山地光伏电站防雷安全有效性分析
来源:用户上传
作者:
摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，对雷电特性分析确定其对光伏电站的危害，并结合光伏电站受雷击造成损坏的实例，介绍一系列提升山地光伏电站防雷安全有效性的措施。
关键词：雷电;山地光伏电站;二极管;防雷有效性
引言
太阳能资源由于其环保、可再生及分布广泛等特点，近年来得到了各方面的重视，加之政策引导，整个太阳能光伏产业正以惊人的速度发展。随着传统能源的日益短缺，光伏发电技术的迅速发展和人们环保意识的增强，光伏电站的装机容量和建筑规模的扩大，电站也发生了迅速的变化。为了确保安全和稳定的光伏电站的运行、防雷设计的有效性和安全性越来越重要，特别是新的山，梯田和其他高电厂运行和维护困难，运行稳定，安全更重要。山区光伏电站的防雷与普通光伏电站防雷有关。因此，我们借鉴传统的光伏照明设计，并结合山地电站的设计特点，合理优化防雷方案
1雷电作用的形式
雷电是雷云放电的自然现象，拥有巨大的破坏力。其破坏形式主要有：直击雷、雷电感应和雷电波入侵。直击雷是雷电直接击中电力设备、建筑物或其他物体的作用形式。被直击雷作用的物体，其电位会骤升，从而形成过电压。通常电力设备会因过电压产生闪络或损坏，而且雷电波还会沿线路和导体传播。若直击雷作用的电力设备或建筑物带有防雷引下线，人在引下线接地点附近就会受到跨步电压和接触电压带来的生命危险。直击雷放电短暂，产生的巨大电流可直接使电力设备、建筑物造成物理损坏、火灾，甚至发生爆炸事故。雷电感应是指雷云放电过程在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使建筑物金属部件之间产生火花放电，也可能导致电力线路的绝缘闪络和损坏。静电感应是因雷云放电前携带大量电荷与电力设备等物体之间形成感应电荷，若感应电荷量过大且不能及时稀释，被感电力设备就会过电压，从而受损。雷电波入侵是指电力设备受到直击雷或感应雷，雷电波沿着线路或导体入侵到电力系统中，造成更大范围的雷击损坏。
2防雷系统设计
2.1组件矩阵的防雷设计
由于组件方阵、室外逆变器、室外变压器等设备装置高度一般不大于5m，依照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010），可以不考虑直击雷的防护。但因存在组件边框采用铝合金、组件方阵面积很大、组件安装采用金属材料固定等因素，光伏系统容易遭受直接雷击和形成感应过电压。对太阳电池方阵而言，可以设置水平和垂直相结合的接地网。将安全接地、工作接地、防雷接地作为一个共用接地装置，接地电阻值按一般不大于4Ω考虑。在沿组件方阵四周采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地带，接地体埋设深度一般不小于0.6～0.8m。如果组件厂家没有在组件铝合金外框上留有用于安装接地线的螺栓孔位置，则需要施工人员开孔，然后用接地导线把外框和电池板支架连接。另外矩阵区域内的电气设备所在地点附近对地电压应分布均匀，均压网要不少于两点与主接地网连接。
2.2防闪电电涌侵入措施
为彻底防止光伏电站各电气设备之间电位反击，除了采用共用接地系统外，进行等电位连接是防雷技术的关键。将金属光伏组件支架与汇流箱外壳进行等电位连接，将逆变器室内逆变器外壳、直流柜外壳、通讯柜外壳与逆变器风机均接到总等电位连接端子，并将所有等电位连接与光伏电站的接地网用做可靠电气连接。为防止闪电感应在线缆中产生的电涌电流侵入损害设备，需要对线缆进行屏蔽处理。本项目中从光伏组件到汇流箱的电源线缆型号为ZC-YJV220.6/1kV2×4，属带铠装线缆，因此将线缆两端的金属铠装层应分别与光伏支架、汇流箱进行等电位连接。从汇流箱到直流柜的铠装线缆型号为ZC-YJV220.6/1kV2×50，将金属铠装层一端与汇流箱进行等电位连接，在线缆进入逆变器室的入户处将金属铠装层连接到室内总等电位端子处。位于建筑内的光伏发电站设备的电源线路和信号控制线路应平行敷设在两端接地的金属管中，两种线缆间距应大于150mm，这样既能保证线路之间互不干扰，也能减小由线缆自身形成的电磁感应环路面积。为了防止光伏电站站内设备遭受雷电感应过电压或操作过电压的侵害，需要对光伏发电设备线路安装光伏专用电涌保护装置进行防护。根据CGC/GF002：2010《光伏汇流箱技术规范》5.3条，光伏汇流箱应设置电涌保护器，电涌保护器的最大放电电流Imax（8/20）≥40kA，标称放电电流In（8/20）≥20kA。单块光伏组件标准测试条件（STC）下开路电压为38.26V，每组光伏组串由20块光伏组件组成，则光伏组串的开路电压可简单推算为Uoc（STC）=38.26V×20=765.2V，汇流箱内电涌保护器最大持续运行电压应为Uc≥1.3Uoc（STC）=994.76V，汇流箱额定直流电压为600V，电压保护水平Up应小于3kV。参考GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》表5.4.3-3，逆变器室直流柜内电涌保护器可采用标称放电电流In（8/20）≥50kA，逆变器直流侧电涌保护器采用标称放电电流In（8/20）≥10kA，直流柜和逆变器直流侧电涌保护器Uc和Up的选择同于汇流箱即可。
2.3感应雷的防护
主要优化走线结合屏蔽原理，电池每列增加限压防雷模块。太阳电池板阵列，直流汇线尽可能走太阳电池板下方，借助支架较高的空间位置优先感应，对自身起到保护作用。不能经阵列下走的导线，敷设增套镀锌钢管，并将镀锌钢管与阵列接地扁钢做可靠的接地措施。接地采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面≥4mm。单个区域内太阳电池板各阵列做等电位链接，避免局部地电压过高，加重设备受感应电压的损坏程度。
2.4配电室和送出线路的防雷设计
对于配电室的直击雷防护，可以在配电室顶部设置1支固定式独立避雷针，在综合楼等其他建筑物设置屋顶避雷带等防直击雷措施。对于配电室内的设备二次防雷，建议在进线、UPS进线、直流母线等设备处装设防雷器。
2.5电容性耦合损坏
当系统电路或系统器件遭受雷击产生强大的电流时，由于电容的耦合作用，导致另一条线路上产生耦合电流，如果这种耦合电流能量较大，将损毁与之连接的二极管及保险管。受雷击程度轻的电站，太阳电池板的p-n结会被击穿，破坏组串回路，影响整个阵列的发电效率;受雷击程度重的电站则在逆变器与汇流箱之间、逆变器与变压器之间、逆变器与直流负载之间等设备输送电线路上产生浪涌电压，损坏外围电气设备，甚至可能对电网产生干扰。太阳电池板主要由晶体硅半导体组成p-n结，其接线盒的旁路二极管和直流汇流输出端的防反二极管在正常工作环境下p-n结可承受静电感应电等一系列高电压冲击，但在雷电等超高电压环境下容易损坏，较轻微的雷击就可能使其损坏。
结语
山地光伏电站由于地势高，不对光伏阵列做直击雷防护设计的传统防雷设计存在显著的纰漏。也因其阵列相对分散，迫使阵列组件到直流汇流箱的线程加大，使电池板脱离直流汇流箱防雷模块的安全防护距离。针对上述两大问题，主要做以下几点优化，以提高電站的防雷有效性：1）光伏阵列区依托地形合理增设接闪杆;2）组件到直流汇流箱走线优化结合屏蔽原理，降低导线对雷电产生的感应，电池每列出线断增设一限压防雷模块。
参考文献
[1]裴刚，李晶，季杰.玻璃盖板对光伏-太阳能热泵冬季综合性能的影响.太阳能学报，2010，31（3）：323-327.
[2]游志远，冯垛生.太阳能发电装置防雷保护.北京：中国电力出版社，2014年.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14689756.htm
