阳能逆变器如何保护人身与财产安全

四项保护功能及其针对的危险

断开总开关可以使接入电网的住宅断电，但无法使太阳能阵列停止发电。每块受光照的组件都会产生直流电压，住宅组串中多块组件串联后，电压通常可达数百伏。以下各项保护正是因此而设。它们内置于逆变器、组件级电力电子设备和开关之中，也是过去十五年间不断收紧的规范所要求的。

NEC 690.12 快速关断

快速关断是在地面进行一次操作后，降低屋顶导线的电压，使在阵列附近作业的消防人员不会接触到危险的直流电。该要求在每个规范周期都有变化 （打开外部网站）。

• 2014 年版 NEC：进入建筑物超过 5 英尺或距阵列超过 10 英尺的导线，须在 10 秒内降至 30 伏、240 伏安以下。当时尚未定义阵列边界。
• 2017 年版 NEC：阵列边界定义为阵列四周 1 英尺。边界以外或进入建筑物超过 3 英尺的导线，须在 30 秒内降至 30 伏；边界以内，自 2019 年 1 月 1 日起须在 30 秒内降至 80 伏，或采用经认证的快速关断光伏阵列。
• 2020 年版 NEC：经认证阵列的选项改为光伏危害控制系统（PVHCS），按 2020 年 12 月发布的 UL 3741 评估。
• 2023 年版 NEC：边界以内可选用经 UL 3741 认证的 PVHCS，或在 30 秒内将电压降至 80 伏以下；2020 年版中针对无外露布线和导电部件阵列的第三个选项被删除，其思路基本并入 UL 3741。IAEI 指出，UL 3741 可能允许消防人员接触高达 160 伏或更高的电压，UL 在制定标准时已考虑这一水平。
• 2026 年版 NEC：电压和时间限值不变，690.12(C) 中关于启动装置的条文经过重新编排。

启动装置是触发关断的开关。按 2020 年版 NEC 条文 （打开外部网站），将其置于“关”位置即启动快速关断。2026 年版经临时修正案 TIA 26-2 （打开外部网站）（2025 年 8 月 20 日发布，2025 年 9 月 9 日生效）修订后，启动装置须易于接近（readily accessible），可以是进户隔离开关、光伏系统隔离开关或经认证的开关；一户及两户住宅的启动装置须设在室外。该修正案恢复了此前误删的室外位置要求。

快速关断降低的是电压，并不会在屋顶留出作业空间。消防退距和通道是另一项要求，我们的纽约屋顶太阳能消防退距与快速关断一文介绍了 FDNY 规定、2025 年《纽约市电气规范》，以及纽约市如何与消防部门协调启动装置的位置。

组件级关断的工作原理

要在阵列边界内满足 80 伏限值，就必须在每块组件处或其附近采取措施，因为一个组串的电压远高于 80 伏。常见做法有三种：微型逆变器、将每块组件降至低电压的直流优化器，以及断开组件的关断器。经 UL 3741 认证的光伏危害控制系统，可按其认证条件减少所需的组件级设备数量。

许多关断器采用 SunSpec 快速关断通信信号 （打开外部网站），这是一项 2017 年首次发布、2021 年修订的开放规范。发射器（通常位于逆变器内）通过直流导线本身发送“允许运行”信号，属于一种电力线载波通信 （打开外部网站）。每块组件处的接收器只在信号存在时允许组件发电，信号消失即启动关断。这种设计属于故障安全型：操作启动装置或电网停电都会使信号中断，组件随即退出运行。各厂家的专有信号方案也基于同一原理。

微型逆变器 （打开外部网站）本身即满足快速关断要求。每台微型逆变器在组件处将输出转换为交流电，直流只存在于组件与微型逆变器之间的短引线上，对常见组件而言远低于 80 伏。电网电压消失时，通过 UL 1741 认证的微型逆变器会按其防孤岛功能停止输出，屋顶导线随之断电。这正是纽约屋顶普遍采用微型逆变器的原因，也是业主日后想加装电池时，常考虑将阵列以交流耦合方式接入混合逆变器的原因：停电时由混合逆变器为微型逆变器建立电网。

直流电弧故障检测

电弧故障是跨越间隙的放电，温度足以点燃附近的材料。光伏系统关注的是串联电弧：导线或连接处断裂，例如连接器松动或压接不良、组件内焊点开裂，电流以等离子电弧的形式继续跨越断口流动。正如 SMA 关于光伏电弧故障保护的白皮书 （打开外部网站）所述，串联电弧位于正常电流路径上，电流不会超过正常运行值，因此熔断器和断路器无法察觉。并联电弧则不同，它发生在导体之间或经失效绝缘对地放电，断开电路并不能将其熄灭，反而可能使情况恶化。

2011 年版 NEC 新增第 690.11 节，要求安装在建筑物上或穿过建筑物、最大系统电压 80 伏及以上的光伏系统，能够检测并切断串联电弧故障，停止系统运行，给出可视指示，并须手动重启。认证标准 UL 1699B（当时为调查大纲，outline of investigation）要求检测 300 瓦及以上的电弧，并在两秒内切断。现行版本将该要求适用于任意两导体之间电压 80 伏及以上的光伏直流电路，部分不在建筑物上的电路另有例外；具体措辞请以当地采纳的版本为准。

检测的原理是“倾听”电流。电弧会向直流电路注入宽频电噪声，光伏电弧故障断路器（AFCI） （打开外部网站）对电流信号进行滤波，分析其频谱中是否出现电弧特有的模式，越来越多的产品采用经训练的分类模型。难点在于光伏系统本身电噪声很大：逆变器自身的开关动作、其他电力电子设备，以及快速关断心跳信号等电力线信号，都占据同一频谱的部分频段。电缆较长、组串较多或加装设备，都会抬高本底噪声。检测器经过调校以排除这些噪声，但遇到特殊安装情况时，可能出现误跳闸。

在国际上，IEC 63027:2023 （打开外部网站） 规定了最高 1,500 V DC 光伏系统中直流电弧故障保护装置的要求和测试，针对的是串联电弧，不涵盖并联电弧。德国于 2024 年将其采纳为 DIN EN IEC 63027（VDE 0126-27）。电弧故障检测是否强制，各国规定不一，本文不对欧洲的要求作出断言。

电弧故障跳闸之后

NEC 要求手动重启是有意为之。电弧意味着导线或连接已损坏，自动重启会使同一缺陷再次带电。SMA 的美国文档展示了典型流程：逆变器检测到电弧后中断并网发电并显示事件代码；复位程序 （打开外部网站）首先由合格人员断开逆变器的所有电源，检查组件、直流电缆和直流接线端子有无缺陷，修复或更换损坏部件，然后才重新调试逆变器。

在美国以外，部分逆变器提供不锁定运行的模式。SMA 说明，其 ArcFix 功能 （打开外部网站）符合 IEC 63027，电弧故障检测默认开启与否取决于国家数据集。此类设置由安装人员按所在国规定和产品认证条件决定；在美国，产品认证和 NEC 690.11 要求手动重启。

反复跳闸是一种提示，而不仅仅是麻烦。它可能来自只在高温或大风时才起弧的真实接触不良，也可能是检测器误判了噪声。要区分两者，须对阵列进行测试，这属于持证电工的工作。

绝缘电阻检测与剩余电流监测

许多住宅组串式和混合逆变器采用无变压器设计。没有变压器，阵列与电网之间就没有电气隔离，因此逆变器本身必须监测阵列导线对地的漏电。它分两个阶段进行，作用类似于其他电气系统中的绝缘监测装置 （打开外部网站）。

并网之前（通常在每天早上），逆变器测量阵列导线对地的绝缘电阻（Riso）。逆变器安全标准 IEC 62109-2 规定的最低阈值为阵列最高电压除以 30 mA；对于 1,000 伏的阵列，约为 33 kΩ。低于阈值时，逆变器发出警报，不并网。厂家通常将阈值设得远高于该最低值，并在报告故障前多次复测。

运行期间，剩余电流监测单元（RCMU）比较流出与流回的电流，原理与剩余电流保护装置 （打开外部网站）相同。按 IEC 62109-2，不超过 30 kVA 的无变压器逆变器，持续剩余电流超过 300 mA 时须在 0.3 秒内断开；突变时须更快断开：30 mA 在 300 毫秒内、60 mA 在 150 毫秒内、150 mA 在 40 毫秒内。SMA 介绍其 RCMU （打开外部网站） 为全电流敏感型，同时监测交流和直流剩余电流，跳变超过 30 mA 时以冗余方式断开。持续限值高于突变限值，是因为大型阵列经组件表面对地存在正常的电容性漏电；突然的变化才意味着有人触电或出现故障。

在 NEC 中，第 690.41(B) 节要求电压超过 30 伏或电流超过 8 安的光伏直流电路设置接地故障保护，能够检测故障、切断或隔离故障并给出指示；具体措辞请以当地采纳的版本为准。在部分系统中，同一逆变器绝缘检测也保护电池电路，这一点对依赖它的退役电动车电池梯次利用项目尤为重要。

潮湿的早晨为何出现绝缘故障

阵列由众多组件、连接器、接线盒和线管组成，它们对地并联，每一处都有少量漏电。露水、雨水和潮气会降低每条漏电路径的电阻；由于这些路径并联，整个阵列的绝缘电阻下降幅度远大于单块组件。而早晨的 Riso 检测恰好在阵列最潮湿的时候进行。

厂家描述的也是同一规律。Tigo 指出，如果故障总是在早上出现 （打开外部网站）、到下午消失，最可能的原因是潮气，并建议检查有无变色或腐蚀。Solis 将大多数光伏绝缘故障 （打开外部网站）归因于环境和系统因素，雨天尤甚。阵列干燥后自行消失的故障，通常说明系统某处受潮；天气干燥时仍持续或日益加重的故障，则说明绝缘已经损坏，须查明位置。无论哪种情况，解决办法都是找到漏电路径，而不是调低阈值。

防孤岛保护与电网支撑

孤岛效应 （打开外部网站）是指电网供电中断后，发电设备仍继续向部分电网送电。电力抢修人员可能正在他们认为已断电的线路上作业。IEEE 1547-2018 要求分布式能源检测到非计划孤岛后在 2 秒内停止送电，UL 1741 Supplement SB 按 IEEE 1547.1-2020 对逆变器进行测试。该标准还要求频率-功率响应等电网支撑功能，即频率升高时降低输出，且不得关闭。

在纽约，Con Edison 自 2023 年 4 月 1 日起（50 kW 以上系统）及 2023 年 6 月 1 日起（50 kW 及以下系统），要求申请并网的设备通过 UL 1741 SB 认证并采用电力公司默认设置；National Grid 自 2023 年 1 月 1 日起执行同样要求。

提供备用电源的混合逆变器以另一种方式满足同一规定：电网停电时，它断开转换继电器，使住宅与电网分离，然后为住宅建立自己的小型电网。我们在本系列关于混合逆变器与电动车电池的文章中说明了这一方式；逆变器的事件日志记录每一次电网断开和保护跳闸，部分设备可通过本地监控接口读取。

欧洲的消防做法，以及何时需要电工

欧洲的做法与 NEC 690.12 走了不同的路径。在德国，应用规则 VDE-AR-E 2100-712 （打开外部网站）（2018 年 12 月版）规定了光伏系统直流侧在灭火和技术救援时保持安全的措施。一家厂商将其目标概括为：交流断开后，救援人员不应接触 120 伏以上的直流电缆；设备厂商为此出售直流断开汇流箱，常称为“消防开关”。这是许多安装商和消防部门遵循的应用规则，我们不将其描述为法定强制要求。

对业主而言，要点更为简单。电弧故障、绝缘或剩余电流警报，意味着系统发现了其设计上须停机处理的状况。请勿反复复位，也不要打开汇流箱、拔开连接器或更改保护设置。在带电的光伏系统上诊断和修复这些故障，涉及只要有阳光就无法关断的高压直流电，属于持证电工的工作；在纽约市，光伏电路工程须由持证总电工（Master Electrician）或特别电工（Special Electrician）施工。我们安排合作的持证总电工进行检查，审核较早的系统是否早于快速关断或电弧故障要求，并为所需升级提供估价。

本文介绍这些保护功能的工作原理，不说明如何关闭或绕过其中任何一项；任何一项都不应被关闭或绕过。