浅论太阳能光伏发电系统雷电灾害及防御分析

王惟晨

酒泉市气象局 甘肃 酒泉 735000

1 雷电防御方法

光伏发电系统装置的最小耐冲击电压为1.0k V,当雷电感应电压和感应电流超过装置容限额定值时,装置就会损坏。经由分析,第一次正极性雷击、第一次负极性雷击、第一次负极以后雷击和历史雷电波相对应的安全距离依次是5.1、25.2、50.4和9.8m。从上面的分析能够看出,这一太阳能光伏发电系统需根据第2类防雷建筑物建立防直击雷设备,还要选用防闪电电涌侵入与防雷击电磁脉冲方法让雷击形成的感应电压和感应电流把控在它所容限的范围之间。

1.1 防直击雷与接地 本文在建筑物的屋檐、檐角等易遭到雷击的地方设置高度适宜的多支独立接闪杆,接闪杆的杆高为0.5m,屋檐部分每隔5m 设置一支,屋角转角处紧密设置。双杆以及多杆保护的构建,可有效地缩减接闪杆的高度与数量。太阳能发电接地系统含有防雷接地、安全保护地和交直流的功能性接地。各接地系统要实现彼此独立是很困难的,为了规避各接地系统之间的地电位反击,故把各设备、金属组件以及混凝土内基础地网等彼此相连,为了形成共同的接地网,接地网的设置与大小较特定的接地电阻值更为关键,接地网应使用基础地网或圆形人工接地网。接地电阻以小于1Ω为最佳,现场测量而得的基础地网工频接地电阻为0.8Ω,符合条件。

1.2 防闪电电涌 按照太阳能光伏系统的结构与雷电波侵入方式,在线路中装载多级能量相互调节的浪涌保护器(SPD),可以排除雷电流、约束过电压,让它们在受保护装置的可承受强度之中。在雷电波引入的汇流箱处,即LPZ0区和LPZ1区交界处创建Ⅰ类分类实验的SPD,当成第1级防护。在控制器处装载Ⅱ类分类实验的SPD用作第2级防护,于逆变器处装载第3级SPD。在直流负载与交流负载的装置前端装载第4级SPD,用作末级精细防护。于变压器的高压侧装载Ⅰ类实验的SPD,抵御电网侧雷电波引进雷电高电压波。通信装置于汇流箱、控制器、逆变器之间的信号线路装载适配的信号浪涌防护设备。光伏发电系统结构与SPD设置如图3所示。

图1 光伏发电系统浪涌保护

在构设与建设中SPD的冲击电流Iimp、电压保护水平Up的参数选型、SPD连接线的形式及长短和多级SPD的能量协调,往往没有进行分析与计算,导致装载的多级SPD无法根据构设分别触发,一些SPD 排放的能量高过它们自己的可承受力,致使SPD劣化更快。根据所计算出的雷电感应电流和电压结果,计算出对应的SPD冲击电流值与SPD连接线形式和长短。

浪涌保护器的冲击电流值的计算按参照公式(7)：

公式(7)中：n代表引进的金属管道与线路总数;m 表示各线路中芯线的根数;Rs表示屏蔽电缆屏蔽层每公里电阻,Ω/km;Rc代表芯线每公里电阻,Ω/km。此项目没有用到屏蔽线缆,16块电池板构成一组到汇流箱,则公式(7)为Iimp＝0.5×16×IRs/(nm)。

由计算得出,第一次正极性雷击、第一次负极性雷击、第一次负极以后雷击、历史雷电波采用的最大SPD冲击电流值Iimp分别是59.8、29.9、14.9和14.0k A。

此项目TN－S系统的SPD最大连续工作电压Uc的最小值是1.15U0值,U0代表交流、直流和信号工作电压,V;信号线路浪涌防护器的Uc值要比1.2U0大。浪涌防护器的有用电压防护水平UP/f,要符合UP/f≤Uw,线路引进处的Uw取值2.0k V。电压防护水平取公式(8)、(9)中的最大一个。

公式(8)、(9)中：UP表示浪涌防护器的电压防护水平,k V;ΔU 表示浪涌防护器连线的感应电压;l0表示连接线线感,取0.5μH/m。由公式(9)计算得到不一样的雷电波陡度其相应的连接线最大长度Lx分别是0.260、0.053、0.027和0.140m。为了降低接线长度造成的线路感应电压影响,选取凯文接线法,并把SPD接地线接在距离最近的金属配电箱箱壳上。

图2 首次正极性、负极性雷击SPD冲击电流Iimp选型图

图3 首次负极以后、历史雷击SPD冲击电流Iimp选型图

1.3 防雷击电磁脉冲 为了降低雷击电磁脉冲给光伏发电系统带来的浪涌影响,一是先通过车间钢筋混凝土内的钢筋、金属框架和金属板等自然组成和防雷设备可靠连接构成大空间屏蔽体;再把光伏发电系统装置、机柜和配电柜的金属外壳之间可靠连接并就近接地组成设备屏蔽;二是把光伏系统的电源线缆、信号通信线缆穿金属管敷设或变换成屏蔽线缆,金属管或屏蔽层的两端要接地,并于穿越防雷区处进行等电位连接。把处在LPZ0区的光伏阵列、汇流箱与通信装置之间的电源、信号线路所穿的金属管两端要相连于装置金属外壳、配电箱连接并和就近防雷设备。

每根电缆布线时应尽量不用大面积的电磁感应电路。不同线路和工作电压的电力线和信号线应敷设在不同的线槽内,信息系统电缆和防雷导线维持最小水平间距1000mm、交叉净距为300mm。