光伏匯流箱監測單元雷擊事故分析及應對措施

胡劍生,李 嘉,王旭昊,王海明

（許昌許繼風電科技有限公司,河南許昌,461000）

0 引言

光伏匯流箱是大型光伏電站最基本的電量匯集單元，監測單元作為核心部件不僅負責采集箱內電量、溫度及開關量，還要對匯流箱進行故障診斷，最終將這些采樣數據及故障診斷結果通過485通訊上送到后臺供用戶決策。因為受到光伏組件及匯流箱箱體的遮蔽且受到支架上接閃器的保護，所以監測單元不會遭受直擊雷的損壞，只會受到強烈雷電電磁脈沖的侵襲。雖然箱內具有電源防雷器及通訊防雷器來應對雷電電磁脈沖的侵襲，但是監測單元依然經常發生強弱電模塊之間的絕緣被擊穿或RS485通訊模塊失效的現象，這種情況無論對用戶還是廠家而言都造成巨大的損失。因此本文針對光伏匯流箱監測單元的常見雷擊事故進行詳細分析并提出相應改進措施。

1 原因分析

1.1 絕緣擊穿事故分析

由于電壓監測模塊用于監測母線電壓，額定電壓值為1000 VDC，故屬于強電部分，而RS485通訊模塊則屬于弱電部分，從設計布局來看強弱電模塊之間本身具有6kV的耐壓能力。根據《CGC/GF002:2010 光伏匯流箱技術規范》要求，電源防雷標稱放電電流In應大于等于20kA，電壓保護水平Up小于4 kV。如圖1所示，匯流箱內的電源防雷器由三個模塊構成，分別為電源防雷+、電源防雷-、電源防雷PE，三個模塊形成正對負、正對地、負對地三種保護模式。如果電源防雷器起到保護作用將殘壓限制到4 kV那么電壓監測模塊與通訊模塊之間的絕緣是不應被擊穿的，但事實并非如此，造成強弱電模塊絕緣擊穿的原因分如下：

變量說明：

Z1：接地電阻

I：雷電電磁脈沖形成的雷電流

U1：電源防雷+和電源防雷PE之間的電壓

U2：雷電流流過Z1瞬間PE1對地電壓

U3：電壓測量模塊正極對地電壓

U4：通訊模塊對地電壓

U5：電壓測量模塊正極對通訊模塊電壓

UL1：雷電流流過導線L1瞬間的壓降

UL2：雷電流流過導線L2瞬間的壓降

在光伏電站中Z1不超過4Ω，如圖1所示，假設匯流箱正極遭受雷電電磁脈沖侵襲，此時電源防雷+和電源防雷PE動作。實際工程中，由于I一般不大于20 kA，則U1不應超過Up（4kV）。當雷電流流經導線時，導線的感抗很大，相對于導線的直徑而言，長度對感抗則影響起著決定作用。實驗表明，8/20μs波形的10 kA電流通過截面積為16mm2、長度為2米的導線壓降為2500V，而導線L1和L2截面積為16mm2，長度一般都在0.30m左右，因此其上面的壓降UL1和UL2不容忽略。

由圖1可得：

則U3瞬時值可達到85.5 kV，相對而言，U4近似為0，故U5可達到85.5kV電壓差，因此匯流箱遭受雷電電磁脈沖侵襲后很多監測單元上電壓測量模塊與485通訊模塊之間的絕緣被擊穿。

1.2 RS485通訊模塊故障分析

圖2 RS485通訊電路原理圖Fig.2 RS485 communication circuit schematic

如圖2所示，通訊防雷的元件選型及工作原理如下：

圖1 防雷器接線原理圖Fig.1 SPD wiring principle diagram

TVS管的擊穿電壓UZ應高于通訊總線的信號電壓，在此前提下盡可能的低以可靠保護通信芯片。通訊總線的信號電壓正常不大于5V，故TVS管選型時UZ為6.67~7.67V，最大鉗位電壓UC為10.3V，峰值脈沖電流IS為58A。陶瓷氣體放電管的直流放電電壓Uf也應大于通訊總線的信號電壓，故放電管選型時Uf為75 V，在上升陡度為1000V/μs的暫態電壓脈沖作用下，沖擊放電電壓US為700V。協調電阻R1和R2起到限流和協調TVS管、放電管動作的作用，其理論值的選取應滿足

因此，R1和R2可選擇10Ω。

當RS485總線上遭受雷擊時，由于TVS管動作時間小于等于1ps，而陶瓷氣體放電管動作時間小于等于100ns，故TVS管先于陶瓷氣體放電管動作。隨著雷電流的增大，當雷電流流在協調電阻兩端產生壓降與TVS管的鉗位電壓之和達到陶瓷氣體放電管的啟動電壓時放電管動作并泄放大能量雷電流，從而達到通訊防雷的目的。如果協調電阻選為貼片電阻則由于瞬時過載能力過小則很容易燒壞電阻，同理當連接陶瓷氣體放電管引腳的銅箔較細時也會燒斷，從而導致485通訊模塊故障。

2 應對措施

2.1 絕緣擊穿應對措施

根據上文1.1章節的分析，不難得出以下應對措施。

a) 將圖1中信號防雷器的接地端PE2與屏蔽層接地端PE3斷開，并將信號防雷器接地端PE2與電源防雷器接地端PE1等電位連接。如此以來， U5僅為UL1、U1、UL2之和，瞬時值僅達到5.5 kV。

b) 盡可能縮短導線L1和L2的長度。

c) 為降低被保護對象兩端的殘壓，防雷器與被保護對象盡量使用凱文接線方式，避免T型接線方式。

采取上述措施后，可以確保雷電流不大于電源防雷器標稱放電電流時U5值小于強弱電模塊間耐壓值6kV，從而避免絕緣擊穿的現象。

2.2 RS485通訊模塊故障應對措施

a) 由于信號防雷器按照波形為8/20μs的5 kA標稱放電電流考核，根據經驗值厚度35μm、寬度20mil的銅箔能承受1 kA雷電流，故將氣體放電管引腳至端子的銅箔寬度設計為厚度35μm，寬度 100mil。

b) 增加協調電阻功率，協調電阻更換為功率為1w的圓晶電阻或插裝電阻。

3 結論

本文所述的雷擊事故在光伏匯流箱監測單元工程應用中普遍存在，對用戶的運維及供應商的售后工作帶來很大的困擾，第2節中所述的解決方案原理簡單、易于實現、操作方便，經實踐驗證能夠有效解決本文描述雷擊事故，具有廣泛推廣的現實意義。