屋頂光伏系統(tǒng)大氣過(guò)電壓防護(hù)措施分析

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏（PV）的應(yīng)用在全球范圍內(nèi)顯著增長(zhǎng)，多數(shù)大型光伏系統(tǒng)設(shè)有防雷裝置，并具有過(guò)電壓防護(hù)措施。但是，一些中小型屋頂光伏系統(tǒng)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提倡的產(chǎn)消式低壓電氣裝置（PEI）中各類小型光伏系統(tǒng)可能不需要設(shè)置外部防雷裝置（LPS），對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估非常有必要。因?yàn)檫@將產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)水平，而防雷措施的價(jià)格和效率與這一保護(hù)水平直接相關(guān)。保護(hù)過(guò)度會(huì)造成經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，保護(hù)不足則可能造成安全隱患。建筑物屋頂設(shè)置或增加光伏系統(tǒng)一般不會(huì)增加或降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)，建筑物光伏系統(tǒng)的防雷分類應(yīng)與所安裝建筑物的防雷分類一致。在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及到大氣瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)，包括如何選擇和安裝電涌保護(hù)器（SPD），這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別是：①GB/T21714.2-2015/IEC62305-2：2010《雷電防護(hù)第2部分風(fēng)險(xiǎn)管理》，它是全面、詳細(xì)的建筑物防雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；②GB/T16895.10-2021/IEC60364-4-44：2018《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》，針對(duì)電氣裝置大氣過(guò)電壓防護(hù)；③GB/T16895.32-2021/IEC60364-7-712:2017《低壓電氣裝置第7-712部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求太陽(yáng)能光伏(PV)電源系統(tǒng)》，針對(duì)光伏直流系統(tǒng)大氣過(guò)電壓防護(hù)。建筑物防雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估GB/T21714.2-2015/IEC62305-2：2010針對(duì)建筑物的防雷風(fēng)險(xiǎn)，按雷擊點(diǎn)位置分為4種損害源：①S1：雷擊建筑物；②S2：雷擊建筑物附近；③S3：雷擊線路；④S4：雷擊線路附近。造成的風(fēng)險(xiǎn)包括：①人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)；②公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)；③文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)；④經(jīng)濟(jì)價(jià)值損失風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)各類風(fēng)險(xiǎn)分量，計(jì)算總的風(fēng)險(xiǎn)，并與標(biāo)準(zhǔn)提出的可容許風(fēng)險(xiǎn)水平（RT）進(jìn)行比較。當(dāng)總風(fēng)險(xiǎn)低于可容許風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，無(wú)需采取額外的防雷措施；否則，應(yīng)采取相應(yīng)防雷措施，直至風(fēng)險(xiǎn)降至可容許風(fēng)險(xiǎn)水平以下。我國(guó)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》主要參照IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)修訂，根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果進(jìn)行防雷分類，第一、二、三類防雷建筑物按防S1和S2雷擊選用SPD。各類防雷建筑物均要求在電源引入處設(shè)置SPD，根據(jù)絕緣配合要求，還應(yīng)設(shè)置后續(xù)的協(xié)調(diào)配合的SPD。電氣裝置大氣過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估>>>>

電氣裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估GB/T16895.10-2021/IEC60364-4-44：2018中的電氣裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是對(duì)GB/T21714.2-2015/IEC62305-2：2010的簡(jiǎn)化方法，僅考慮“電氣裝置對(duì)供配電系統(tǒng)引入，包括直接雷擊供配電系統(tǒng)大氣瞬態(tài)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的防護(hù)的要求”，不包括S1、S2和S4威脅。這種簡(jiǎn)化方法只涉及經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，只計(jì)算線路上的電涌（感應(yīng)電涌和直接電涌）。大氣過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)模型見(jiàn)圖1，大氣過(guò)電壓特性取決于如下因素：①供配電系統(tǒng)的線路敷設(shè)(地下或架空）；②在裝置的供電端上級(jí)裝有至少一組SPD的可能性；③供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)。不設(shè)置防雷裝置時(shí)，長(zhǎng)距離線纜中的電子部件也會(huì)受損。這是因?yàn)樗矐B(tài)電壓和電流會(huì)沿著連接電纜傳播，盡管損壞程度可能不如雷擊點(diǎn)附近的電子部件嚴(yán)重。此外，瞬態(tài)電壓還會(huì)導(dǎo)致電子部件性能下降。對(duì)于中小型屋頂光伏系統(tǒng)，僅考慮供配電系統(tǒng)引入的威脅類型具有一定的合理性。由于中壓架空線路的運(yùn)行距離較長(zhǎng)，導(dǎo)線的環(huán)路較大，比低壓線路遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)更高。中壓線路通過(guò)與基礎(chǔ)設(shè)施的低壓電源相連，將電涌傳輸進(jìn)入低壓供電的建筑物內(nèi)。這種評(píng)估方法采用計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)水平（CRL）來(lái)確定是否需要在裝置入口處安裝SPD。SPD的功能是限制瞬態(tài)過(guò)電壓，通過(guò)SPD的電壓保護(hù)水平與被保護(hù)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)絕緣配合，避免被保護(hù)設(shè)備永久性損壞。過(guò)電壓保護(hù)分為兩類：a.當(dāng)可能對(duì)以下建筑或設(shè)施造成影響時(shí)應(yīng)提供瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù):①人身生命相關(guān),例如安全設(shè)施、醫(yī)療救護(hù)設(shè)備；②公共設(shè)施和文化遺產(chǎn),例如公共設(shè)施、信息技術(shù)(IT)中心、博物館；③商業(yè)或工業(yè)機(jī)構(gòu),例如酒店、銀行、工業(yè)、商業(yè)市場(chǎng)、農(nóng)場(chǎng)。b.對(duì)于其他情況,應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來(lái)確定是否需要瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)。CRL由下式得出:式中:fenv

——環(huán)境系數(shù),農(nóng)村和郊區(qū)環(huán)境與市區(qū)環(huán)境取值差異與環(huán)境內(nèi)建筑物的密度有關(guān)，其取值如表1所示；

Lp

——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估長(zhǎng)度，km，計(jì)算見(jiàn)式（2）；

Ng

——對(duì)電力線路及其連接建筑物的地區(qū)雷擊大地密度，次數(shù)/(km2·a)。

總長(zhǎng)度（LPAL

+LPCL

+LPAH

+LPCH）限值為1km，當(dāng)線路長(zhǎng)度超過(guò)1km時(shí)，電涌將減弱，超過(guò)的部分不再有危害。其中，LPAL是最重要的參數(shù)，因?yàn)榈蛪杭芸站€路會(huì)比地下低壓電纜承受更多的直接沖擊和感應(yīng)電涌。此外，高壓架空線路也容易受到多次雷擊，但由于與高壓/低壓變壓器相連，低壓線路的傳導(dǎo)電涌會(huì)減少80%。這就解釋了Lp公式中每條線路長(zhǎng)度所使用系數(shù)的差別。若CRL≥1000,不需設(shè)置大氣瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)。若CRL＜1000,則需要設(shè)置大氣瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)。根據(jù)逆變器與電氣裝置電源引入點(diǎn)之間的距離，在逆變器交流側(cè)通常仍需要設(shè)置后續(xù)的SPD防護(hù)。>>>>

計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)水平（CRL）示例以某中壓架空線路供電市區(qū)環(huán)境的建筑物為例，其地閃密度Ng=2.5次/(km2·a)，環(huán)境系數(shù)fenv

=850,LPAL取0.1km；LPCL取0.2km；LPAH取0.1km；LPCH取0.6km。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估長(zhǎng)度：Lp

=2LPAL

+LPCL

+0.4LPAH

+0.2LPCH

=2×0.1+0.2+0.4×0.1+0.2×0.6=0.56建筑物電源引入處應(yīng)設(shè)置SPD進(jìn)行過(guò)電壓防護(hù)。光伏系統(tǒng)大氣過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估SPD選擇無(wú)外部防雷裝置的光伏系統(tǒng)，建筑物電氣裝置交流側(cè)和光伏裝置直流側(cè)安裝SPD的示意圖見(jiàn)圖3。交流側(cè)基于GB/T16895.10-2021/IEC60364-4-44：2018的應(yīng)用所安裝的SPD主要為防感應(yīng)電涌，使用Ⅱ級(jí)試驗(yàn)SPD即可。根據(jù)