IEC 631122021 光伏（PV）阵列.接地故障保护设备.安全和安全相关功能标准立项发展报告

光伏（PV）阵列接地故障保护设备安全和安全相关功能标准立项发展报告英文标题StandardizationDevelopmentReport:Photovoltaic(PV)Arrays–EarthFaultProtectionEquipment–SafetyandSafety-relatedFunctionality摘要关键词：光伏阵列；接地故障保护；功能安全；国际标准；IEC63112；直流侧安全Keywords:PhotovoltaicArrays;EarthFaultProtection;FunctionalSafety;InternationalStandard;IEC63112;DC-sideSafety1引言1.1研究背景在全球应对气候变化、实现碳中和目标的宏观背景下，光伏发电已成为可再生能源发展的重要支柱。据国际可再生能源机构（IRENA）统计，截至2023年底，全球光伏累计装机容量已超过1400GW，且仍以每年20%以上的速度增长。光伏电站的大规模建设与长期运行，使得系统安全问题日益凸显。其中，光伏阵列直流侧的接地故障问题尤为突出——由于光伏组件长期暴露于户外环境，电缆绝缘层老化、连接器松动、组件隐裂、水汽侵入等因素均可能导致直流侧导体与地之间形成非预期通路，从而产生接地故障电流。接地故障引发的后果是多方面的：一方面，故障电流可能导致设备过热乃至引发火灾——根据部分国家消防部门的统计数据，光伏系统火灾事故中相当比例由直流侧接地故障引发；另一方面，故障可能导致组件边框、支架等可触及金属部件带电，对运维人员和消防人员造成电击风险。此外，接地故障还会引发电弧，直流电弧一旦形成便难以自行熄灭，进一步加剧事故风险。上述安全风险使得光伏阵列接地故障保护设备的可靠性和安全性成为行业关注的焦点。然而，长期以来，国际上缺乏针对这类设备的专项安全标准，设备制造商在设计、测试和认证过程中缺乏统一的依据，用户在选择和应用设备时也缺乏可参照的技术准则。1.2标准立项的必要性分析在IEC63112:2021发布之前，光伏接地故障保护相关要求主要分散在光伏系统通用标准（如IEC60364系列）和光伏组件标准（如IEC61730系列）中，但这些标准仅规定了系统的总体安全要求，未能针对接地故障保护设备的功能安全性能提出系统、完整的技术规范。随着光伏系统电压等级不断提升（1500V系统已广泛普及），传统的过电流保护和绝缘监测手段已难以满足快速、可靠的故障切除需求。国际上亟需一部统筹设备安全与功能安全要求的专项标准，以统一技术要求、规范市场秩序、指导产品研发与检测认证。在此背景下，IEC启动了IEC63112标准的制定工作，旨在为光伏阵列接地故障保护设备提供全面、系统的安全和安全相关功能要求，弥补国际标准体系中的空白。2光伏接地故障保护技术发展与标准演进2.1光伏系统接地故障特征分析光伏阵列接地故障具有区别于传统交流电力系统的显著特征。首先，光伏阵列直流侧为多源供电拓扑，光伏组串并联连接，故障电流路径复杂，传统的单向过流保护原理难以有效适用；其次，直流故障电弧不存在自然过零点，电弧持续燃烧，能量集中释放，温升迅速，火灾风险远高于交流系统；再次，光伏阵列输出功率随光照强度变化而波动，故障检测的基准值动态变化，给保护阈值的设定带来挑战；最后，光伏组件对地存在较大的分布电容，正常运行时即存在对地泄漏电流，容易与故障电流混淆，增加了检测的难度。上述特征决定了光伏接地故障保护设备必须具备高灵敏度、高选择性、快速响应和抗干扰能力，同时对设备自身的电气安全、机械安全和功能安全提出了更高要求。2.2接地故障保护技术发展历程光伏接地故障保护技术的演进大致经历了三个阶段。第一阶段为早期简单绝缘监测阶段，主要通过绝缘电阻监测装置判断系统是否存在接地故障，但无法定位故障点，也无法实现故障隔离。第二阶段为电流检测保护阶段，通过检测接地故障电流的大小来实现保护动作，但受系统分布电容和漏电流的干扰较大，容易产生误报。第三阶段为智能综合保护阶段，融合了多种检测原理——包括差分电流检测、脉冲信号注入法、阻抗频谱分析等，结合数字信号处理和智能算法，实现了对接地故障的精准识别与快速隔离，并具备故障预警和状态监测等功能。IEC63112:2021正是在第三阶段技术发展的基础上制定的，其技术内容充分反映了当前光伏接地故障保护技术的先进水平。2.3相关国际标准现状目前，光伏领域涉及电气安全的主要国际标准包括：-IEC60364系列：低压电气装置标准，其中第7-712部分针对光伏供电系统提出了接地和等电位连接等安全要求；-IEC61730系列：光伏组件安全鉴定标准，规定了组件在电气安全方面的结构和测试要求；-IEC62548：光伏阵列设计要求，涉及阵列的电气配置和保护措施；-IEC60269-6：光伏系统专用熔断器标准，规定了gPV型熔断器的性能要求；-IEC62109系列：光伏系统用功率转换设备安全标准。然而，上述标准中关于接地故障保护的内容均属于外围和附带性规定，未对专门用于光伏阵列接地故障保护的设备提出完整的安全和功能要求。IEC63112:2021的发布填补了这一关键空白，与上述标准形成了互补和衔接。3IEC63112:2021标准技术内容解析3.1标准适用范围与定位IEC63112:2021适用于光伏阵列中用于接地故障检测和保护的设备，涵盖独立式接地故障保护装置、集成于逆变器或其他功率转换设备中的接地故障保护功能模块，以及用于接地故障保护目的的传感和监控装置。该标准既适用于新设备的设计和定型测试，也可用于在用设备的性能评估。标准的定位是“安全标准”与“功能安全标准”的融合——它不仅规定了设备在正常运行和故障条件下不得对人身和财产造成危害的基本安全要求，还从功能安全的角度对接地故障保护功能的安全完整性提出了系统性的要求，采用了类似于IEC61508（电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）的方法论。3.2通用安全要求标准在通用安全要求方面涵盖了电气安全（如绝缘、介电强度、爬电距离和电气间隙、接地连续性等，参考了IEC62109系列的相关要求）、机械安全（包括外壳强度、防护等级、冲击试验等）、热安全（规定设备在额定工况和故障工况下的温升限值，防止过热引发火灾）以及材料与环境适应性等。其中，针对光伏系统户外应用场景，标准特别强调了设备的耐候性要求，包括高温老化、湿热循环、盐雾腐蚀、紫外照射等环境试验。3.3安全相关功能要求安全相关功能是IEC63112:2021的核心内容。标准将接地故障保护设备的安全相关功能概括为以下三个核心环节：（1）故障检测：要求设备能够可靠识别光伏阵列中发生的接地故障，包括对故障电阻的范围、故障电流的特征、检测灵敏度等提出明确要求。标准充分考虑了光伏阵列分布电容的影响，对检测算法在动态漏电流条件下的适应性提出了要求。（2）故障响应：要求设备在检测到接地故障后能够执行预定的安全动作，包括但不限于：切断故障电路、发出报警信号、闭合并网逆变器、维持安全状态等。标准对响应的时效性、可靠性和故障后的状态维持提出了量化的性能指标。（3）自身安全：要求保护设备自身发生故障时不应导致保护功能的丧失或误动作，应具备故障自诊断和失效安全（fail-safe）能力。3.4功能安全要求IEC63112:2021引入了功能安全的概念框架，要求接地故障保护设备的安全相关功能应达到规定的安全完整性等级。标准将安全完整性等级划分为不同的层级，并对设备在不同应用场景和风险评估结果下应达到的等级提出了指导性的要求。这一安排使标准具有了一定的灵活性，允许制造商基于风险评估结果来选择和声明其产品所满足的安全完整性等级，同时为认证机构提供了科学、可量化的评估依据。3.5试验方法与性能指标标准配套了完整的试验方法和验收准则体系，包括功能试验、环境试验、电磁兼容试验、耐久性试验等。在性能指标方面，标准对关键参数如最大检测时间、最小检测灵敏度、误动作率、故障响应时间等给出了明确的量化指标或试验验证方法，为产品的可测试性和可认证性提供了技术基础。4主要参与单位介绍——TÜVRheinland（莱茵TÜV集团）IEC63112:2021的制定汇聚了全球光伏安全领域的顶尖专家和机构，其中德国莱茵TÜV集团在标准制定过程中发挥了重要的技术支撑和协调作用。TÜVRheinland成立于1872年，总部位于德国科隆，是全球领先的独立第三方检验、检测和认证机构之一，在全球50多个国家和地区设有分支机构，员工总数超过20000人。TÜVRheinland在光伏领域拥有超过30年的技术服务经验，是全球最早开展光伏产品检测认证业务的机构之一。其光伏实验室具备IEC61215、IEC61730、IEC62109等核心标准的全套测试能力，在全球光伏认证市场中占据重要份额。5标准实施的产业影响与政策衔接5.1对光伏设备制造业的影响IEC63112:2021的实施对光伏接地故障保护设备制造企业产生了深远影响。在技术层面，标准促使企业加快提升产品的检测灵敏度、响应速度、抗干扰能力和自诊断能力，推动了以数字信号处理和智能算法为核心的第三代接地故障保护技术的产业化应用。在管理层面，标准引入了功能安全管理的理念，要求企业建立覆盖设计、开发、验证、生产全流程的安全管理体系，对企业的研发流程和质量体系提出了更高的要求。5.2对光伏电站设计与运维的影响对于光伏电站的设计和运维环节，IEC63112:2021提供了设备选型和配置的技术依据，使设计人员能够根据电站的规模、电压等级、环境条件和风险评估结果合理选配接地故障保护设备，并明确了设备的安装、调试和维护要求。随着标准在国际范围内的推广应用，越来越多的光伏电站业主和EPC总承包商已将标准符合性纳入设备采购的技术要求之中，推动了优质设备市场份额的扩大。6结论与展望IEC63112:2021作为光伏阵列接地故障保护设备领域首部国际专项安全标准，系统地建立了设备安全与安全相关功能的技术规范体系，填补了该领域国际标准长期以来的空白，对于提升光伏系统安全水平、规范设备市场秩序、促进国际贸易便利化具有重要的里程碑意义。标准创造性地将功能安全理念引入光伏直流侧保护设备领域，实现了从“被动防护”到“主动安全”的技术理念跃升，代表了光伏电气安全技术发展的前沿方向。展望未来，光伏接地故障保护标准化工作将在以下几个方向持续深化：一是适应光伏系统向更高电压等级（如2000V）发展的趋势，不断修订和完善相关技术要求；二是与储能系统、智能运维、数字化监控等新技术深度融合，实现接地故障保护的智能化、网络化和预测性维护；三是随着IEC63112标准被各国采纳转化为国家标准，其全球影响力将进一步扩大，有望在更大范围内推动光伏系统安全水平的整体提升。参考文献[1]IEC63112:2021,Photovoltaic(PV)arrays–Earthfaultprotectionequipment–Safetyandsafety-relatedfunctionality[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2021.[2]IEC60364-7-712,Low-voltageelectricalinstallations–Part7-712:Requirementsforspecialinstallationsorlocations–Photovoltaic(PV)powersupplysystems[S].Geneva:IEC,2017.[3]IEC61730-1,Photovoltaic(PV)modulesafetyqualification–Part1:Requirementsforconstruction[S].Geneva:IEC,2016.[4]IEC62109-1,Safetyofpowerconvertersforuseinphotovoltaicpowersystems–Part1:Generalrequirements[S].Geneva:IEC,2010.[5