光伏系統(tǒng)防雷設(shè)計

1、淺談太陽光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷中山大學太陽能系研究所羅宇飛順德中山大學太陽能研究所孫韻琳1、前言隨著人們環(huán)境保護意識的增強和太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量、規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模都在不斷擴大，為確保太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運行，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計也越來越受重視。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷與一般電器的防雷既有區(qū)別又有聯(lián)系，因此要根據(jù)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點來合理設(shè)計可靠的防雷方案。2、雷電的危害直擊雷是雷雨云對大地和建筑物的放電現(xiàn)象。當直擊雷作用在遠處或防雷保護區(qū)之內(nèi)的導線或金屬管道上時可以通過導線和金屬管道傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備和太陽電池組件上，由于它有強大的沖擊電

2、流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波，強烈的電磁輻射，所以能損壞放電通道上的輸電線和電子設(shè)備，造成財產(chǎn)損失，甚至擊死擊傷人畜，造成生命損失。雷云表面分布著大量負電荷，可以通過靜電感應(yīng)使支架和電纜等感應(yīng)出高電壓。閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生強大的電磁場，使周圍的各類金屬導體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或感生電流，從而損壞設(shè)備。并且雷電感應(yīng)高電壓和雷電電磁脈沖的作用范圍廣，作用方式比較隱蔽，所以其后果往往比直擊雷更嚴重。如果沒有采取等電位連接和鉗位措施而且避雷針引下線與導線、金屬管道或電器設(shè)備的工作地線間的距離小于安全間距，雷擊發(fā)生時，導線感應(yīng)雷電流，或者雷擊建筑物導致地電位抬高，都會使設(shè)備的電源線、信號線和接地

3、線之間存在電位差，如果電位差超過設(shè)備的耐受能力，則該設(shè)備必然被擊壞。3、太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本組成為：太陽電池方陣、直流配電柜、交流配電柜和逆變器等。太陽電池方陣的支架采用金屬材料并占用較大空問且一般放置在建筑物頂部或開闊地，在雷暴發(fā)生時，尤其容易受到雷擊而毀壞，并且太陽電池組件和逆變器比較昂貴，為避免因雷擊和浪涌而造成經(jīng)濟損失，有效的防雷和電涌保護是必不可少的。太陽能光伏并網(wǎng)電站防雷的主要措施有：圖1綜合防雷的主要措施外部防雷裝置主要是避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等，通過這些裝置可以減小雷電流流入建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的空間電磁場，以保護建筑物和構(gòu)筑物的安全。防直擊雷裝置

4、應(yīng)嚴格按照國標B50057-94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范的要求進行設(shè)置，其中避雷針必須按滾球法計算其保護范圍和高度。用滾球法計算保護范圍公式：WhsW時Rx=h(2hr-h)r2-h2hr-hx)12圖3雙避雷針保護范圍示意圖(2)等雙升時與圓.DWliQhr-hW出時在兩針間Rx=h-Khr-h)CD二-XT二世筑物防擊光別滴求平怦 hi(m第一柒防雷梯筑物30年二類藥苗化說物45弟三類苒捕世筑物60表1確定接閃器高度的依據(jù)當光伏設(shè)備放置在已經(jīng)建成的建筑物頂部時，應(yīng)考慮到原有的外部防雷系統(tǒng)。如果光伏設(shè)備處于保護范圍內(nèi)，可以不用另加外部防雷系統(tǒng)，反之則要另加外部防雷系統(tǒng)，避雷針的布置需要既考慮光伏設(shè)

5、備在保護范圍內(nèi)，又要盡量避免陰影投射到光伏組件上。良好的接地使接地電阻減小，才能把雷電流導入大地，減小地電位，各接地裝置都要通過接地排相互連接以實現(xiàn)共地防止地電位反擊。獨立避雷針（線）應(yīng)設(shè)獨立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10Q。低壓電力設(shè)備接地裝置的接地電阻，不宜超過4Q0光伏設(shè)備的接地系統(tǒng)設(shè)計為環(huán)形接地極（水平接地電極） ， 建議網(wǎng)絡(luò)大小為20亦20m固定的金屬支架大約每隔10m連接至接地系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電設(shè)備和建筑的接地系統(tǒng)通過鍍鋅鋼相互連接，在焊接處也要進行防腐防銹處理，這樣既可以減小總接地電阻又可以通過相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個等電位面，顯著減小雷電作用在各地線之間所產(chǎn)

6、生的過電壓。水平接地極鋪設(shè)在至少0.5m深的土壤中（距離凍土層深0.5m）,使用十字夾相互連接成網(wǎng)格狀。同樣，在土壤中的連接頭必須用耐腐蝕帶包裹起來。圖4太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷接地示意圖等電位連接，實現(xiàn)各金屬物體之間等電位，防止互相之間發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備外殼連通并接地。具體的做法是：太陽電池組件和支架及設(shè)備的外殼直接接到等電位系統(tǒng)上，直流和交流電纜通過安裝電涌保護器間接接到等電位系統(tǒng)上。為防止部分雷電流侵入建筑物，等電位連接應(yīng)盡可能靠近系統(tǒng)的入口或建筑物的進線處。屏蔽，實現(xiàn)建筑物、線路和設(shè)備對外界的電磁屏蔽隔離，防止電磁脈沖和感應(yīng)

7、高電壓。屏蔽是當雷電在系統(tǒng)附近的大地放電雷云在附近經(jīng)過時，通過降低電磁場與系統(tǒng)輸電線路的相互作用對系統(tǒng)提供保護。屏蔽可以采用密封的導電殼層、同軸外套或內(nèi)通電纜的電纜管，或者在電纜溝中電纜上面敷高裸露保護線等方式。屏蔽裝置的外殼應(yīng)連接到設(shè)備地線上。浪涌保護，通過在帶電電纜上安裝浪涌保護器實現(xiàn)，減少電涌和雷電過電壓對設(shè)備造成損壞。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵途徑，除了太陽能電池方陣外，還有配電線路、接地線等，所以太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要采取以下防護措施:1、在逆變器的每路直流輸入端裝設(shè)浪涌保護裝置。2、在并網(wǎng)接入控制柜中安裝浪涌保護器，以防護沿連接電纜侵入的雷電波。為防止浪涌保護器失效時

8、引起電路短路，必須在浪涌保護器前端串聯(lián)一個斷路器或熔斷器，過電流保護器的額定電流不能大于浪涌保護器產(chǎn)品說明書推薦的過電流保護器的最大額定值o當太陽能電池方陣架設(shè)在接閃器保護范圍內(nèi)時，太陽能電池方陣置于LPZ0B區(qū)內(nèi)，配電設(shè)備和逆變器必須置于LPZ1區(qū)內(nèi)，為此應(yīng)在逆變器的直流輸入端配置直流電源浪涌保護器（如圖5所示），直流電源浪涌保護器可選用專門用于直流配電系統(tǒng)的浪涌保護器，也可選用交流配電系統(tǒng)的浪涌保護器，并按換算公式Vdc=1.414Vac計算。圖5直流浪涌保護器安裝示意圖作為第一級浪涌保護應(yīng)該選擇開關(guān)型浪涌保護器以泄放大的雷電流，直流浪涌保護器的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足如下要求：額定放電沖擊電流

9、limp5kA（10/350ps）;最大持續(xù)運行電壓UC1.15Udc（Uc為太陽電池方陣開路電壓）；電壓保護水平UP0.8UW（UW為逆變器耐沖擊過電壓額定值，一般情況下UW=4000V為保護用電設(shè)備，在逆變器與并網(wǎng)點之間必須加裝第二級電源防雷器，可選限壓型浪涌保護器，具體型號應(yīng)根據(jù)工作電壓和現(xiàn)場情況確定。綜合采用以上措施可以逐級將雷電流降低，最終控制在設(shè)備能承受的電壓范圍之內(nèi)。大量實踐證明這些措施是非常有效的。4、太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷實例分析下面以一個實際例子來分析太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如何防雷。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的所有設(shè)備都位于避雷針的保護范圍內(nèi)，其設(shè)備的外殼和太陽電池組件的金

10、屬邊框和支架都通過接地排與建筑物原有的接地裝置可靠連接。系統(tǒng)的防雷接地及浪涌保護器安裝如圖6所示。也H西沁區(qū)降帆2七伏陣列號圖6太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷接地示意圖本太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由288塊峰值功率為175Wp的單晶硅光伏組件、6臺額定功率為6KW小型集中逆變器和3臺額定功率為4KW多組用逆變器組成。 光伏組件與額定功率為6KW的逆變器的組用方式為12申3并，與額定功率為4KW的逆變器的組用方式為8申3并。系統(tǒng)主要組成部分的具體配置如下：型號短器電流(A)毫隹工作點電罐 EAi開路電不 V)鼓佳匚作點電壓(V)SIP175-24Ac5.164梆44203520表2單晶硅太陽電池組件

11、參數(shù)型號最大輸人電 R人電玩就佳 Lft 點電庫池用750V22A125V-W0V2J0VSiuuivLIiniCentral6000TL700V19A3aQV-6flDV23OV表3SMA光伏逆變器參數(shù)技術(shù)參數(shù)林林匚作電本1000VDC大持續(xù)祚電小12OTVDC漏電流。1WA酎京改電押擊電瓶 lnS/20)n520。*大威電沖擊電灌IDU(比如4 心hi 時的保護水平將以地明同時間口25 邛表4直流電源防雷器基本電氣性能指標經(jīng)檢查、測量和分析發(fā)現(xiàn)此太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護系統(tǒng)有以下錯誤：1、保險絲安裝位置和選型錯誤。保險絲作為浪涌保護器的后備保護應(yīng)位于浪涌保護器支路的前端，起過電流保

12、護作用，其分斷能力應(yīng)等于或大于安裝處的預期短路電流。根據(jù)計算可得，在太陽輻照度為1000W/m2溫度為25c時流過熔斷器的可能最大電流約為15.48A。而系統(tǒng)使用的熔斷器的額定電流為16A,即使浪涌保護器失效使電路短路，流過熔斷器的電流也不會超過熔斷器的額定電流，所以熔斷器起不到短路保護的作用。2、直流防雷器的標稱工作電壓太大。太陽電池方陣的直流輸出端電壓比較穩(wěn)定，工作時此系統(tǒng)中12申3并的太陽電池方陣正常工作時輸出電壓約為422.2V,開路時電壓約為530V,8串3并的太陽電池方陣正常工作時輸出電壓約為281.6V,開路時電壓約為353.6V。由于太陽電池方陣是由各個太陽電池組件連接起來的，

13、容易出現(xiàn)因接線錯誤或其他原因?qū)е轮绷鬏敵鲭妷撼^逆變器最大輸入電壓的情況，為更好地保護逆變器，本人建議與12申3并的太陽電池方陣連接的浪涌保護器標稱工作電壓為600-700V,與8申3并的太陽電池方陣連接的浪涌保護器標稱工作電壓為400V-750V。3、此系統(tǒng)的接地裝置都直接與避雷帶相連，當發(fā)生雷擊時仍有部分電流流過導線，所以作為第一級防雷器必須選用開關(guān)型浪涌保護器，而不是限壓型浪涌保護器。4、兩級限壓型浪涌保護器之間的間隔只有4m不符合要求。為了保證多級浪涌保護器之間的能量配合問題，GB50057-94規(guī)定，開關(guān)型浪涌保護器與限壓型浪涌保護器之間的安裝距離是10m限壓型浪涌保護器與限壓型浪涌保護器之間的安裝距離是5m電源線路中安裝了多級電源浪涌保護器時，由于各級浪涌保護器的標稱導通電壓和標稱放電電流的不同、安裝方式及接線長短的差異，如果設(shè)計和安裝時不考慮間距問題，他們之間能量配合不當，就會出現(xiàn)某級浪涌保護器動作泄流的盲點。如果兩級浪涌保護器的問距達不到要求，可以在線路中串聯(lián)安裝適當?shù)耐笋钤?、結(jié)束語防雷工程能夠確保被保護設(shè)備的安