光伏发电系统的雷电防护工程设计
2017-11-25
1.太阳电池阵列的防雷设计
(1)直击雷防护设计
在光伏发电系统的太阳能电池阵列中，太阳电池组件四周的铝合金框架与支架导通连接，所有支架均采用等电位连接接地，来防护直击雷。在直击雷发生之时，其感应电荷主要集中在太阳能电池组件的铝框架上。
防直击雷原理如图1所示，其中：RAI为太阳能电池方阵铝框架电阻，RAI=0;RC为太阳能电池方阵电阻，RC≥100MΩ;Rg为接地电阻，Rg≤10Ω。
由于太阳能电池组件是由抽真空的钢化玻璃夹层组成，其本身就是绝缘体，RC>>RAI。所以当雷击发生时，强大的电磁场在太阳能电池组件平面内会出现磁通量的急剧变化，该平面内的导体上会产生过电压和过电流，该过电压和过电流只会产生于铝合金框架闭合回路上，并通过RAI和Rg进入大地。
(2)静电感应过电压防护设计
如果直击雷或云间雷发生在太阳能电池组件的附近，则会在电池板上产生静电感应雷电过电压。由于电池板的正负导线相距很近，则在两导线上同时形成对地静电感应过电压UC。
UC=Ue-t/RC式中：U=Q/C ;Q为导线上感应积累的电荷量，C;U为发生闪电时，导线对大地间的电压，V;R为导线对大地散流电阻，Ω;C为导线对雷云间的电容，F;t为闪击发生后延续时间，s。
可见，电池板内部正负导线回路中没有静电过电压产生，即静电感应雷击对电池板内部回路没有损坏。当电池板附近发生直击雷和云间雷击时，强大的电磁场在电池板平面内会出现磁通量的急剧变化，该平面内的导体上会产生过电压和过电流。显然该过电压和过电流只会产生于铝合金框架闭合回路上，并通过支架进入大地。因此，电磁感应过电压不会对太阳能电池组件产生冲击损坏。另外，太阳能电池方阵的高度远低于低压架空输出线电杆高度，故而电杆接地可以作为电池方阵的防雷防护措施之一。
浪涌保护，通过在带电电缆上安装浪涌保护器实现，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池方阵外，还有配电线路、接地线等，所以太阳能光伏并网发电系统需要采取以下防护措施：
1)在逆变器的每路直流输入端装设浪涌保护装置。
2)在并网接入控制柜中安装浪涌保护器，以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器,过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值。
当太阳能电池方阵架设在接闪器保护范围内时，太阳能电池方阵置于LPZ0B区内，配电设备和逆变器必须置于LPZ1区内，为此应在逆变器的直流输入端配置直流电源浪涌保护器，如图2所示，直流电源浪涌保护器可选用专门用于直流配电系统的浪涌保护器，也可选用交流配电系统的浪涌保护器，并按换算公式Udc=1.414Uac计算。
作为第一级浪涌保护应该选择开关型浪涌保护器以泄放大的雷电流，直流浪涌保护器的主要技术参数应满足如下要求：
1)额定放电冲击电流Iimp≥5kA(10/350μs);
2)最大持续运行电压UC≥1.15Udc(Uc为太阳电池方阵开路电压);
3)电压保护水平UP≤0.8UW(UW为逆变器耐冲击过电压额定值，一般情况下UW=4000V)
为保护用电设备，在逆变器与并网点之间必须加装第二级电源防雷器，可选限压型浪涌保护器，具体型号应根据工作电压和现场情况确定。综合采用以上措施可以逐级将雷电流降低，最终控制在设备能承受的电压范围之内。大量实践证明这些措施是非常有效的。
2.直流输入、输出电缆的防雷设计
太阳能电池组件背面引出的导线采用BV-1×6mm2型电缆线，导线的脉冲绝缘耐压大于30kV，与供电系统设备达到绝缘配合。同时在太阳电池阵列后面的汇线箱内加装了过电压保护器，即分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-385/40与MYS8-FD2串联组合体。光伏阵列至机房控制器的直流电缆采用铠装电缆，其金属外皮均同太阳电池阵列支架连接，并可靠接地，同时在控制器的直流输入端同样将铠装电缆的金属外皮可靠接地，这样就避免了雷电波通过直流输入、输出线进入机房，从而避免了控制器等电气设备遭受感应雷的侵袭。
为了避免太阳能电池方阵、供配电系统和架空线输电系统之间的电位反击，须将太阳能电池组件四周铝合金边框、支架、供配电设备外壳保护接地，架空电杆均应采用等电位连接接地。
平时，还要经常检查防雷器件。每年雨季前应对防雷装置做一次系统检查，如果器件损坏一定要及时更换。雷雨后，更应注意对防雷装置的巡视，如发现防雷装置有熔化或损坏的，光伏阵列汇线盒中的防雷模块被烧毁、腐蚀和锈蚀的，应及时予以更换，否则可能因此遭受雷击。
另外，须检查出线杆上防雷箱内的防雷模块是否被击穿。如果此模块已被击穿，应更换新的防雷模块。除此之外，还要定时检查引下线各部分连接是否良好，检查固定防雷器是否安装牢固，检查各部分腐蚀和锈蚀的情况。
3.光伏发电系统控制器的防雷设计
光伏发电系统中的控制器只须进行感应雷电(静电感应、电磁感应)和雷电波的防护。控制器保护是在太阳电池阵列的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器。逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端相连接，因此对逆变器的保护是在逆变器的输出端(即在火线与地间、零线与地间和火线与零线间)安装过电压保护器。同时，机房内各设备均可靠接地，并与阵列、外架线路的接地体，保持同一电位，以防止雷电波的侵入和感应雷。对交流配电柜的保护是在交流配电柜的输出端，即架空线路的火线与地间、零线与地间和火线与零线间安装过电压保护器。此防雷器件全部安装于防雨防尘的防雷箱内，固定在架空线杆上，固定位置距架空线接地处越近越好。
控制器内被保护的器件主要是IGBT，其正负极间直流耐压一般大于500V，其脉冲耐压预计是1300V，电池板正负极间正常工作电压为直流260V(但在很长时间达到390V)，要达到此雷电防护目的，在控制器进行一级保护是不可能的，必须采用两级防护。两级防护方案：
在电池板背后的汇线箱内进行一级防雷保护，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS8-385/40与MYS8-FD2串联组合体;在控制器内的输入端，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-275/20;电池板背后的汇线箱与控制器间距应大于10m。控制器防雷保护原理如图3所示。
4.光伏发电系统逆变器及交流配电系统的防雷设计
光伏发电系统中的逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端连接，逆变器的对地脉冲绝缘耐压2.5kV。根据感应雷分配原则，在逆变器的输出端须进行纵横向全模保护，即在火线与地间、零线与地间安装过电压保护器MYS5-385/20与MYS5-FD2串联组合体;在火线与零线间安装过电压保护器MYS5-320/20与MYS5-FD2串联组合体，如图4所示。
距交流配电柜几米处有8m高的220V架空线杆，对架空线进行防雷保护即可保护配电柜。交流配电柜的输出电压为220V，为防止感应雷电流从外界直接进入供电系统，分别在交流配电柜输出端，即架空线的火线与地间、零线与地间安装过电压保护器MYS8-385/40与MYS8-FD2串联组合体;火线与零线间安装过电压保护器MYS5-320/20与MYS5-FD2串联组合体。此防雷器件全部安装于防雨防尘的防雷箱内，固定在架空线杆上，距架空线接地处越近越好，防雷箱距逆变器的输出端应大于10m。
