太陽能逆變器如何保障人身及財產安全

四項保護功能及其針對的危險

斷開總開關可以令接駁電網的住宅斷電，但不能令太陽能陣列停止發電。每塊受光的組件都會產生直流電壓，住宅組串中多塊組件串聯後，電壓通常達數百伏。以下各項保護正是因此而設。它們內置於逆變器、組件級電力電子設備及開關之中，相關規範在過去十五年間不斷收緊。

NEC 690.12 快速關斷

快速關斷是在地面進行一次操作後，降低屋頂導線的電壓，令在陣列附近工作的消防員不會接觸到危險的直流電。這項要求在每個規範週期都有變化 （開啟外部網站）。

• 2014 年版 NEC：進入建築物超過 5 呎或距陣列超過 10 呎的導線，須在 10 秒內降至 30 伏及 240 伏安以下。當時仍未定義陣列邊界。
• 2017 年版 NEC：陣列邊界定義為陣列四周 1 呎。邊界以外或進入建築物超過 3 呎的導線，須在 30 秒內降至 30 伏；邊界以內，自 2019 年 1 月 1 日起須在 30 秒內降至 80 伏，或採用經認證的快速關斷光伏陣列。
• 2020 年版 NEC：經認證陣列的選項改為光伏危害控制系統（PVHCS），按 2020 年 12 月發佈的 UL 3741 評估。
• 2023 年版 NEC：邊界以內可選用經 UL 3741 認證的 PVHCS，或在 30 秒內將電壓降至 80 伏以下；2020 年版中針對無外露佈線及導電部件陣列的第三個選項已刪除，其做法大致併入 UL 3741。IAEI 指出，UL 3741 可能容許消防員接觸高達 160 伏或以上的電壓，UL 在制定標準時已考慮這個水平。
• 2026 年版 NEC：電壓及時間限值不變，690.12(C) 有關啟動裝置的條文經重新編排。

啟動裝置是觸發關斷的開關。按 2020 年版 NEC 條文 （開啟外部網站），將其撥至「關」位置即啟動快速關斷。2026 年版經臨時修訂 TIA 26-2 （開啟外部網站）（2025 年 8 月 20 日發出，2025 年 9 月 9 日生效）修訂後，啟動裝置須易於觸及，可以是進戶隔離開關、光伏系統隔離開關或經認證的開關；一至兩家庭住宅的啟動裝置須設於室外。該修訂恢復了先前誤刪的室外位置要求。

快速關斷降低的是電壓，並不會在屋頂騰出工作空間。消防退縮距離及通道是另一項要求，我們的紐約屋頂太陽能消防退縮與快速關斷一文介紹 FDNY 規定、2025 年紐約市電氣規範，以及紐約市如何與消防部門協調啟動裝置的位置。

組件級關斷的運作原理

要在陣列邊界內符合 80 伏限值，就必須在每塊組件處或附近採取措施，因為一個組串的電壓遠高於 80 伏。常見做法有三種：微型逆變器、將每塊組件降至低電壓的直流優化器，以及斷開組件的關斷器。經 UL 3741 認證的光伏危害控制系統，可按其認證條件減少所需的組件級設備數量。

不少關斷器採用 SunSpec 快速關斷通訊訊號 （開啟外部網站），這是一項 2017 年首次發佈、2021 年修訂的開放規範。發射器（通常位於逆變器內）透過直流導線本身發出「准許運作」訊號，屬於一種電力線通訊 （開啟外部網站）。每塊組件處的接收器只在訊號存在時容許組件發電，訊號消失便啟動關斷。這種設計屬於故障安全型：操作啟動裝置或電網停電都會令訊號中斷，組件隨即退出運作。各廠商的專有訊號方案亦基於同一原理。

微型逆變器 （開啟外部網站）本身已符合快速關斷要求。每台微型逆變器在組件處將輸出轉為交流電，直流只存在於組件與微型逆變器之間的短引線上，以一般組件而言遠低於 80 伏。電網電壓消失時，通過 UL 1741 認證的微型逆變器會按其防孤島功能停止輸出，屋頂導線隨之斷電。這正是紐約屋頂普遍採用微型逆變器的原因，亦是業主日後想加裝電池時，常考慮以交流耦合方式將陣列接入混合逆變器的原因：停電時由混合逆變器為微型逆變器建立電網。

直流電弧故障偵測

電弧故障是跨越間隙的放電，溫度足以引燃附近的物料。光伏系統關注的是串聯電弧：導線或接駁位斷裂，例如接頭鬆脫或壓接不良、組件內焊點開裂，電流以等離子電弧的形式繼續跨越斷口流動。正如 SMA 有關光伏電弧故障保護的白皮書 （開啟外部網站）所述，串聯電弧位於正常電流路徑上，電流不會超過正常運作值，因此保險絲及斷路器無法察覺。並聯電弧則不同，它發生於導體之間或經失效絕緣對地放電，斷開電路並不能將其熄滅，反而可能令情況惡化。

2011 年版 NEC 新增第 690.11 條，要求安裝在建築物上或穿過建築物、最高系統電壓 80 伏或以上的光伏系統，能夠偵測並截斷串聯電弧故障、停止系統運作、顯示可見指示，並須以人手重新啟動。認證標準 UL 1699B（當時為調查大綱，outline of investigation）要求偵測 300 瓦或以上的電弧，並在兩秒內截斷。現行版本將該要求適用於任意兩導體之間電壓 80 伏或以上的光伏直流電路，部分不在建築物上的電路另有例外；確實措辭請以當地採納的版本為準。

偵測的原理是「聆聽」電流。電弧會向直流電路注入寬頻電噪音，光伏電弧故障斷路器 （開啟外部網站）對電流訊號進行濾波，分析其頻譜是否出現電弧特有的模式，愈來愈多產品採用經訓練的分類模型。難處在於光伏系統本身電噪音很大：逆變器自身的開關動作、其他電力電子設備，以及快速關斷心跳訊號等電力線訊號，都佔用同一頻譜的部分頻段。電纜較長、組串較多或加裝設備，都會提高背景噪音。偵測器經調校以排除這些噪音，但遇上特殊的安裝情況，可能出現誤跳脫。

在國際上，IEC 63027:2023 （開啟外部網站） 訂明最高 1,500 V DC 光伏系統中直流電弧故障保護裝置的要求及測試，針對串聯電弧，不涵蓋並聯電弧。德國於 2024 年將其採納為 DIN EN IEC 63027（VDE 0126-27）。電弧故障偵測是否強制，各國規定不一，本文不就歐洲的要求作出斷言。

電弧故障跳脫之後

NEC 要求以人手重新啟動是刻意的安排。電弧代表導線或接駁位已損壞，自動重新啟動會令同一缺陷再次帶電。SMA 的美國文件展示了典型程序：逆變器偵測到電弧後停止併網發電並顯示事件代碼；復位程序 （開啟外部網站）首先由合資格人員截斷逆變器的所有電源，檢查組件、直流電纜及直流接線端子有否缺陷，修理或更換損壞部件，然後才重新調試逆變器。

在美國以外，部分逆變器提供不鎖定運作的模式。SMA 說明其 ArcFix 功能 （開啟外部網站）符合 IEC 63027，電弧故障偵測預設啟用與否視乎國家數據集。此類設定由安裝人員按所在國家的規定及產品認證條件決定；在美國，產品認證及 NEC 690.11 要求以人手重新啟動。

反覆跳脫是一種提示，不只是麻煩。它可能源於只在高溫或大風時才起弧的真實接觸不良，亦可能是偵測器誤判噪音。要分辨兩者，須對陣列進行測試，這屬於持牌電工的工作。

絕緣電阻檢測及剩餘電流監測

不少住宅組串式及混合逆變器採用無變壓器設計。沒有變壓器，陣列與電網之間便沒有電氣隔離，因此逆變器本身必須監測陣列導線對地的漏電。它分兩個階段進行，作用類似其他電氣系統中的絕緣監測裝置 （開啟外部網站）。

併網之前（通常在每天早上），逆變器量度陣列導線對地的絕緣電阻（Riso）。逆變器安全標準 IEC 62109-2 訂明的最低門檻為陣列最高電壓除以 30 mA；以 1,000 伏的陣列計，約為 33 kΩ。低於門檻時，逆變器發出警報，不會併網。廠商通常將門檻設定得遠高於最低值，並在報告故障前多次重測。

運作期間，剩餘電流監測單元（RCMU）比較流出及流回的電流，原理與剩餘電流保護裝置 （開啟外部網站）相同。按 IEC 62109-2，不超過 30 kVA 的無變壓器逆變器，持續剩餘電流超過 300 mA 時須在 0.3 秒內斷開；突變時須更快斷開：30 mA 在 300 毫秒內、60 mA 在 150 毫秒內、150 mA 在 40 毫秒內。SMA 介紹其 RCMU （開啟外部網站） 為全電流敏感型，同時監測交流及直流剩餘電流，跳變超過 30 mA 時以冗餘方式斷開。持續限值高於突變限值，是因為大型陣列經組件表面對地存在正常的電容性漏電；突然的變化才代表有人觸電或出現故障。

在 NEC 中，第 690.41(B) 條要求電壓超過 30 伏或電流超過 8 安的光伏直流電路設置接地故障保護，須能偵測故障、截斷或隔離故障並作出指示；確實措辭請以當地採納的版本為準。在部分系統中，同一逆變器絕緣檢測亦保護電池電路，這一點對依賴它的退役電動車電池二次利用項目尤其重要。

潮濕的早上為何出現絕緣故障

陣列由眾多組件、接頭、接線盒及線管組成，它們對地並聯，每一處都有少量漏電。露水、雨水及濕氣會降低每條漏電路徑的電阻；由於這些路徑並聯，整個陣列的絕緣電阻下降幅度遠大於單一組件。而早上的 Riso 檢測正好在陣列最潮濕的時候進行。

廠商描述的亦是同一規律。Tigo 指出，如果故障總在早上出現 （開啟外部網站）、到下午消失，最可能的原因是濕氣，並建議檢查有否變色或腐蝕。Solis 將大部分光伏絕緣故障 （開啟外部網站）歸因於環境及系統因素，雨天尤甚。陣列乾燥後自行消失的故障，通常表示系統某處受潮；天氣乾燥時仍持續或日益嚴重的故障，則表示絕緣已經損壞，須找出位置。無論哪種情況，解決方法都是找出漏電路徑，而非調低門檻。

防孤島保護及電網支援

孤島效應 （開啟外部網站）是指電網供電中斷後，發電設備仍繼續向部分電網送電。電力搶修人員可能正在他們以為已停電的線路上工作。IEEE 1547-2018 要求分佈式能源偵測到非計劃孤島後在 2 秒內停止送電，UL 1741 增補 SB 按 IEEE 1547.1-2020 測試逆變器。該標準亦要求頻率-功率響應等電網支援功能，即頻率上升時降低輸出，而且不得關閉。

在紐約，Con Edison 自 2023 年 4 月 1 日起（50 kW 以上系統）及 2023 年 6 月 1 日起（50 kW 或以下系統），要求申請併網的設備通過 UL 1741 SB 認證並採用電力公司預設設定；National Grid 自 2023 年 1 月 1 日起執行相同要求。

提供後備電源的混合逆變器以另一種方式符合同一規定：電網停電時，它斷開轉換繼電器，令住宅與電網分離，然後為住宅建立自己的小型電網。我們在本系列有關混合逆變器與電動車電池的文章中說明這種安排；逆變器的事件紀錄記下每次電網斷開及保護跳脫，部分設備可透過本地監控介面讀取。

歐洲的消防做法，以及何時需要電工

歐洲的做法與 NEC 690.12 走了不同的路。在德國，應用規則 VDE-AR-E 2100-712 （開啟外部網站）（2018 年 12 月版）訂明光伏系統直流側在滅火及技術救援時保持安全的措施。一家廠商將其目標概括為：交流斷開後，救援人員不應接觸 120 伏以上的直流電纜；設備廠商為此出售直流斷開匯流箱，一般稱為「消防開關」。這是不少安裝商及消防部門遵循的應用規則，我們不將其描述為法定強制要求。

對業主而言，要點更簡單。電弧故障、絕緣或剩餘電流警報，代表系統發現了其設計上須停機處理的情況。請勿反覆復位，亦不要打開匯流箱、拔開接頭或更改保護設定。在帶電的光伏系統上診斷及修理這些故障，涉及只要有陽光便無法關斷的高壓直流電，屬於持牌電工的工作；在紐約市，光伏電力工程須由持牌總電工或特別電工施工。我們安排合作的持牌總電工進行檢查，審視較舊的系統是否早於快速關斷或電弧故障要求，並為所需升級提供估價。

本文介紹這些保護功能的運作原理，並不說明如何關閉或繞過其中任何一項；任何一項都不應被關閉或繞過。