鐘順太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(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)來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以開放性大系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過電氣工 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

2、雷是由積雷雨云中電場(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、金屬管道，均能形成感應(yīng)場(chǎng), 同時(shí)可以通過導(dǎo)線和金屬管道傳輸?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圍的空間產(chǎn)生強(qiáng)大的

3、電磁 場(chǎng)，使周圍的各類金屬導(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。如果沒有采取等電位連接和鉗位措施而且避雷針引下線與導(dǎo)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(shí)，導(dǎo)線感應(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、信號(hào)線和接 地線之間存在電位差，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(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

4、、交流配電柜和逆變器等。太陽(yáng)電池方陣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闊地，跟蹤器9臺(tái)，按照3x3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9.8x7. 3x6。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:護(hù)內(nèi)也*當(dāng)權(quán)護(hù)111kimmft1 護(hù)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

5、雷網(wǎng)等構(gòu)成，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(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:0 hhx : $圖3單避雷針保護(hù)范圍示意圖(1) 單針當(dāng)h£hr時(shí)rx=h(2hr-h)12-hx(2hr-hx)12rx丄i1°、p、'l、"w "1uhff"1 h v if '1 .% x圖4雙避雷針保護(hù)范圍示意圖(2) 等雙針時(shí)當(dāng)h4r, dn2h(2hrh)】'時(shí)在

6、兩針間rx = lir-(ln-h)2+(d/2)2-x212筑物防雷類別滾求半輕hr (m)第一類防審建筑物30第二類防雷建筑物45第淡?？两?筑物60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)，3x3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, 3x3陣需要2根。lacpd (不含桅桿)。3) 接地和搭接(地線優(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，

7、各接地裝置都要通過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）應(yīng)設(shè)獨(dú) 立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10 q。低壓電力設(shè)備接地裝置的接地 電阻，不宜超過4q。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20mx20mo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各地線之間 所產(chǎn)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

8、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)線處。屏蔽，實(shí)現(xiàn)建筑物、線路和設(shè)備對(duì)外界的電磁屏蔽隔離，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)過時(shí)，通 過降低電磁場(chǎng)

9、與系統(tǒng)輸電線路的相互作用對(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)線等方式。屏蔽裝置的外殼應(yīng)連接到設(shè)備地線上。方案一：3x3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)。方案二：3x3陣列，在直立跟蹤器塔架上，高度大于2米處，架設(shè)鋼絞 線網(wǎng)格，8x8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。方案三：3x3陣列，在每個(gè)直立塔架基礎(chǔ)上，采用深井單根地樁打入方 式，50鋼管7 x lad1200加降阻劑材料lad001 （7包），深度可在58米，測(cè)量 地阻值小于

10、4q達(dá)標(biāo)，目的是3x3陣列每個(gè)基座的接地電阻誤差最小?？擅?作地網(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）釆用spd浪涌保護(hù)，通過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，還有配電線路、接地線等，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，過電流保護(hù)器的額定電流不能

11、大于浪涌保護(hù)器產(chǎn)品 說明書推薦的過電流保護(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lpzob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)器可選用專門用于直流配電系統(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二1.414 vac計(jì)算。光債萬陣樓ft直血配電柜sj劇無交流配電柜ms 九電囊k按地4丄 核地圖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)該選擇開關(guān)型浪涌保護(hù)器以泄放大的雷電流，直流浪涌保護(hù)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limp

12、 2 5ka （10/35011 s）；最大持續(xù)運(yùn)行電壓uc 21. 15udc （uc為太陽(yáng)電池方陣開路電壓）；電壓保護(hù)水平up w 0. 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(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浪涌保護(hù)器采用2+1組合，對(duì)地共模2參數(shù)

13、相同（電壓保護(hù) 水平為小于1200v）,線間差模1 （電壓保護(hù)水平小于500v） o（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題，gb50057-94規(guī)定，開關(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)稱導(dǎo)通電壓和標(biāo)稱放電電流的不同、安裝方式 及接線長(zhǎng)短的差異，如果設(shè)計(jì)和安裝時(shí)不考慮間距問題，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，可以在線路中串聯(lián)

14、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°c時(shí)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(hù)器失效使電路短路，流過熔斷器的電流也不 會(huì)超過熔斷器的額定電流，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,開路

15、時(shí)電壓約為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,開路時(shí)電壓約為353. 6vo由于太陽(yáng)電池方陣是由各個(gè)太 陽(yáng)電池組件連接起來的，容易出現(xiàn)因接線錯(cuò)誤或其他原因?qū)е轮绷鬏敵鲭妷?超過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)稱工作電壓為400v-750vo（5）系統(tǒng)主要組成部分的具體配置如下（設(shè)計(jì)參考）：型號(hào)短路電 流最佳i作點(diǎn)電流（a）開路電壓（v）最佳工作點(diǎn)電 fr （v ）stp 175-24/ac5.164.9544.2035.2

16、0表2單晶硅太陽(yáng)電池組件參數(shù)型號(hào)瑕大輸 入電壓繪大輸 入電潦瑕佳i】作點(diǎn)電壓范出輸出電壓sunny boy sb 4200 tl hc750v22a125v600v230vsunnv mini central 6000 tlj700v19 a300v600p230v表3 sma光伏逆變器參數(shù)技術(shù)參數(shù)m40-1000b標(biāo)稱匸作電壓1000vdc最大持續(xù)工作電壓1200vdc漏電減<15ua瀕定放電沖擊電流in2（加020ka堆大放電沖擊電imax（a'20）us40kain時(shí)的保護(hù)水平（8/20）us<32oov響應(yīng)時(shí)間ta<2 5ns表4直流電源防雷器基本電氣性能指標(biāo)

17、5、spd選型1.跟蹤控制箱包括，ac22024v開關(guān)電源，ac22012v開關(guān)電源各一臺(tái)；控制板,驅(qū)動(dòng)板各一套。交流線采用交流空開，電池板下來的光伏先先進(jìn)入控制箱的 直流空開，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

18、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)跟蹤的直流匯集。下面是3臺(tái) 跟蹤發(fā)電機(jī)(線聚光跟蹤，平板跟蹤，平板固定)的配電柜接線圖。m杯oo1 a p"xjbr .k、計(jì)1a?*im* th?*ras*peftibnaadcgoocezssacxb n二esigoay丹網(wǎng)死低對(duì)比從三臺(tái)跟蹤器的配電柜接線圖電壓參數(shù)跟蹤器直流光伏線電壓一般在120-800之間，交流采用220v民用交流 電，通信線采用485協(xié)議，屏蔽雙絞線。雙絞線工作電壓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