光伏系統(tǒng)的防雷擊保護(hù)和電涌保護(hù)

1、由于光伏設(shè)備暴露在戶外，并且逆變器的電子元件又非常敏感，為確保其20年的使用壽命，有效的雷擊和電涌保護(hù)是必不可少的。不僅房屋的業(yè)主決定在他們的屋頂上安裝光伏設(shè)備，而且一些私人企業(yè)在社區(qū)中對(duì)此類設(shè)備的投資也越來越大，通常這些設(shè)備被架設(shè)在大面積的屋頂、公共建筑或未使用的開闊區(qū)域上。由于光伏設(shè)備占用大量戶外空間，因此在雷暴發(fā)生時(shí)極易受到雷電的威脅。光伏設(shè)備中產(chǎn)生電涌的原因主要是：由于雷電放電和上游電源系統(tǒng)的開關(guān)操作引起感性或容性的耦合電壓。雷電引起的電涌可能會(huì)損壞光伏模塊和逆變器，這將給設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重后果：首先，逆變器的修理費(fèi)高昂；其次，系統(tǒng)故障可能會(huì)大幅削減電廠運(yùn)營商的利潤。防雷的必要性通常，

2、在建立光伏系統(tǒng)時(shí)必須明確區(qū)分所設(shè)立的建筑上是否具有防雷系統(tǒng)。出于安全原因，對(duì)于集會(huì)場所、學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑，在德國建筑條例中是要求配備防雷系統(tǒng)的。其中，對(duì)于建筑物，還要根據(jù)它們的位置、建筑結(jié)構(gòu)或使用情況判斷是否易受雷擊或雷擊是否可能造成嚴(yán)重的后果。對(duì)于那些需要保護(hù)的建筑物，必須配備長效的防雷系統(tǒng)。私人建筑物常常因未采取雷電保護(hù)措施而被雷擊。發(fā)生這種情況，部分是由于財(cái)力的原因，也有是由于對(duì)此類風(fēng)險(xiǎn)缺乏敏感性。如果為光伏系統(tǒng)選擇了沒有外部防雷的建筑物，那么，就出現(xiàn)了一個(gè)問題，即在屋頂上安裝太陽能發(fā)電板時(shí)，是否應(yīng)該為整個(gè)建筑物提供防雷保護(hù)？根據(jù)最新的科技理論，在建筑物上安裝光伏模塊不會(huì)增加發(fā)生雷擊

3、的風(fēng)險(xiǎn)，因此不能僅僅根據(jù)現(xiàn)有的光伏設(shè)備就直接得出需要防雷的結(jié)論。但是，在發(fā)生雷擊時(shí)，建筑物上的電氣設(shè)備遭到損壞的危險(xiǎn)會(huì)增加。這是基于以下事實(shí)：由于將光伏系統(tǒng)的電纜被引入建筑物內(nèi)，由雷電流引起的電磁干擾（傳導(dǎo)干擾和輻射干擾）可耦合到現(xiàn)有的插座和電纜。因此必要評(píng)估遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，并且在設(shè)計(jì)時(shí)將得到的結(jié)果考慮在內(nèi)。IEC62305-2（給出了如何計(jì)算雷擊建筑物的風(fēng)險(xiǎn)，以及選擇防雷系統(tǒng)的規(guī)程和數(shù)據(jù)。為此，DEHN+S0HNE公司提供了軟件DEHNsupport。該軟件給出的風(fēng)險(xiǎn)分析可確保得出有關(guān)各方面都認(rèn)同的防雷保護(hù)概念，并且滿足最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求，即以最小的花費(fèi)提供必要的保護(hù)。德國保險(xiǎn)協(xié)會(huì)已在其指

4、導(dǎo)原則VdS2010“RisikoorientierterBlitz-unduberspannungsschutzfUrObjekte”（中譯面向風(fēng)險(xiǎn)的防雷和電涌保護(hù)”）引入IEC62305-2（EN62305-2）的風(fēng)險(xiǎn)分析，并從保險(xiǎn)行業(yè)的角度出發(fā)提出為建筑物采取防雷措施。在表3”中照此指導(dǎo)原則，以簡化方式將保護(hù)等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的防雷措施進(jìn)行了劃分。此外，該指導(dǎo)原則還適用于具有備用供電設(shè)備的建筑物，例如：配有光伏設(shè)備（10KW）的建筑物。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此類物體必須考慮采用III級(jí)防雷等級(jí)（LPL）進(jìn)行保護(hù)。此外，還要求具有其它的電涌保護(hù)措施。針對(duì)III級(jí)設(shè)計(jì)的雷電保護(hù)系統(tǒng)（LPS）滿足光伏/太

5、陽能系統(tǒng)的常規(guī)要求：建筑物上的光伏/太陽能系統(tǒng)不得對(duì)現(xiàn)有的防雷保護(hù)措施造成影響。根據(jù)IEC62305-3（EN62305-3）的5.2和6.3，光伏/太陽能系統(tǒng)應(yīng)該由隔離的接閃裝置提供保護(hù)，以防遭到直接雷擊。如果無法避免直接連接，則必須顧及部分雷電流進(jìn)入建筑物產(chǎn)生的后果。直接雷擊時(shí)，光伏逆變器的雷擊保護(hù)如果光伏系統(tǒng)安裝在具有外部防雷系統(tǒng)的建筑物上，則對(duì)其基本要求之一是：光伏設(shè)備要在隔離接閃裝置的保護(hù)區(qū)域內(nèi)。此外，必須保持光伏設(shè)備支架和外部防雷系統(tǒng)之間的隔離距離，以防止發(fā)生失控的閃弧。否則，可能會(huì)有大量的雷電流進(jìn)入建筑物內(nèi)部。運(yùn)營商常常希望整個(gè)層頂都鋪上光伏板，以便獲得盡可能高的經(jīng)濟(jì)利潤。在這些

6、情況下，常常無法實(shí)現(xiàn)所要求的隔離距離，不得不將光伏設(shè)備的支架整合到外部防雷電保護(hù)系統(tǒng)中。在此，必須考慮耦合到建筑物內(nèi)的雷電流所帶來的后果，因而必須提供等電位連接。這意味著，直流電纜中也將有可能流過雷電流，所以必須實(shí)施等電位連接。按照IEC62305-3，該直流電纜必須由1級(jí)電涌保護(hù)器（SPD）保護(hù)。目前，基于火花間隙、用于直流電壓側(cè)的1級(jí)電涌保護(hù)器還無法提供。這個(gè)問題在于，一旦火花間隙被擊穿，便無法熄滅，因此電弧仍會(huì)持續(xù)存在。DEHN+SOHNE公司已成功地開發(fā)了可以遮斷直流電弧的火花間隙型的電涌保護(hù)器-復(fù)合型雷電流和電涌保護(hù)器DEHNlimitPV1000(圖91811)。這樣，DEHNli

7、mitPV1000成為用于光伏電站的理想的電涌保護(hù)器。在發(fā)生直接雷擊的情況下，密封的爬電火花間隙技術(shù)也能為光伏設(shè)備的發(fā)電機(jī)和逆變器提供安全保護(hù)。DEHNlimitPV1000的雷電流泄放能力高達(dá)50KA10/350“s。圖9.18.1.11級(jí)復(fù)合型電涌保護(hù)器DEHNlimitPV,在發(fā)生直接雷擊的情況下，能保護(hù)光伏逆變器免遭雷擊沖擊電流的損壞2級(jí)單極光伏電涌保護(hù)器，帶內(nèi)置短路裝置在2級(jí)電涌保護(hù)器DEHNguardPV500SCP的內(nèi)部構(gòu)造中，設(shè)定了新的安全模式。在此SPD中具有雙監(jiān)控和動(dòng)態(tài)熱脫扣裝置，并結(jié)合一個(gè)額外的短路裝置。即使設(shè)備過載,如:在光伏發(fā)電機(jī)回路中發(fā)生絕緣故障，該電涌保護(hù)器仍能確

8、保安全而不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)的危險(xiǎn)。以下示例用來解釋DEHNguardPV500SCP中的短路裝置的作用：圖9.18.1.3：在光伏設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間光伏發(fā)電機(jī)上出現(xiàn)絕緣故障。圖9.18.1.4：這導(dǎo)致電涌保護(hù)器因超過允許的最大連續(xù)電壓UC而過載。圖9.18.1.5：DEHNguardPV500SCP的脫扣和短路組合裝置動(dòng)作。短路電流可達(dá)50A直至光伏設(shè)備處于自動(dòng)修復(fù)狀態(tài)。這樣，即使在光伏發(fā)電機(jī)的電路中出現(xiàn)絕緣故障，也能確保安全隔離而沒有火災(zāi)危險(xiǎn)。應(yīng)用示例無外部防雷系統(tǒng)的建筑物ra交流輸入輸出主配電版權(quán)所有接地導(dǎo)線韭B_DNO圖9.18.1.6無外部防雷系統(tǒng)的建筑物上光伏設(shè)備的防雷保護(hù)概念圖9.18.1.6

9、所示，是在無外部防雷系統(tǒng)的建筑物上為光伏設(shè)備設(shè)立的電涌保護(hù)概念。電涌保護(hù)器的可能的安裝位置是：-逆變器的直流輸入端f逆變器的交流輸出端f供電系統(tǒng)的低壓側(cè)2級(jí)電涌保護(hù)器DEHNguard安裝在建筑物的低壓供電系統(tǒng)中。DEHNguardM具有一個(gè)完整的預(yù)接線裝置，針對(duì)每一個(gè)低壓系統(tǒng)（TN-C、TN-S、TT），都有相應(yīng)的產(chǎn)品（表9.18.1.1）。如果光伏逆變器和DEHNguard（低壓電源側(cè)）的安裝位置之間的距離不大于5米，則逆變器的交流輸出便得到了足夠的保護(hù)。如果導(dǎo)線較長，則需要在逆變器的交流輸入端的上游安裝額外2級(jí)電涌保護(hù)器（表9.18.1.1）。utt疾統(tǒng)Orr系統(tǒng)建變器的亙?yōu)E瑞人9605

10、950595219521DEhNguDEHNgu2K（正極和負(fù)攝到接地各一個(gè)IDEHNguardM0GDEHNgmardDGDGMTH275DGMTO275FiVtDEHNguard,DGFV&G0SCPDEHNguard,DGPV500SCPFMDEHNgtaardM,CGMTNC275DEHNgmsrdM,DGMTNC韜S275FM275275FMTNC嘉統(tǒng)9523952395249524DEhNguard訊DGIDEHNguard皿科33電涌保護(hù)器型號(hào)沖ardM,DGMTT2P275ardMaDGMTT2P275FM95229522ffllll.6保護(hù)對(duì)象交潦低壓供電廉統(tǒng)表9.18.1.

11、1在無外部防雷系統(tǒng)的建筑物上光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器選型表在逆變器的直流輸入端，在每個(gè)進(jìn)線端的正極和負(fù)極之間都必須安裝DEHNguardPV500SCP電涌保護(hù)器。采用這個(gè)保護(hù)裝置，即使發(fā)電機(jī)的直流電壓高達(dá)1000V,也能為光伏設(shè)備提供安全的電涌保護(hù)。所選的電涌保護(hù)器的工作電壓應(yīng)該比在寒冷冬日的最強(qiáng)日曬期間太陽能發(fā)電機(jī)預(yù)期開路電壓約高10%。具有外部防雷系統(tǒng)并且保持隔離距離的建筑物防雷系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)須經(jīng)已有的試驗(yàn)報(bào)告或維護(hù)檢查來證實(shí)。如果在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)外部防雷系統(tǒng)存在缺陷（例如：嚴(yán)重腐蝕、松動(dòng)和端子脫落），則光伏設(shè)備的建設(shè)者有責(zé)任將這些缺陷書面通知建筑物的所有者。在屋頂表面上搭建光伏設(shè)備時(shí)，應(yīng)該考

12、慮到現(xiàn)有的外部防雷系統(tǒng)。為此，光伏設(shè)備必須安裝在外部防雷系統(tǒng)的保護(hù)分區(qū)內(nèi)防止被直接雷擊。舉例來說，通過使用適當(dāng)?shù)慕娱W裝置（如：避雷針），可以防止光伏板遭到直接雷擊。避雷針的布置必須使在形成的保護(hù)空間內(nèi)放置的光伏模塊可以避免遭到直接雷擊，其次，必須防止任何陰影投射到光伏板上。務(wù)必注意，在光伏組件和金屬部件（如：防雷裝置、雨水槽、天窗、太陽能電池或天線系統(tǒng)）之間必須依據(jù)IEC62305-3（EN62305-3）保持隔離距離S。隔離距離按照IEC62305-3（EN62305-3）3進(jìn)行計(jì)算。圖9.18.1.7中所示的光伏設(shè)備位于外部防雷系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)域內(nèi)。版權(quán)所有圖9.18.1.7具有外部防雷系統(tǒng)并

13、且保持隔離距離s的建筑物上光伏設(shè)備的防雷概念圖9.18.1.7展示了具有外部防雷系統(tǒng)的建筑物上的光伏設(shè)備的電涌保護(hù)概念，其中，光伏板與外部防雷系統(tǒng)保持足夠的隔離距離。防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是要對(duì)所有從外部進(jìn)入建筑物的導(dǎo)電部件進(jìn)行等電位連接。完成等電位連接要求的辦法是：正常情況下不帶電的金屬構(gòu)件直接接到等電位系統(tǒng)上，帶電電纜或?qū)w通過安裝電涌保護(hù)器間接接到等電位系統(tǒng)上。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，以便防止部分雷電流以侵入建筑物。建筑物的低壓供電系統(tǒng)可由DEHNventilZP保護(hù)，它是采用了火花間隙技術(shù)的多極復(fù)合型雷電流和電涌保護(hù)器。它是為電表中40mmDIN軌安裝而專門設(shè)計(jì)的

14、。SPD必須根據(jù)電源系統(tǒng)的接地方式進(jìn)行選擇。（表9.18.1.2）DEHNventilZPFDVZP交潼電源/逆變器的交潦龜出TN蔡統(tǒng)TT祭統(tǒng)盪甕器的直流輸入DEHNDEHMDGMTT2P275DGMTT2P275DEHNgua.OGPV500SCPDEHNguar-d,DGPV500CPFMDEHNguardDEHNguardTN-C系址五-系統(tǒng)和TT系統(tǒng)1STN275MTN275FMLv.feiS900390039506950S僭塹鬲T,7諜護(hù)對(duì)気電涌鐮護(hù)器型號(hào)DEHNventilZPtDVZPTNG25595229522952195212j（C正極和負(fù)扱到接地各一?。┍?.18.1.2在具有外部防雷系統(tǒng)并且保持隔離距離s的建筑物上光伏系統(tǒng)電涌保護(hù)器選型表此復(fù)合型SPD將雷