光伏電站直流側(cè)防雷系統(tǒng)技術(shù)分析

■ 楊松張?zhí)煳?沈道軍 羅易 李春陽 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開發(fā)有限公司

光伏電站直流側(cè)防雷系統(tǒng)技術(shù)分析

■ 楊松*張?zhí)煳?沈道軍 羅易 李春陽 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開發(fā)有限公司

通過工程設(shè)計案例與直流側(cè)SPD電氣雷擊模擬試驗相結(jié)合的方式，對現(xiàn)行光伏電站直流側(cè)應(yīng)用較多的設(shè)備外殼接地與電氣兩側(cè)SPD防雷保護設(shè)計方案作相應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上對各方式的有效性進行探討。

光伏電站；防雷系統(tǒng)；浪涌保護器(SPD)；直流側(cè)

0　引言

光伏電站的電氣技術(shù)在多年的研發(fā)與應(yīng)用中得到了革命性更新，結(jié)合各省份在地貌、氣象等方面的差異性，光伏電站的類型也從傳統(tǒng)且單一的平原開闊式地面電站向屋頂分布式、山地林農(nóng)式、灘涂池塘漁光式等多樣性發(fā)展。對不同類型的光伏電站，直流側(cè)防雷接地系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)且單一的設(shè)備外殼接地與電氣兩側(cè)增加浪涌保護器(SPD)保護形式作為有效防雷措施。本文通過工程設(shè)計案例與直流側(cè)SPD防電氣雷擊模擬試驗相結(jié)合的方式，對現(xiàn)行光伏電站應(yīng)用較多的直流側(cè)防雷系統(tǒng)作針對性的研究與分析，為行業(yè)技術(shù)從業(yè)人員提供參考。

1　雷電形式

雷電可分為直擊雷、感應(yīng)雷與球形雷[1]。根據(jù)不同類型光伏電站自身的特點，以及電站雷擊失效案例的特征，光伏電站直流側(cè)受直擊雷與感應(yīng)雷損壞失效居多。主要失效形式有：組件接線盒二極管擊穿損壞、匯流箱熔斷器大電流損壞、SPD電氣性失效。

2　光伏電站防雷設(shè)計

光伏電站在設(shè)計前應(yīng)做好前期的考察調(diào)研工作，依據(jù)現(xiàn)場特征及電站類型特點進行防雷優(yōu)化設(shè)計。目前的光伏電站在設(shè)計時，主要以防直擊雷與感應(yīng)雷為主。

防直擊雷，是防止光伏組件、匯流箱、逆變器等電氣設(shè)備免受直擊雷損壞而做的預(yù)防性設(shè)計工作。設(shè)計時應(yīng)考慮部件與外部防雷裝置之間有一定的安全距離(S )，外部防雷裝置只能連接到總等電位母排、基礎(chǔ)地網(wǎng)或接地環(huán)上[2]。系統(tǒng)可采用人工接地極或利用原有建筑及人工接地防雷系統(tǒng)對光伏組件、匯流箱等直流側(cè)電氣設(shè)備做可靠接地。接地電阻應(yīng)小于4 Ω，且要求施工時進行現(xiàn)場實測[3]，如果不滿足要求，應(yīng)在建筑物室外及原有接地系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加人工接地極至滿足設(shè)計要求為止。針對每單塊光伏組件，需確保接地孔與鋼支架橫梁可靠連接(連接處需做防腐處理)，不同陣列間鋼支架采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼可靠連接，且接至整個接地網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　組件接地設(shè)計圖

防感應(yīng)雷，是防止雷擊靜電感應(yīng)的電荷與電磁感應(yīng)的電流對環(huán)聯(lián)回路感應(yīng)產(chǎn)生大電流，使其對光伏系統(tǒng)環(huán)聯(lián)回路設(shè)備產(chǎn)生發(fā)熱與引燃性損壞。合理布線、避免出現(xiàn)大回路，以減小線路上的感應(yīng)電壓，是防止雷擊感應(yīng)損壞的有效措施。為進一步降低雷擊感應(yīng)損壞的機率，現(xiàn)行設(shè)計通常在直流電氣兩側(cè)增加SPD模塊作為釋放雷電流、電壓的裝置，如圖2所示。

圖2　直流匯流箱與直流柜SPD保護防雷設(shè)計

3　光伏電站雷擊失效案例

針對光伏電站直流側(cè)，業(yè)內(nèi)常會出現(xiàn)光伏組件接線盒燒毀、二極管擊穿損壞現(xiàn)象。統(tǒng)計其失效特征，典型失效形式有：同光伏組串所有接線盒同時損壞、同光伏組串首尾端臨近幾塊組件接線盒同時損壞、同光伏組串靠近人工接地極引下點處光伏組件接線盒損壞，如圖3所示。

圖3　光伏電站組件串接線盒失效分布案例

對上述3種典型失效樣件做二極管解刨分析：芯片焊接良好，無劃傷崩邊缺陷，但芯片均有多個擊穿點。根據(jù)晶體硅二極管pn結(jié)特性，要同時出現(xiàn)多點擊穿特征，只有當?shù)?個大能量沖擊芯片表面使芯片擊穿，同時溫度驟升到1400 ℃以上，在芯片未能立刻冷卻的基礎(chǔ)上接至瞬態(tài)的第2、第3～第 N個沖擊能量沖擊芯片表面，方可出現(xiàn)多點擊穿的失效特征。除雷擊外的其他因素較難實現(xiàn)瞬態(tài)多沖擊波導(dǎo)致多點失效，因瞬態(tài)時間太短，在第2個能量沖擊到芯片表面時，芯片已降溫到1400 ℃以下。其余外在破壞性能量只會產(chǎn)生芯片單點擊穿失效現(xiàn)象，其余破壞性的第2、第3～第 N個沖擊能量只能使第1次擊穿孔擴大化，如圖4所示。

圖4　雷電擊穿失效組件二極管解剖分析圖

4　浪涌保護器（SPD）防雷有效性分析

根據(jù)光伏電站系統(tǒng)電壓等級，在直流匯流箱與直流柜輸出端側(cè)均裝設(shè)與之匹配的SPD，且SPD的殘壓等級應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，如圖2所示。業(yè)界調(diào)研可知，現(xiàn)行屋頂分布式、山地林農(nóng)式、灘涂池塘漁光式光伏電站在組串首尾輸出端均未安裝SPD模塊。而電站實況是：同匯流箱下對應(yīng)的不同組串分布面積廣，組串引至匯流箱的1×4 mm2電纜長度遠大于10 m，已超出SPD模塊的釋放雷電流、電壓的保護范圍。當雷擊電壓在該區(qū)域產(chǎn)生靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)時，組件串至匯流箱端的閉環(huán)回路將感應(yīng)產(chǎn)生大電流或高電壓，從而使組件串接線盒二極管被擊穿損壞，如圖5所示。

圖5　雷電感應(yīng)使組件失效原理

為驗證組件串至匯流箱側(cè)在匯流箱端裝設(shè)SPD防雷設(shè)計方案的有效性，參照測試標準，模擬光伏電站18串光伏組件串接線方案進行雷擊沖擊電流電壓試驗[4]。試驗項如表1所示。

表1　光伏組件串沖擊耐受電壓試驗計劃表

4.1沖擊耐受電壓試驗

驗證光伏電站組件串至匯流箱直流端在不裝設(shè)SPD、遠端裝設(shè)SPD、近端裝設(shè)SPD等不同狀態(tài)下，在組件串至匯流箱間1×4 mm2電纜上模擬因雷擊電壓在該區(qū)域產(chǎn)生靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)時，該閉環(huán)回路上的感應(yīng)電壓或電流對該串組件串的破壞性及現(xiàn)行設(shè)計遠端加裝SPD浪涌模塊的有效性。試驗原理如圖6、圖7、圖8所示。

圖6　沖擊耐受電壓不裝SPD模塊試驗原理

圖7　沖擊耐受電壓遠端裝SPD模塊試驗原理

圖8　沖擊耐受電壓近端裝SPD模塊試驗原理

根據(jù)試驗計劃內(nèi)容，參照相應(yīng)測試標準對組件串在SPD不同安裝狀態(tài)下進行試驗[5]，試驗步驟及結(jié)果如表2所示。

從試驗分析知，當光伏組件串至匯流箱間1×4 mm2電纜上受雷擊電壓靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)時，僅當SPD模塊裝設(shè)在組件串正、負極輸出端近端時方可對其起到雷擊浪涌防護作用。如圖2所示，現(xiàn)有業(yè)界僅在匯流箱與直流柜間裝設(shè)SPD模塊的設(shè)計方案，對匯流箱前端組件串不能起到更好的防護作用。為提高光伏電站直流側(cè)電氣防雷措施，降低電站光伏組件因雷擊損壞的機率，建議在原有設(shè)計方案基礎(chǔ)上，在組件串正、負極輸出端近端增加SPD模塊，以備完善現(xiàn)行設(shè)計方案，如圖9所示。

表2　光伏組件串沖擊耐受電壓試驗統(tǒng)計表

圖9　組件串至匯流箱間增設(shè)SPD浪涌保護器設(shè)計方案

4.2沖擊耐受試驗失效樣件失效分析

為更好的對比分析光伏電站光伏組件雷擊失效樣件與模擬雷電耐受試驗失效樣件在失效形態(tài)上的差異性，特對其二者進行電性能和形態(tài)上的分析，以備對比參照用。圖10、圖11為電站失效與雷擊模擬試驗失效樣件二極管外觀形態(tài)，圖11為二級管芯片X-Ray測試與解剖對比，電氣參數(shù)如表3所示。

圖10　電站雷擊失效二極管(A組)

圖11　雷擊模擬失效二極管(B組)

圖12　二極管芯片X-Ray與解剖分析

表3　失效樣件電參數(shù)對比分析

根據(jù)圖11、圖12與表3可知，光伏電站組件因雷電導(dǎo)致?lián)舸┑亩O管一般表現(xiàn)出多擊穿孔失效現(xiàn)象，而常規(guī)電氣損壞表現(xiàn)出單擊穿孔失效現(xiàn)象，在電參數(shù)上均表現(xiàn)為反向擊穿現(xiàn)象。

5　結(jié)論

應(yīng)太陽能光伏電站特性，需使光伏組件最大化的暴露于陽光下，才能實現(xiàn)光伏電站收益最大化，而這種暴露也增加了系統(tǒng)部件潛在的雷擊風險。當雷擊發(fā)生時，除光伏組件外，下游部件如匯流箱、逆變器和控制儀表等，都有被摧毀的風險，因此合理的雷電防范設(shè)計方案與可行性研究顯得尤為重要。為更好的管理與設(shè)計光伏發(fā)電系

統(tǒng)，我們應(yīng)做好如下建議事項：

1)電站建設(shè)前做好安裝地點的雷暴及雷雨調(diào)研統(tǒng)計工作，降低投資前的決策性風險；

2)合理的電纜布線，避免出現(xiàn)大回路，以減小受雷擊電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)大電流的損壞；

3)電站所有金屬物體(組件邊框、支架和匯流箱等)必須保障可靠的接地和等電位連接，對于接地電阻較大的回路，需增設(shè)人工接地極；

4)光伏系統(tǒng)的所有部件必須與外部防雷裝置保持一定的安全距離(S)，以降低外圍雷電感應(yīng)損壞的風險；

5)提升電站直流側(cè)的雷擊預(yù)防措施，降低組件損壞風險；

6)直流側(cè)電氣設(shè)計時，應(yīng)選擇與系統(tǒng)電壓等級相匹配的SPD模塊，且SPD的殘壓不宜過大，以防殘壓對系統(tǒng)部件的損壞。

[1] 譚金超.10 kV配電工程設(shè)計手冊[M].北京: 中國電力出版社, 2004, 547-551.

[2] GB 50057-2010, 建筑防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB T21431-2008, 防雷裝置安全檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB 18802.1-2011, 低壓電涌保護器(SPD)低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護器性能要求和試驗方法[S].

[5] IEC 61000-4-5, 電磁兼容測試標準[S].

2016-03-10

楊松(1987—)，男，光伏系統(tǒng)工程師，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計及光伏組件應(yīng)用材料方面的研究。song.yang@astronergy.com