并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站防雷設(shè)計
時間：2021-08-31 13:15
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陳沁雨
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:本文指出了雷擊對并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站的主要危害形式及所對應(yīng)的雷電防護措施。依據(jù)相關(guān)的防雷及電氣接地規(guī)范，針對并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站提出了防雷設(shè)計方案并做了詳細的闡述。在光伏電站的防雷設(shè)計中，應(yīng)考慮雷電會通過何種形式對哪些設(shè)施造成損害，才能針對性采取有效的措施，以達到防護的目的，從而保證其長期穩(wěn)定、安全可靠地運行。
關(guān)鍵詞:光伏電站;并網(wǎng);防雷
0 引言
太陽能屬于可再生能源，具有清潔無污染、儲量大、可再生等特點，是目前人類所知的可利用的新能源之一。黨的十九大報告中提出了要推動能源轉(zhuǎn)型，減少煤炭消費，堅定不移地推進清潔發(fā)展。2018年據(jù)相關(guān)權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，全球新增光伏裝機約106GW，中國新增裝機規(guī)模約40GW。
雷電防護對整個光伏電站來說，是一個不可或缺的組成部分，它關(guān)系到電站能否平安正常的運行和電站人員的安全。作為未來新能源的主要選擇，國內(nèi)尚無一個詳細的設(shè)計規(guī)范來明確如何進行光伏電站的防雷設(shè)計，因此本文主要針對光伏電站的防雷方法結(jié)合工作經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范，進行總結(jié)和歸納，陳述個人觀點。
1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的組成及主要需防護雷擊設(shè)施
光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為3大類:獨立，分布式和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文主要針對并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行相關(guān)探討。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理是由地面光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過匯流箱匯流后輸送到的直流配電柜，然后輸送到并網(wǎng)逆變器上，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電后，傳輸?shù)浇涣髋潆姽瘢⒔?jīng)升壓后，送至電網(wǎng)。
并網(wǎng)光伏電站主要由光伏方陣，匯流箱，直流輸電線纜，直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜，升壓變壓器、送出線路及計量、控制、通訊等設(shè)備組成。本文中暫不考慮蓄電池組、蓄電池控制器及太陽跟蹤控制系統(tǒng)。
雷電對并網(wǎng)光伏電站的危害主要分為3種類型，分別為直擊雷，閃電電涌侵入以及設(shè)備機房的雷擊電磁脈沖。
直擊雷:當雷擊于地面光伏方陣、設(shè)備機房或送出線路上，經(jīng)過其對地放電產(chǎn)生的電擊時，由于雷電流的高溫熱效應(yīng)，在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產(chǎn)生強大的沖擊性機械力，可使人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎，從而導致人員傷亡、建筑物破壞，以及設(shè)備毀壞等。
閃電電涌侵入:雷擊在輸出線路、直流電纜線路或金屬管道上時，雷電流沿電纜線路或金屬管道侵入室內(nèi)，或者雷擊在電纜線路或金屬管道附近時，由于雷電流變化梯度大而產(chǎn)生強大的交變磁場，使得雷擊點附近的金屬導體產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流沿著金屬管線侵入設(shè)備機房內(nèi)，損壞設(shè)備或者危及人身安全。
設(shè)備機房的雷擊電磁脈沖:雷擊建筑物或附近時，雷電流進入建筑物的防直擊雷系統(tǒng)時所產(chǎn)生的迅變電磁場，它會對周圍的一切電子設(shè)備發(fā)生作用。這種磁場變化引起的電場變化可能導致機房內(nèi)部通訊、監(jiān)控等系統(tǒng)的電子、電氣設(shè)備失效。
綜上所述，并網(wǎng)光伏電站需采取雷電防護措施的組成部件有:地面光伏方陣、直流輸電線路、金屬管線、送出線路、建筑物機房及設(shè)備機柜(含直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜，升壓變壓器及計量、控制、通訊設(shè)備等)。
2 并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站防雷方案
2.1防雷類別確定
光伏電站的光伏方陣屬于露天場所，一般分布于空曠開闊的場地，而且分部面積較大，遭受直擊雷擊的概率自然會相對應(yīng)的增加。防雷類別參考《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》對糧、棉及易燃物大量集中的露天堆場的按照三類防雷建筑物的判定，雖然光伏方陣不屬于易燃物，但是投資巨大，如果因雷擊造成人員傷害或設(shè)備損害，其損失也是巨大的。光伏方陣雖存在較低火災(zāi)危險，但從減少經(jīng)濟損失的角度出發(fā)，對光伏方陣進行防雷設(shè)計是非常必要的。綜合各方面因素，建議按三類防雷建筑物考慮。
2.2直擊雷防護
直擊雷防護主要分為3個部分，設(shè)備機房，地面光伏方陣及送出線路。
2.2.1設(shè)備機房直擊雷防護措施
設(shè)備機房直擊雷防護應(yīng)按照三類防雷建筑物來考慮設(shè)計，采用φ12mm鍍鋅圓鋼作為接閃器，敷設(shè)在屋角、屋檐和檐角等易受雷擊部位，并在整個屋面組成不大于20m×20m的接閃網(wǎng)。利用建筑物混凝土柱內(nèi)2根φ≥16mm主筋作為引下線，其間距不大于25m，引下線上端與接閃帶連接，下端與基礎(chǔ)接地網(wǎng)連接。
2.2.2地面光伏方陣直擊雷防護措施
光伏方陣的光伏組件可利用其金屬邊框作接閃器、金屬支架作接地線，場站內(nèi)應(yīng)采用由垂直接地極和水平接地極共同組成的人工接地網(wǎng)，利用∟50mm×50mm×5mm角鋼作為垂直接地極，在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5m，采用40mm×4mm扁鋼作為水平接地極，挖溝埋設(shè)，垂直接地體的間距應(yīng)大于埋深的兩倍并均勻布置。固定在同一金屬框架上的光伏組件，其金屬框架接地點應(yīng)大于2點，且每個接地點間隔距離不大于25m。光伏方陣的防雷接地應(yīng)與其保護接地、系統(tǒng)接地以及設(shè)備機房的接地系統(tǒng)共用同一接地裝置;共用接地裝置的接地電阻，應(yīng)符合各接地系統(tǒng)最小值的要求，一般不大于1Ω。
2.2.3送出線路直擊雷防護措施
送出線路應(yīng)通過裝設(shè)避雷線來降低直擊雷造成的危害。
2.3防閃電電涌侵入的要求
防閃電電涌侵入主要針對出、入戶金屬管線的防護，包括直流輸入電纜、金屬管道、匯流箱、送出線路的防護。
2.3.1直流輸電線路及金屬管道防閃電電涌侵入措施
為減少雷電流或電涌電流通過直流輸電線纜進入機房，直流輸電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，其屏蔽層應(yīng)至設(shè)。金屬管道至少在始、末端、分支處、進入防雷區(qū)交界處做等電位連接，從而避免雷電流或電涌電流通過直流輸電線進入機房，使設(shè)備機柜遭受損害。
2.3.2匯流箱防閃電電涌侵入措施
應(yīng)在匯流箱內(nèi)裝設(shè)直流電涌保護器，即分別在匯流箱輸出端在正極對地、負極對地、正極對負極之間安裝，直流電涌保護器的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足:額定沖擊電流Iimp≥12．5kA(10/350μs)。當場站內(nèi)的光伏方陣或附近地面遭受雷擊時，輸電線路中形成的雷電流或電涌電流會通過匯流箱中的電涌保護器進行泄流。另外根據(jù)實際直流輸電線路數(shù)量，若需要進一步減小電涌電流，可在多級匯流箱中增設(shè)能量相匹配的電涌保護器以達到目的。
值得注意的是安裝在匯流箱處的直流電源電涌保護器應(yīng)滿足光伏系統(tǒng)的應(yīng)用特性要求，且最大持續(xù)工作電壓應(yīng)大于或等于光伏組件的最高開路電壓，綜合采用以上措施，盡可能的降低閃電電涌電流。
2.3.3送出線路防閃電電涌侵入措施
送出線路的防閃電電涌侵入措施，主要是在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)氧化鋅避雷器，利用氧化鋅避雷器良好的非線性伏安特性的特點，將線路上電涌電流導入大地。
2.4雷擊電磁脈沖防護措施
雷擊電磁脈沖的防護主要針對于機房內(nèi)設(shè)備，分為屏蔽、等電位及綜合布線:應(yīng)在線路出、入戶處設(shè)置等電位連接端，機房中所有的進出金屬管道或線路屏蔽層均應(yīng)在防雷區(qū)交界處做等電位連接。同時，機房內(nèi)設(shè)備機柜、金屬橋架、金屬管、屏蔽線纜金屬外層、設(shè)備安全保護接地、電涌保護器接地端等均應(yīng)以最短的路徑與S型結(jié)構(gòu)的接地基準點或M型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格連接。機房等電位連接網(wǎng)絡(luò)與光伏方陣的接地體應(yīng)保持同一電位，以防止電位差產(chǎn)生的反擊。
直流配電柜內(nèi)根據(jù)工作電壓要求，應(yīng)裝設(shè)適配的直流電涌保護器，逆變器每路直流的輸入端可根據(jù)實際情況選擇是否裝設(shè)電涌保護器，以達到降低雷電流產(chǎn)生的殘壓，使其小于設(shè)備耐受電壓的目的。升壓變壓器的低壓側(cè)應(yīng)安裝Ⅰ級試驗(額定放電沖擊電流Iimp≥12．5kA)的電涌保護器，高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器。另外機房內(nèi)布置信號線纜的走向時，應(yīng)盡量減小由線纜自身形成的感應(yīng)環(huán)路面積(圖1)。信號線路電涌保護器的選擇，應(yīng)根據(jù)線路的工作頻率、特性阻抗、傳輸介質(zhì)、工作電壓、接口形式等參數(shù)，選用電壓插入損耗小、分部電容小、并與縱向平衡、近端串擾指標適配的電涌保護器，設(shè)置在防雷區(qū)界面處。
3 安科瑞APV防雷光伏匯流箱
在一個大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，需要數(shù)量龐大的光伏電池組件進行串并組合達到需要的電壓電流值，以使發(fā)電效率達到最高。APV系列智能光伏匯流箱在提供匯流防雷功能的同時，還可提供光電池電流 測量、監(jiān)測光電池陣列中電池板運行狀態(tài)、電池電壓、匯流總功率、支路功率、匯流箱防雷器狀態(tài)采集、直流斷路器狀態(tài)采集、繼電器接點輸出、帶有風速、溫度、輻照儀等傳感器接口的功能供客戶選擇，本裝置標配有RS485接口，可以把測量和采集到的電量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。
產(chǎn)品特點
♦符合《CGC/GF 037： 2014》光伏方陣匯流箱技術(shù)規(guī)范；
♦防護等級為IP65,滿足室內(nèi)外安裝要求；
♦采用霍爾傳感器，隔離測量，最大16路輸入；
♦采用光伏專用熔斷器，耐壓DC1kV,熔斷電流可選擇；
♦可選電壓測量功能,最高測量電壓DC 1kV；
♦可選外部傳感器輸入接口，可監(jiān)測輻照、溫度、風速等；
♦具有RS485通訊接口，使用ModBus-RTU通訊協(xié)議；
♦多種供電方式（DC24V、AC/DC220V、DC1000V. DC1500V）可選擇，適用于家用屋頂太陽能或?qū)I(yè)光伏電站應(yīng)用;
♦可根據(jù)客戶需求配用國內(nèi)外知名品牌廠家的光伏專用直流斷路器，光伏專用直流熔斷器、防雷保護器等元件。
安科瑞AGF-MxxT系列穿孔式光伏匯流采集裝置是專門應(yīng)用于智能光伏匯流箱，用于監(jiān)測光電池陣列中電池板運行狀態(tài)，組串電流測量，匯流箱中防雷器狀態(tài)采集、直流斷路器狀態(tài)采集、裝置帶有RS485接口可以把測量和采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)上傳。
依據(jù)CNCA/CTS 0001-2011A光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范設(shè)計，具有以下特點：
1、一次電流采用穿孔方式接入，最大20A，穿孔方式接入，安裝方便，安全性高；
2、帶3 路開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測，可以對匯流箱內(nèi)的防雷器、斷路器狀態(tài)進行監(jiān)控；
3、具有內(nèi)部測溫功能，可實時監(jiān)測箱內(nèi)溫度，保證電氣安全；
4、具有最大DC 1500V母線電壓測量功能；
5、可就地顯示/液晶顯示頭，方便調(diào)試維護；
6、具備RS485接口，Modbus-RTU協(xié)議，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至后臺系統(tǒng)
4 結(jié)語
雷電被列為十大自然災(zāi)害之一，雖然雷擊是小概率事件，但是遭受雷擊所造成的損害是巨大的，所以要本著預(yù)防為主，防治結(jié)合的理念，做好雷電的防護工作，不能存在僥幸心理。在光伏電站系統(tǒng)中，應(yīng)考慮雷電會通過何種路徑對哪些設(shè)施設(shè)備造成影響，才能采取有效的措施，保證其平安、健康的運行。根據(jù)多年在防雷行業(yè)工作中所積累的經(jīng)驗及知識，筆者以自己的理解并結(jié)合相關(guān)防雷及電氣規(guī)范對光伏電站的防雷進行了一些探討，希望能為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。
【參考文獻】
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[6] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.
作者簡介：陳沁雨，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，Email: [email protected]，手機：18702112873（同微信），座機：021-69151198
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