選擇並網型光伏發電模組電纜及系統電纜的尺寸 (Selecting and sizing cables for grid-tied PV systems)

第四章：並網型光伏發電系統規劃(Planning and Sizing Grid-Connected

Photovoltaic Systems)

編著：蘇漢儒

光伏發電系統規劃與安裝

2

參考資料來源：

1. Planning and Installing PhotovoltaicSystems A guide for installers,

architects and engineers ( second edition ).

2. Fuses for Photovoltaic Systems( Siemens AG 2011).

3. Application of string fuses ( Stringsicherungen_SMC-UEN083420 ).

3

4.5.1 電纜的電壓等級。

4.5.2電纜的電流傳導容量。

4.5.3 最小電纜損失/電壓降。

4.5.4 模組和串列電纜的尺寸。

4.5.5 計算直流主電纜的尺寸。

4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸。

目錄

4

4.5.1電纜的電壓等級( Cable voltage ratings )

使用在德國和其他歐洲國家的光伏

系統(PV systems)的輸出電壓通常

沒有超過標準電纜 (Standard cables)的電壓等級 (voltage ratings)，其額

定電壓(Nominal voltage)約450V至

1000V。

5

4.5.1電纜的電壓等級( Cable voltage ratings )

大型光伏系統和長串模組 ( Long module strings )，必須計算光伏串

列或陣列 ( PV string or array ) 在負

10°C的最大開路電壓 ( Maximum Open-Circuit Voltage )，並檢測連

接電纜的電壓等級。

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )依照電纜的截面積(Cable Cross

Section)尺寸決定最大電流數值。

必須依據IEC 60512-3 (電子設備用

機電元件基本試驗規則和測量方法

第3部分：負載電流容量試驗) ，電

纜的截面積尺寸決定電纜的電流傳

導容量。[在臺灣可依據電工法規]

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )流經模組電纜(Module cable)或串電

纜(String cable)的最大電流(Imax)是光伏發電系統的短路電流(ISC PV)減串(one string)的短路電流(ISC string)。

Imax = ISC PV - ISC string

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )電纜電流保險絲(Current fuses )或串保險絲(String fuses)兩者其中之一，都是保護電纜防止過載的設計。

模組電纜的最大電流(Imax) 必須低於或等於電纜電流容量或保護裝置的電流( Iz )。

Imax ≦ Iz

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )當使用串的電路模式，必須考慮光

伏發電系統的短路電流約等於串的

額定電流(Nominal current of the string)。自從保險絲只作用在數倍

的湧浪電流(Surge currents)，使用串

保險絲(String fuses)無法保護電纜。

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )依據 IEC 60364-7-712 安全規範，

串電纜(String cable) 必須承載1.25倍的光伏發電系統的短路電流和符合

接地故試驗(earth-fault proof)和短路

試驗。

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )依據IEC 60512-3 (負載電流容量試

驗)規範要求，決定電纜尺寸。

光伏模組電纜的電流傳導容量會受

室溫影響，光伏模組電纜與其他電

纜捆成一束及安裝方法，亦會影響

電流傳導容量。

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )屋瓦(Roof tiles )的溫度會到達70°C

，因此安裝在屋頂的光伏模組或串

電纜均會受到屋瓦70°C溫度的影響

，而使其工作特性產生變化。

13

4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )四串或更多串光伏模組，組成一個

光伏系統，串保險絲(String fuses)和小型斷路器(Miniature circuit breakers)被應用在每一串光伏模組

作為保護裝置。

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )串電纜(String cable)或光伏模組電纜

的截面積必須能傳導串保險絲

(String fuses)的觸發電流(Trigger current )。電纜電流(Iz Cable ) 必須等

於或大於串保險絲的觸發電流。

Iz Cable ≧ Ia string fuse

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )串保險絲(String fuses)必須能承受二

倍標準測試條件的串短路電流。

(String short-circuit current at STC)

Ia string fuse ≧ 2 × ISTC string short-circuit

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4.5.2電纜的電流傳導容量( Cable current carrying capacity )為避免誤動作，保險絲額定電流至少要大於額定串電流1.25倍。

Ia string fuse ≧ 1.25 × IN string

每一串光伏模組的正電壓及負電壓

輸出端都必須要接保險絲或小型斷

路器作為保護裝置。

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光伏模組保險絲(PV fuses)

國際電工法規 (IEC 60269-6)定義光

伏模組保險絲電流測試標準。

In = 額定電流。

If = 保險絲電流。

Inf = 光伏模組保險絲額定電流。

資料來源：Fuses for Photovoltaic Systems ( Siemens AG 2011)

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Inf = 1.13 × In (依據測試電流規格，

保險絲在一小時之內不能熔斷)。

If = 1.45 × In (依據測試電流規格，

保險絲在一小時之內必須熔斷)


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國際電工法規 (IEC 60269-6)定義最

小額定切斷容量為10 kA ，與其他

保險絲比較是相當低，但是與光伏

系統的剩餘電流 (Residual currents)比較，它的容量是足夠。


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保險絲額定電壓( Rated voltage of the fuse )

保險絲額定電壓設定比標準測試條

件的串開路電壓(Open-Circuit Voltage VOC STC of a string)高20 %。

(將- 25 °C的極端低溫工作條件列入

計算)


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保險絲額定電壓( Rated voltage of the fuse )

依據國際電工法規 (IEC 60269-4) 的基本規範，目前一些製造商供應900 V與 1000 V規格的保險絲。


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保險絲額定電流( Rated current of the fuse )

為避免光伏保險絲(PV fuse )在平常

工作時，如同另外並聯連接串列的

故障事件中產生不必要的誤動作，

光伏保險絲的額定電流必須比相關

聯模組或串列短路電流(Short-Circuit Current ，ISC)高。


23


國際電工法規 (IEC 60269-6)，定義

保險絲的額定電流是相關聯模組或

串列短路電流的1.4倍。

In ≥1.4 ISC string


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為保護模組和連接電纜，光伏保險

絲必須能準確並安全的切斷光伏系

統剩餘電流(Residual currents)。

雙重接地故障(Double ground faults)或不正確的配線導致光伏模組故

障，使光伏模組產生剩餘電流。資料來源：Fuses for Photovoltaic Systems ( Siemens AG 2011)

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光伏模組必須能連續承受順向剩餘

電流(Residual current in the forward direction)而不故障。無論如何順向

剩餘電流流經故障光伏串列模組，

使該串光伏模組的其它光伏模組發

熱，會產生危害。資料來源：Fuses for Photovoltaic Systems ( Siemens AG 2011)

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光伏模組故障短路產生逆向電流

參考資料來源：Stringsicherungen_SMC-UEN083420

短路電流逆向流動方向

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剩餘電流 ( Residual current )

剩餘電流(ISC REVERSE )等於並聯光伏

串列模組數目(n)減壹，乘串列模組

短路電流(ISC MOD )。

ISC REVERSE= (n-1) × ISC MOD


28

串列光伏模組短路電流

串列模組短路電流(ISC MOD) 是依環境區域的氣候依賴因數(Climate zone dependent factor )而變化。

區域的氣候依賴因數= 1.2 … 1.6。

ISC MOD = ISC STC × 1.2


29

光伏模組的逆向電流

如果光伏模組的逆向電流阻抗

(Reverse Current Resistance)的電流

比剩餘電流大，可以省略光伏保險

絲(PV fuses)。

IMOD REVERSE > ISC REVERSE


30

光伏模組的逆向電流

光伏模組製造商使用1.35倍的逆向

電流測試其生產的光伏模組，測試

時間為2小時。

測試電流= 1.35 × IMOD REVERSE 。

測試時間= 貳小時。


31

光伏保險絲的斷路電流

光伏保險絲的斷路電流( Disconnect current；large test current If) 定為

1.45倍的額定電流。當1.45倍的額

定電流出現時光伏保險絲必須在壹

小時以內熔斷。


32

光伏保險絲的斷路電流

光伏保險絲的保護光伏模組，當

1.35倍的剩餘電流( Residual current )出現時光伏保險絲必須在貳小時以

內熔斷。


33

光伏保險絲的額定電流

In = 光伏保險絲的額定電流( Rated Current of the PV fuse) ：

In ≤ IMOD REVERSE


34

模組電纜允許的最大電流容量

通常光伏串列模組電纜必須能承受

並聯光伏串列模組數目(n)乘模組短

路電流(ISC MOD )。

Iz = 模組電纜允許的最大容量電流

In = ISC MOD × n → In ≤ Iz


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群光伏系統保險絲

光伏系統群保險絲(Group PV fuse)的額定電流至少要比光伏系統的總

短路電流(The sum of the short circuit currents of the group)大1.2倍。


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4.5.3 最小電纜損失/電壓降( Minimizing the cable losses/voltage drops )

光伏模組電纜截面積規格必須能儘

量減少直流電壓傳輸電壓降，德國

在1998年制定電氣標準規範VDE 0100-712，規定直流電路電壓降不

能超過標準測試條件光伏發電系統

額定電壓的1％。

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因此全部的光伏模組系統直流電纜

之功率損失不能超過標準測試條件

光伏發電系統額定電壓的1％。

實務顯示，高直流輸入電壓(VMpp > 120V)的變頻器與標準電纜截面

積的光伏發電系統其直流電路電壓

降不會超過1％。

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實務顯示，如果光伏發電系統的變

頻器工作在低直流輸入電壓，即使

搭配截面積6mm2的模組電纜，其

直流電路電壓降仍然會超過1％，

特別是光伏發電系統與變頻器距離

很遠，其電纜損失更大。

39


光伏發電系統與變頻器距離很遠

時，光伏串列模組電纜 (The string cables)電壓降為1％，直流電壓傳輸

主電纜(DC main cable)電壓降為1％合計傳輸電壓降為2％是尚可接受

的設計參數。

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光伏模組輸出電流會跟隨日照變化

而改變，它經常會低於光伏發電系

統的額定電流。

當光伏模組輸出電流減少50％時，

電纜損失將降為額定條件(Nominal Conditions)的四分之一。(電纜損失

計算公式：P = I2 × R)

41


因此緣故，在標準測試條件之下，

使用傳輸電壓降2％的設計參數，

是能夠期望在直流側(DC side)每年

的發電量(Annual yield)大約減少1 ％。

42


截面積額定負載電流每平方公釐貳

安培至參安培 ( 2A/mm2 ~ 3/mm2 ) 可作為計算設計直流電纜截面積的

參考值(Guide value) 。但這只能作

為概略的估算(Rough estimations and checked)電纜尺寸。

43

4.5.4 模組和串列電纜的尺寸( Sizing the module and string cabling )

決定直流電纜截面積之後，計算電

流傳輸容量，設定標準測試條件的

光伏模組系統直流電纜損失為1％。

44

計算模組和串列直流電纜尺寸的電氣參數表

參考資料來源：PLANNING AND SIZING GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAI C SYSTEMS page 167

45

模組和串列直流電纜截面積的計算公式


M stM 2

m pp

2M st

Mst

M stM

m pp

2 L PA =0.01 V k

2 L IA =

0.01 P k

2 L IA =0.01 V k

46

模組和串列電纜的總功率損失

當選擇直流電纜截面積之後，可使用

下列公式計算全部模組和串列電纜的

總功率損失。

2M s t

M 2

M m p p

2M st

MM

2 n L PP =

A V k

2 n L IP =

A k

47

模組和串列電纜的總功率損失

當光伏發電模組使用不用直流電纜

長度及截面積，可使用下列公式計算

全部模組和串列電纜的總功率損失。

2st 31 2 4

M1 2 31 4

2 I LL L LP = ......k A A A A

48


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 2.5mm2 up to an MPP voltage of 300V( R. Haselhuhn )

VMPP = 300V

LM = 30m

Ist= 7A

Pst = 2100W 的特性曲線

49


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 2.5mm2 for MPP voltagesabove 300V( R. Haselhuhn )

50


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 4mm2 up to an MPP voltage of 300V( R. Haselhuhn )

51


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 4mm2 for MPP voltages above 300V( R. Haselhuhn )

52


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 6mm2 up to an MPP voltage of 300V( R. Haselhuhn )

53


參考資料來源：Recommended wiring lengths of string cabling with cable cross-sectionA = 6mm2 for MPP voltagesabove 300V( R. Haselhuhn )

54

4.5.5 計算直流主電纜的尺寸( Sizing the DC main cable )

直流主電纜和光伏副陣列(PV sub-arrays )的直流匯流排電纜(DC bus cables )必須能承載光伏陣列的最大

電流。光伏陣列的短路電流比額定

電流稍為高一點，但不會觸發保險

絲。

55


如絕緣和接地故障保護一樣，它可

能會使用直流感測接地故障漏電流

斷路器。依據國際電工法規IEC 60364-7-712，通常主電纜電流是

標準測試條件光伏陣列短路電流的

1.25倍。

56


依據電纜允許的傳輸電流容量選擇

電纜的截面積。溫度衰減因數和

電纜捆綁的蓄積因數(Accumulation factors)必須納入計算電纜的截面

積。這裡再一次假設電纜損失為光

伏陣列額定功率的1％。

57

計算直流主電纜尺寸電氣參數表


58

直流主電纜截面積的計算公式

光伏陣列直流主電纜截面積的計算公式如下，損失因數 v = 1 ％或2 ％。

2DC cable n

DC cablePV M

2 L IA =

v P P k

59

直流主電纜功率損失的計算公式

光伏陣列直流主電纜功率損失的計算公式如下。

2DC cable n

DC cableDC cable

2DC cable PV

DC cable 2DC cable MPP

2 L IP =

A k

2 L PP =

A V k

60

4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸( Sizing the AC connection cable )計算交流連接電纜截面積的尺寸必

須假設並網型光伏發電系統的額定

並網電壓(Nominal grid voltage)有3 ％的電壓降(德國的電工規範)。

61

4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸( Sizing the AC connection cable )臺灣的電工規範，屋內線路裝置規

則第四節電壓降，第八條亦規定低

壓幹線及其分路，其電壓降不得超

過標稱電壓3 ％。

62

計算交流連接電纜尺寸電氣參數表


63

4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸( Sizing the AC connection cable )單相(Single-phase)交流連接電纜截面

積的計算公式如下。

AC cable n

AC cable n AC

AC cable n ACAC cable

n

L V 1X = ρ = ; ρ = A I k

2 L IA = COS

0.03 V k

64

4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸( Sizing the AC connection cable )三相對稱(Symmetrical three-phase)交流

連接電纜截面積的計算公式如下。

AC cable n ACAC cable

n

3 L IA = COS0.03 V k

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4.5.6 計算交流連接電纜的尺寸( Sizing the AC connection cable )大於5kW以上的光伏系統，電纜線

的截面積是6mm2以上。

單相變頻器和連接電纜，其標準電

纜線截面積為1.5mm2至6mm2，參

相連接電纜，其截面積為1.5mm2至

4mm2 。

66

電纜傳輸功率損失

計算單相連接電纜傳輸功率損失：

AC cable n AC n

2AC cable n AC

AC cable

P = 2I V COS

2 L I = COSA k

67

電纜傳輸功率損失

計算三相連接電纜傳輸功率損失：

AC cable n AC n

2AC cable n AC

AC cable

P = 3 I V COS

3 L I = COSA k

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蘇漢儒

E-mail：[email protected]

作者目前在桃園職業訓練中心擔任外聘職業訓練師，累積職業訓練教學經歷13年。作者期望在臺灣從事太陽能光伏發電系統設計規劃安裝的業者與工程技術人員之專業技能與知識能與國際同步接軌。

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