光伏汇流箱监测单元雷击事故分析及应对措施

胡剑生,李 嘉,王旭昊,王海明

（许昌许继风电科技有限公司,河南许昌,461000）

0 引言

光伏汇流箱是大型光伏电站最基本的电量汇集单元，监测单元作为核心部件不仅负责采集箱内电量、温度及开关量，还要对汇流箱进行故障诊断，最终将这些采样数据及故障诊断结果通过485通讯上送到后台供用户决策。因为受到光伏组件及汇流箱箱体的遮蔽且受到支架上接闪器的保护，所以监测单元不会遭受直击雷的损坏，只会受到强烈雷电电磁脉冲的侵袭。虽然箱内具有电源防雷器及通讯防雷器来应对雷电电磁脉冲的侵袭，但是监测单元依然经常发生强弱电模块之间的绝缘被击穿或RS485通讯模块失效的现象，这种情况无论对用户还是厂家而言都造成巨大的损失。因此本文针对光伏汇流箱监测单元的常见雷击事故进行详细分析并提出相应改进措施。

1 原因分析

1.1 绝缘击穿事故分析

由于电压监测模块用于监测母线电压，额定电压值为1000 VDC，故属于强电部分，而RS485通讯模块则属于弱电部分，从设计布局来看强弱电模块之间本身具有6kV的耐压能力。根据《CGC/GF002:2010 光伏汇流箱技术规范》要求，电源防雷标称放电电流In应大于等于20kA，电压保护水平Up小于4 kV。如图1所示，汇流箱内的电源防雷器由三个模块构成，分别为电源防雷+、电源防雷-、电源防雷PE，三个模块形成正对负、正对地、负对地三种保护模式。如果电源防雷器起到保护作用将残压限制到4 kV那么电压监测模块与通讯模块之间的绝缘是不应被击穿的，但事实并非如此，造成强弱电模块绝缘击穿的原因分如下：

变量说明：

Z1：接地电阻

I：雷电电磁脉冲形成的雷电流

U1：电源防雷+和电源防雷PE之间的电压

U2：雷电流流过Z1瞬间PE1对地电压

U3：电压测量模块正极对地电压

U4：通讯模块对地电压

U5：电压测量模块正极对通讯模块电压

UL1：雷电流流过导线L1瞬间的压降

UL2：雷电流流过导线L2瞬间的压降

在光伏电站中Z1不超过4Ω，如图1所示，假设汇流箱正极遭受雷电电磁脉冲侵袭，此时电源防雷+和电源防雷PE动作。实际工程中，由于I一般不大于20 kA，则U1不应超过Up（4kV）。当雷电流流经导线时，导线的感抗很大，相对于导线的直径而言，长度对感抗则影响起着决定作用。实验表明，8/20μs波形的10 kA电流通过截面积为16mm2、长度为2米的导线压降为2500V，而导线L1和L2截面积为16mm2，长度一般都在0.30m左右，因此其上面的压降UL1和UL2不容忽略。

由图1可得：

则U3瞬时值可达到85.5 kV，相对而言，U4近似为0，故U5可达到85.5kV电压差，因此汇流箱遭受雷电电磁脉冲侵袭后很多监测单元上电压测量模块与485通讯模块之间的绝缘被击穿。

1.2 RS485通讯模块故障分析

图2 RS485通讯电路原理图Fig.2 RS485 communication circuit schematic

如图2所示，通讯防雷的元件选型及工作原理如下：

图1 防雷器接线原理图Fig.1 SPD wiring principle diagram

TVS管的击穿电压UZ应高于通讯总线的信号电压，在此前提下尽可能的低以可靠保护通信芯片。通讯总线的信号电压正常不大于5V，故TVS管选型时UZ为6.67~7.67V，最大钳位电压UC为10.3V，峰值脉冲电流IS为58A。陶瓷气体放电管的直流放电电压Uf也应大于通讯总线的信号电压，故放电管选型时Uf为75 V，在上升陡度为1000V/μs的暂态电压脉冲作用下，冲击放电电压US为700V。协调电阻R1和R2起到限流和协调TVS管、放电管动作的作用，其理论值的选取应满足

因此，R1和R2可选择10Ω。

当RS485总线上遭受雷击时，由于TVS管动作时间小于等于1ps，而陶瓷气体放电管动作时间小于等于100ns，故TVS管先于陶瓷气体放电管动作。随着雷电流的增大，当雷电流流在协调电阻两端产生压降与TVS管的钳位电压之和达到陶瓷气体放电管的启动电压时放电管动作并泄放大能量雷电流，从而达到通讯防雷的目的。如果协调电阻选为贴片电阻则由于瞬时过载能力过小则很容易烧坏电阻，同理当连接陶瓷气体放电管引脚的铜箔较细时也会烧断，从而导致485通讯模块故障。

2 应对措施

2.1 绝缘击穿应对措施

根据上文1.1章节的分析，不难得出以下应对措施。

a) 将图1中信号防雷器的接地端PE2与屏蔽层接地端PE3断开，并将信号防雷器接地端PE2与电源防雷器接地端PE1等电位连接。如此以来， U5仅为UL1、U1、UL2之和，瞬时值仅达到5.5 kV。

b) 尽可能缩短导线L1和L2的长度。

c) 为降低被保护对象两端的残压，防雷器与被保护对象尽量使用凯文接线方式，避免T型接线方式。

采取上述措施后，可以确保雷电流不大于电源防雷器标称放电电流时U5值小于强弱电模块间耐压值6kV，从而避免绝缘击穿的现象。

2.2 RS485通讯模块故障应对措施

a) 由于信号防雷器按照波形为8/20μs的5 kA标称放电电流考核，根据经验值厚度35μm、宽度20mil的铜箔能承受1 kA雷电流，故将气体放电管引脚至端子的铜箔宽度设计为厚度35μm，宽度 100mil。

b) 增加协调电阻功率，协调电阻更换为功率为1w的圆晶电阻或插装电阻。

3 结论

本文所述的雷击事故在光伏汇流箱监测单元工程应用中普遍存在，对用户的运维及供应商的售后工作带来很大的困扰，第2节中所述的解决方案原理简单、易于实现、操作方便，经实践验证能够有效解决本文描述雷击事故，具有广泛推广的现实意义。