光伏系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

1、鐘順太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計(jì)成都興業(yè)雷安電子有限公司 易燕平 林毅龍1、前言隨著太陽(yáng)能光伏電站和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量、規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大和增容。如何減少雷害、減少維護(hù)，確保太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷與接地設(shè)計(jì)必須引起高度的重視。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷與接地和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(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、跟據(jù)站場(chǎng)、地域和氣候特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以開(kāi)放性大系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過(guò)電氣工程師、防雷工程師、基建工程師的通力合作，才能提高電站建設(shè)的質(zhì)量，保證電站的安全運(yùn)，獲的良好的效費(fèi)比。2、 雷電的危害直擊雷是由積

2、雷雨云中電場(chǎng)突變，水滴群集合電子破發(fā)對(duì)大地或云間放電現(xiàn)象，地面上的建筑物或構(gòu)筑物突出部形成接閃或尖端放電，電離通導(dǎo)的形成，流光柱下行，即直擊雷。一個(gè)直擊雷在2.5平方公里的范圍內(nèi)，由于電磁場(chǎng)作用對(duì)遠(yuǎn)處或防雷保護(hù)區(qū)之內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)、金屬管道，均能形成感應(yīng)場(chǎng)，同時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和金屬管道傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備和太陽(yáng)電池組件上，強(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波，強(qiáng)烈的電磁輻射，所以能損壞放電通道上的輸電線(xiàn)和電子設(shè)備，造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至擊死擊傷人畜，造成生命損失。雷云下表面分布著大量負(fù)電荷，對(duì)大地形成靜電感應(yīng)，并使各種金屬支架和電纜等感應(yīng)出高電壓。閃電電流在閃電通道周?chē)目臻g產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使周?chē)母黝?lèi)金屬

3、導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yán)重。如果沒(méi)有采取等電位連接和鉗位措施而且避雷針引下線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)、金屬管道或電器設(shè)備的工作地線(xiàn)間的距離小于安全間距，雷擊發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)感應(yīng)雷電流，或者雷擊建筑物導(dǎo)致地電位抬高，都會(huì)使設(shè)備的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和接地線(xiàn)之間存在電位差，如果電位差超過(guò)設(shè)備的耐受能力，則該設(shè)備必然被擊壞。3、太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路：環(huán)境識(shí)別、地線(xiàn)優(yōu)化、端口加固、空域防護(hù)。太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本組成為：太陽(yáng)電池方陣、直流配電柜、交流配電柜和逆變器等。太陽(yáng)電池方陣

4、的支架采用金屬材料并占用較大空間且一般放置在建筑物頂部或開(kāi)闊地，跟蹤器9臺(tái)，按照3×3的矩陣排列，跟蹤器與跟蹤器之間的間距為17米。跟蹤器長(zhǎng)寬高分別為9.8×7.3×6。圖1 站場(chǎng)布局在雷暴發(fā)生時(shí)，尤其容易受到雷擊而毀壞，并且太陽(yáng)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(jì)損失，有效的防雷和電涌保護(hù)是必不可少的。太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)電站防雷的主要措施有：圖2 綜合防雷的主要措施1） 氣象資料與地堪（環(huán)境識(shí)別）雷暴日、地形地貌、土壤電阻率、凍土層深度、風(fēng)口方向。2）外部防雷（空域保護(hù)）裝置主要是避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等構(gòu)成，通過(guò)這些裝置可以減小雷電流流入建

5、筑物內(nèi)部產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)，以保護(hù)建筑物和構(gòu)筑物的安全。防直擊雷裝置應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)B50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)置，其中避雷針必須按滾球法計(jì)算其保護(hù)范圍和高度。滾球法計(jì)算保護(hù)范圍公式：圖3 單避雷針保護(hù)范圍示意圖圖4 雙避雷針保護(hù)范圍示意圖表1 確定接閃器高度的依據(jù)方案一：采用傳統(tǒng)避雷針，保護(hù)角按上述計(jì)算公式設(shè)計(jì)，3×3陣需要四根。LAZQ 120C（不含桅桿）。方案二：采用CDP天幕拒雷裝置，可減少傳統(tǒng)避雷針的數(shù)量的1/2，3×3陣需要2根。LACPD（不含桅桿）。3） 接地和搭接（地線(xiàn)優(yōu)化）當(dāng)光伏設(shè)備放置在空曠地區(qū)時(shí)加外部防雷系統(tǒng)，避雷針的布置需要既考慮

6、光伏設(shè)備在保護(hù)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(dǎo)入大地，減小地電位，各接地裝置都要通過(guò)接地排相互連接以實(shí)現(xiàn)共地防止地電位反擊。獨(dú)立避雷針（線(xiàn)）應(yīng)設(shè)獨(dú)立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10。低壓電力設(shè)備接地裝置的接地電阻，不宜超過(guò)4。光伏設(shè)備的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)為環(huán)形接地極（水平接地電極），建議網(wǎng)絡(luò)大小為20m×20m。固定的金屬支架大約每隔10m 連接至接地系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備和建筑的接地系統(tǒng)通過(guò)鍍鋅鋼相互連接，在焊接處也要進(jìn)行防腐防銹處理，這樣既可以減小總接地電阻又可以通過(guò)相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個(gè)等電位面，顯著減小雷電作用在

7、各地線(xiàn)之間所產(chǎn)生的過(guò)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(lái)。圖5 太陽(yáng)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(shí)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(yáng)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(yáng)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(guò)安裝電涌保護(hù)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(jìn)線(xiàn)處。屏蔽，實(shí)現(xiàn)建筑物、線(xiàn)路和設(shè)備對(duì)外界的電磁屏蔽隔離，

8、防止電磁脈沖和感應(yīng)高電壓。屏蔽是當(dāng)雷電在系統(tǒng)附近的大地放電雷云在附近經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)降低電磁場(chǎng)與系統(tǒng)輸電線(xiàn)路的相互作用對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù)。屏蔽可以采用密封的導(dǎo)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(hù)線(xiàn)等方式。屏蔽裝置的外殼應(yīng)連接到設(shè)備地線(xiàn)上。方案一：3×3陣列，將基座鋼筋龍骨，采用編鋼互連（電氣焊接），焊接點(diǎn)的防腐處理，地埋后互通形成以大地網(wǎng)。方案二：3×3陣列，在直立跟蹤器塔架上，高度大于2米處，架設(shè)鋼絞線(xiàn)網(wǎng)格，8×8米網(wǎng)格，要求各節(jié)點(diǎn)電氣搭接可靠，接觸電阻要小，可不采用電氣焊處理。方案三：3×3陣列，在每個(gè)直立塔架基礎(chǔ)上，采用深

9、井單根地樁打入方式，50鋼管7×LAD1200加降阻劑材料LAD001(7包)，深度可在58米，測(cè)量地阻值小于4達(dá)標(biāo)，目的是3×3陣列每個(gè)基座的接地電阻誤差最小?？擅庾鞯鼐W(wǎng)或架空網(wǎng)減少工程造價(jià)，又能達(dá)到安全和防雷要求。4） 設(shè)備防雷（端口加固）采用SPD浪涌保護(hù)，通過(guò)在帶電電纜上安裝浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，減少電涌和雷電過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成損壞。太陽(yáng)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(yáng)能電池方陣外，還有配電線(xiàn)路、接地線(xiàn)等，所以太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要采取以下防護(hù)措施：（1）在逆變器的每路直流輸入端裝設(shè)SPD浪涌保護(hù)裝置。（2）在并網(wǎng)接入控制柜中安裝浪涌保護(hù)器， 以防護(hù)沿連

10、接電纜侵入的雷電波。為防止浪涌保護(hù)器失效時(shí)引起電路短路，必須在浪涌保護(hù)器前端串聯(lián)一個(gè)斷路器或熔斷器, 過(guò)電流保護(hù)器的額定電流不能大于浪涌保護(hù)器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)推薦的過(guò)電流保護(hù)器的最大額定值。當(dāng)太陽(yáng)能電池方陣架設(shè)在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)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(hù)器（如圖5 所示），直流電源浪涌保護(hù)器可選用專(zhuān)門(mén)用于直流配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器，也可選用交流配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器，并按換算公式Vdc= 1.414 Vac 計(jì)算。圖6 交/直流浪涌保護(hù)器安裝示意圖第一級(jí)浪涌保護(hù)應(yīng)該選擇開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器以泄放大的雷電流，直

11、流浪涌保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：額定放電沖擊電流Iimp 5kA（10/350s）；最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC 1.15Udc（Uc 為太陽(yáng)電池方陣開(kāi)路電壓）；電壓保護(hù)水平UP 0.8UW（UW 為逆變器耐沖擊過(guò)電壓額定值，一般情況下UW=4000V）為保護(hù)用電設(shè)備，在逆變器與并網(wǎng)點(diǎn)之間必須加裝第二級(jí)電源防雷器，可選限壓型浪涌保護(hù)器，具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)工作電壓和現(xiàn)場(chǎng)情況確定。綜合采用以上措施可以逐級(jí)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(shí)踐證明這些措施是非常有效的。注：（1）直流SPD浪涌保護(hù)器采用2+1組合，三個(gè)同參數(shù)指標(biāo)的模塊，連接方式為星形連接方式。（2）交流SPD浪涌保

12、護(hù)器采用2+1組合，對(duì)地共模2參數(shù)相同（電壓保護(hù)水平為小于1200V），線(xiàn)間差模1（電壓保護(hù)水平小于500V）。（3）兩級(jí)限壓型浪涌保護(hù)器之間的間隔只有4m，不符合要求。為了保證多級(jí)浪涌保護(hù)器之間的能量配合問(wèn)題，GB50057-94 規(guī)定，開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器之間的安裝距離是10m，限壓型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器之間的安裝距離是5m。電源線(xiàn)路中安裝了多級(jí)電源浪涌保護(hù)器時(shí)，由于各級(jí)浪涌保護(hù)器的標(biāo)稱(chēng)導(dǎo)通電壓和標(biāo)稱(chēng)放電電流的不同、安裝方式及接線(xiàn)長(zhǎng)短的差異，如果設(shè)計(jì)和安裝時(shí)不考慮間距問(wèn)題，他們之間能量配合不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)某級(jí)浪涌保護(hù)器動(dòng)作泄流的盲點(diǎn)。如果兩級(jí)浪涌保護(hù)器的間距達(dá)不到要求，

13、可以在線(xiàn)路中串聯(lián)安裝適當(dāng)?shù)耐笋钤?。?）注意保險(xiǎn)絲安裝位置和選型錯(cuò)誤。保險(xiǎn)絲作為浪涌保護(hù)器的后備保護(hù)應(yīng)位于浪涌保護(hù)器支路的前端，起過(guò)電流保護(hù)作用，其分?jǐn)嗄芰?yīng)等于或大于安裝處的預(yù)期短路電流。根據(jù)計(jì)算可得，在太陽(yáng)輻照度為1000W/m2 溫度為25時(shí)流過(guò)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(hù)器失效使電路短路，流過(guò)熔斷器的電流也不會(huì)超過(guò)熔斷器的額定電流，所以熔斷器起不到短路保護(hù)的作用。（5）直流防雷器的標(biāo)稱(chēng)工作電壓太大。太陽(yáng)電池方陣的直流輸出端電壓比較穩(wěn)定，工作時(shí)此系統(tǒng)中12 串3 并的太陽(yáng)電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為422.2V，開(kāi)路時(shí)電壓約

14、為530V，8 串3 并的太陽(yáng)電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為281.6V，開(kāi)路時(shí)電壓約為353.6V。由于太陽(yáng)電池方陣是由各個(gè)太陽(yáng)電池組件連接起來(lái)的，容易出現(xiàn)因接線(xiàn)錯(cuò)誤或其他原因?qū)е轮绷鬏敵鲭妷撼^(guò)逆變器最大輸入電壓的情況，為更好地保護(hù)逆變器，建議與12 串3 并的太陽(yáng)電池方陣連接的浪涌保護(hù)器標(biāo)稱(chēng)工作電壓為600-700V，與8串3并的太陽(yáng)電池方陣連接的浪涌保護(hù)器標(biāo)稱(chēng)工作電壓為400V-750V。（5）系統(tǒng)主要組成部分的具體配置如下（設(shè)計(jì)參考）：表2 單晶硅太陽(yáng)電池組件參數(shù)表3 SMA 光伏逆變器參數(shù)表4 直流電源防雷器基本電氣性能指標(biāo)5、SPD選型1跟蹤控制箱包括，AC22024V 開(kāi)關(guān)電源

15、，AC22012V開(kāi)關(guān)電源各一臺(tái)；控制板，驅(qū)動(dòng)板各一套。交流線(xiàn)采用交流空開(kāi)，電池板下來(lái)的光伏先先進(jìn)入控制箱的直流空開(kāi)，然后再出控制箱。公司目前接法具體如下：1）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流電壓620V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：三角形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。2）DC24：LAYM30 D24C，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。3）DC12：LAYM10 D12C。安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。配電柜部分包括對(duì)每臺(tái)跟蹤器的交流送電，以及每臺(tái)跟蹤的

16、直流匯集。下面是3臺(tái)跟蹤發(fā)電機(jī)（線(xiàn)聚光跟蹤，平板跟蹤，平板固定）的配電柜接線(xiàn)圖。三臺(tái)跟蹤器的配電柜接線(xiàn)圖電壓參數(shù)跟蹤器直流光伏線(xiàn)電壓一般在120800之間，交流采用220V民用交流電，通信線(xiàn)采用485協(xié)議，屏蔽雙絞線(xiàn)。雙絞線(xiàn)工作電壓5V。1） DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（注：470表示在直流1mA下，施加直流電壓470V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。300表示施加工頻交流電壓300時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：星形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。2）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流電壓620V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：三角形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。3）RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。注：上游設(shè)備與下游設(shè)備之間，地面上超過(guò)5米跨距需采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩端同時(shí)加裝相同型號(hào)的SPD浪涌保護(hù)器。在地面下超過(guò)10米要加裝點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SPD。6、防雷材料匯總：