鐘順太陽光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計(jì)

1、鐘順太陽光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計(jì)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(kuò)大和增容。如何減少雷害、減少維護(hù)，確保太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(jì)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(diǎn)、跟據(jù)站場、地域和氣候特點(diǎn)來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，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(yùn)，獲的良好的效費(fèi)比。2、雷電的危害直擊雷是由積

2、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(gè)直擊雷在2.5平方公里的范圍內(nèi)，由于電磁場作用對遠(yuǎn)處或防雷保護(hù)區(qū)之內(nèi)的導(dǎo)線、金屬管道，均能形成感應(yīng)場，同時(shí)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(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波，強(qiáng)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(cái)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(fù)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(qiáng)大的電磁場，使周圍的各類金

3、屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(yán)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(shí)，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(huì)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(jì)設(shè)計(jì)思路：環(huán)境識別、地線優(yōu)化、端口加固、空域防護(hù)。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

4、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3X3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 X 7.3 X 6。圖1站場布局在雷暴發(fā)生時(shí)，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(jì)損失， 有效的防雷和電涌保護(hù)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:依喧鎮(zhèn)式圖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(hù)）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

5、產(chǎn)生的空間電磁場，以保護(hù)建筑物和構(gòu)筑物的安全。 防 直擊雷裝置應(yīng)嚴(yán)格按照國標(biāo)B50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行 設(shè)置，其中避雷針必須按滾球法計(jì)算其保護(hù)范圍和高度。滾球法計(jì)算保護(hù)范圍公式:圖3單避雷針保護(hù)范圍示意圖(1)單針當(dāng)hhr 時(shí)Rx=h(2hr-h)I-hx(2hr-hx)1：!Rx_ D圖4雙避雷針保護(hù)范圍示意圖(2)等雙針時(shí)當(dāng)hWhr. D>2h(2hr-h)：時(shí)兩計(jì)間117 1/7Rx = hr-Ithr-y+fD/?)-1-建筑物防雷類別滾求半怦hr (m)第類必畬建筑物30第類防雷建筑物45第二類防雷建筑物60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

6、護(hù)角按上述計(jì)算公式設(shè)計(jì)，3X3陣需要四根。LAZQ 120C (不含桅桿)。方案二：采用CD歡幕拒雷裝置，可減少彳統(tǒng)避雷針的數(shù)量的 1/2 , 3X3 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(shí)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(hù)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(shí)現(xiàn)共地防止地電位反擊。獨(dú)立避雷針（線）應(yīng)設(shè)獨(dú)立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10QO低壓電力設(shè)備接地裝置的接地 電阻，不宜超過4Q0光伏設(shè)備的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)為環(huán)形接

7、地極（水平接地電 極），建議網(wǎng)絡(luò)大小為20mx 20ml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(jìn)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(gè)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(shí)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

8、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(hù)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(jìn)線處。屏蔽，實(shí)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(shí)，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(hù)。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(hù)線等方式。屏蔽裝置的外殼應(yīng)連接到設(shè)備地線上。方案一：3X3陣列，將基座鋼筋龍

9、骨，采用編鋼互連(電氣焊接)，焊 接點(diǎn)的防腐處理，地埋后互通形成以大地網(wǎng)。方案二：3X3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，8X8米網(wǎng)格，要求各節(jié)點(diǎn)電氣搭接可靠，接觸電阻要小，可不采用 電氣焊處理。方案三：3X3陣列，在每個(gè)直立塔架基礎(chǔ)上，采用深井單根地樁打入方 式，50鋼管7XLAD120口降阻劑材料LAD001(m),深度可在58米，測量 地阻值小于4Q達(dá)標(biāo)，目的是3X3陣列每個(gè)基座的接地電阻誤差最小?？擅?作地網(wǎng)或架空網(wǎng)減少工程造價(jià)，又能達(dá)到安全和防雷要求。4)設(shè)備防雷(端口加固)采用SPD良涌保護(hù)，通過在帶電電纜上安裝浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，減少電涌 和雷電過電壓對設(shè)

10、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(hù)措施：(1)在逆變器的每路直流輸入端裝設(shè)SPD良涌保護(hù)裝置。(2)在并網(wǎng)接入控制柜中安裝浪涌保護(hù)器， 以防護(hù)沿連接電纜侵入的雷 電波。為防止浪涌保護(hù)器失效時(shí)引起電路短路，必須在浪涌保護(hù)器前端串聯(lián) 一個(gè)斷路器或熔斷器，過電流保護(hù)器的額定電流不能大于浪涌保護(hù)器產(chǎn)品 說明書推薦的過電流保護(hù)器的最大額定值0當(dāng)太陽能電池方陣架設(shè)在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，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

11、浪涌保護(hù)器(如圖 5所示)，直流電源浪涌保護(hù)器可 選用專門用于直流配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器，也可選用交流配電系統(tǒng)的浪涌保 護(hù)器，并按換算公式Vdc= 1.414 Vac 計(jì)算。尤伏方陣F 斷更落 琳電表/圖6交/直流浪涌保護(hù)器安裝示意圖第一級浪涌保護(hù)應(yīng)該選擇開關(guān)型浪涌保護(hù)器以泄放大的雷電流，直流浪涌保護(hù)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limp > 5kA (10/350 ps);最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC > 1.15Udc (Uc為太陽電池方陣開路電壓)；電壓保護(hù)水平UP < 0.8U W(UW為逆變器耐沖擊過電壓額定值，一般情 況下5=4000功為保護(hù)用電設(shè)備，在逆

12、變器與并網(wǎng)點(diǎn)之間必須加裝第二級電 源防雷器，可選限壓型浪涌保護(hù)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(shí)踐證明這些措施是非常有效的。(1)直流SPD良涌保護(hù)器采用2+1組合，三個(gè)同參數(shù)指標(biāo)的模塊，連接方式為星形連接方式（2）交流SPD良涌保護(hù)器采用2+1組合，對地共模2參數(shù)相同（電壓保護(hù)水平為小于1200V）,線間差模1 （電壓保護(hù)水平小于500V）。（3）兩級限壓型浪涌保護(hù)器之間的間隔只有 4m不符合要求。為了保證 多級浪涌保護(hù)器之間的能量配合問題，GB50057-94規(guī)定，開關(guān)型浪涌保護(hù) 器與限壓型浪涌保

13、護(hù)器之間的安裝距離是 10m限壓型浪涌保護(hù)器與限壓型 浪涌保護(hù)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(hù)器 時(shí)， 由于各級浪涌保護(hù)器的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓和標(biāo)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(jì)和安裝時(shí)不考慮間距問題，他們之間能量配合不當(dāng)， 就會(huì)出現(xiàn)某級浪涌保護(hù)器動(dòng)作泄流的盲點(diǎn)。如果兩級浪涌保護(hù)器的間距達(dá)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(xiǎn)絲安裝位置和選型錯(cuò)誤。保險(xiǎn)絲作為浪涌保護(hù)器的后備保護(hù)應(yīng)位于浪涌保護(hù)器支路的前端，起過電流保護(hù)作用，其分?jǐn)嗄芰?yīng)等于或大于安裝處的預(yù)期短路電流。根據(jù)計(jì)算可得，在太陽輻照度為1000W/m2 溫度為25時(shí)流過熔斷器

14、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(hù)器失效使電路短路，流過熔斷器的電流也不 會(huì)超過熔斷器的額定電流，所以熔斷器起不到短路保護(hù)的作用。（ 5） 直流防雷器的標(biāo)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(shí)此系統(tǒng)中12 串 3 并的太陽電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為 422.2V， 開路時(shí)電壓約為530V， 8 串 3 并的太陽電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為281.6V， 開路時(shí)電壓約為353.6V。 由于太陽電池方陣是由各個(gè)太陽電池組件連接起來的，容易出現(xiàn)因接線錯(cuò)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(hù)逆

15、變器，建議與12 串 3 并的太陽電池方陣連接的浪涌保護(hù)器標(biāo)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(hù)器標(biāo)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(jì)參考）：型號妞路電浦i（A）箍佳匚作點(diǎn) 電流（A>開躇電壓最佳Lf乍點(diǎn) 電玨（V）STP175-24 Ac5.1649544.2035.20表2單晶硅太陽電池組件參數(shù)型號入電用最大輸人電流最佳匚作點(diǎn)電壓危困輸出電用Sunny Boy SB 4200 TL HC75W22A125VOOV230VSuimv Mini Central 6000 TL7O0V19A300V-600V2

16、30V表3 SMA光伏逆變器參數(shù)技術(shù)會(huì)數(shù)M40J000R標(biāo)稱工作電用1000VDC城大持續(xù)1作電用1200VDC漏電流<15uA翱定觸電沖擊電流 皿歆2。>1520KA最大放電沖擊電流Imax儂?0）us40KAm時(shí)的保護(hù)水平（即20如$-3200V響曲時(shí)間忸1-25115表4直流電源防雷器基本電氣性能指標(biāo)5、SP誕型1.跟蹤控制箱包括，AC22324V開關(guān)電源，AC220- 12V開關(guān)電源各一臺；控制板, 驅(qū)動(dòng)板各一套。交流線采用交流空開，電池板下來的光伏先先進(jìn)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:&匕#1恃14施機(jī)P) 口LTT4匚用用力時(shí)騙而帝好

17、不小噌式叫血便無A£-空 ICH ac »ZS-TC344淋i寸用電1） AC220 LAYM60(2+1) M0V620 (385)(注：620表示在直流 1mAF,施加直流電壓620V寸，SPDS動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V寸，SPD啟動(dòng)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(jī)（線聚光跟蹤，平板跟蹤，平板

18、固定）的配電柜接線圖stun " khix口o 口一對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 120800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) DC120-80O: LAYM402+1) M0V470(300)(注：470表示在直流 1mA下，施加直流電壓470V寸，SPD©動(dòng)值。300表示施加工頻交流電壓300時(shí)， SPDg動(dòng)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) M0V62O (385)(注：620表示在直流 1mAF, 施加直流電壓620V寸，SPD®動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V寸，SPD 啟動(dòng)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 LAXM06CLAXCH3-06C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(diǎn)對點(diǎn)兩端同時(shí)加裝相同型號的SPD良涌保護(hù)器。在地面下超過10米要加裝點(diǎn)對點(diǎn)SPD6、防雷材料匯總