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鐘順太陽光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計 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)模的不斷擴大和增容。如何減少雷害、減少維護，確保太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運行。對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的《防雷與接地設(shè)計》必須引起高度的重視。太陽能光伏并網(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)太陽能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點、跟據(jù)站場、地域和氣候特點來進行綜合設(shè)計，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，獲的良好的效費比。 2、 雷電的危害 直擊雷是由積雷雨云中電場突變，水滴群集合電子破發(fā)對大地或云間放電現(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。一個直擊雷在2.5平方公里的范圍內(nèi)，由于電磁場作用對遠處或防雷保護區(qū)之內(nèi)的導(dǎo)線、金屬管道，均能形成感應(yīng)場，同時可以通過導(dǎo)線和金屬管道傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備和太陽電池組件上，強大的沖擊電流、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。 　　雷云下表面分布著大量負電荷，對大地形成靜電感應(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)生強大的電磁場，使周圍的各類金屬導(dǎo)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(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，導(dǎo)線感應(yīng)雷電流，或者雷擊建筑物導(dǎo)致地電位抬高，都會使設(shè)備的電源線、信號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、太陽能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計 設(shè)計思路：環(huán)境識別、地線優(yōu)化、端口加固、空域防護。 太陽能光伏電站及并網(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間且一般放置在建筑物頂部或開闊地， 跟蹤器9臺，按照3×3的矩陣排列，跟蹤器與跟蹤器之間的間距為17米。跟蹤器長寬高分別為9.8×7.3×6。 圖1 站場布局 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） 裝置主要是避雷針、避雷帶和避雷網(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，以保護建筑物和構(gòu)筑物的安全。防直擊雷裝置應(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。 滾球法計算保護范圍公式：　 圖3 單避雷針保護范圍示意圖 圖4 雙避雷針保護范圍示意圖 表1 確定接閃器高度的依據(jù) 方案一：采用傳統(tǒng)避雷針，保護角按上述計算公式設(shè)計，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（地線優(yōu)化） 當(dāng)光伏設(shè)備放置在空曠地區(qū)時加外部防雷系統(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10Ω。低壓電力設(shè)備接地裝置的接地電阻，不宜超過4Ω。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20m×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)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5 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)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，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(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。 方案一：3×3陣列，將基座鋼筋龍骨，采用編鋼互連（電氣焊接），焊接點的防腐處理，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)鋼絞線網(wǎng)格，8×8米網(wǎng)格，要求各節(jié)點電氣搭接可靠，接觸電阻要小，可不采用電氣焊處理。 方案三：3×3陣列，在每個直立塔架基礎(chǔ)上，采用深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5～8米，測量地阻值小于4Ω達標，目的是3×3陣列每個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，又能達到安全和防雷要求。 4） 設(shè)備防雷（端口加固） 采用SPD浪涌保護，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)SPD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。 當(dāng)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= 1.414 Vac 計算。 圖6 交/直流浪涌保護器安裝示意圖 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Iimp ≥ 5kA（10/350μs）；最大持續(xù)運行電壓UC ≥ 1.15Udc（Uc 為太陽電池方陣開路電壓）； 電壓保護水平UP ≤ 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。 注： （1）直流SPD浪涌保護器采用2+1組合，三個同參數(shù)指標的模塊，連接方式為星形連接方式。 （2）交流SPD浪涌保護器采用2+1組合，對地共模2參數(shù)相同（電壓保護水平為小于1200V），線間差模1（電壓保護水平小于500V）。 （3）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(dǎo)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(dāng)，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間距達不到要求，可以在線路中串聯(lián)安裝適當(dāng)?shù)耐笋钤? （4）注意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，起過電流保護作用，其分斷能力應(yīng)等于或大于安裝處的預(yù)期短路電流。根據(jù)計算可得，在太陽輻照度為1000W/m2 溫度為25℃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。 （5）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 串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，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，建議與12 串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串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。 （5）系統(tǒng)主要組成部分的具體配置如下（設(shè)計參考）： 表2 單晶硅太陽電池組件參數(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 5、SPD選型 1．跟蹤控制箱 包括，AC220～24V 開關(guān)電源，AC220～12V開關(guān)電源各一臺；控制板，驅(qū)動板各一套。交流線采用交流空開，電池板下來的光伏先先進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，SPD啟動值。385表示施加工頻交流電壓385V時，SPD啟動值。）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 包括對每臺跟蹤器的交流送電，以及每臺跟蹤的直流匯集。下面是3臺跟蹤發(fā)電機（線聚光跟蹤，平板跟蹤，平板固定）的配電柜接線圖。 三臺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，SPD啟動值。300表示施加工頻交流電壓300時，SPD啟動值。）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，SPD啟動值。385表示施加工頻交流電壓385V時，SPD啟動值。）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5米跨距需采用點對點兩端同時加裝相同型號的SPD浪涌保護器。在地面下超過10米要加裝點對點SPD。 6、防雷材料匯總： 1．LAZQ 120C（不含桅桿） 2．LACPD（不含桅桿）（可選） 3．50鋼管7×LAD1200 4．LAD001(7包) 5．AC220：LAYM40（2+1） M0V620（385）（跟蹤控制箱） 6．DC24：LAYM30 D24C（跟蹤控制箱） 7．DC12：LAYM10 D12C（跟蹤控制箱） 8．DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（配電柜部分） 9．AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（配電柜部分） 10．RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C（配電柜部分）