淺論太陽能光伏發電系統雷電災害及防御分析

王惟晨

酒泉市氣象局 甘肅 酒泉 735000

1 雷電防御方法

光伏發電系統裝置的最小耐沖擊電壓為1.0k V,當雷電感應電壓和感應電流超過裝置容限額定值時,裝置就會損壞。經由分析,第一次正極性雷擊、第一次負極性雷擊、第一次負極以后雷擊和歷史雷電波相對應的安全距離依次是5.1、25.2、50.4和9.8m。從上面的分析能夠看出,這一太陽能光伏發電系統需根據第2類防雷建筑物建立防直擊雷設備,還要選用防閃電電涌侵入與防雷擊電磁脈沖方法讓雷擊形成的感應電壓和感應電流把控在它所容限的范圍之間。

1.1 防直擊雷與接地 本文在建筑物的屋檐、檐角等易遭到雷擊的地方設置高度適宜的多支獨立接閃桿,接閃桿的桿高為0.5m,屋檐部分每隔5m 設置一支,屋角轉角處緊密設置。雙桿以及多桿保護的構建,可有效地縮減接閃桿的高度與數量。太陽能發電接地系統含有防雷接地、安全保護地和交直流的功能性接地。各接地系統要實現彼此獨立是很困難的,為了規避各接地系統之間的地電位反擊,故把各設備、金屬組件以及混凝土內基礎地網等彼此相連,為了形成共同的接地網,接地網的設置與大小較特定的接地電阻值更為關鍵,接地網應使用基礎地網或圓形人工接地網。接地電阻以小于1Ω為最佳,現場測量而得的基礎地網工頻接地電阻為0.8Ω,符合條件。

1.2 防閃電電涌 按照太陽能光伏系統的結構與雷電波侵入方式,在線路中裝載多級能量相互調節的浪涌保護器(SPD),可以排除雷電流、約束過電壓,讓它們在受保護裝置的可承受強度之中。在雷電波引入的匯流箱處,即LPZ0區和LPZ1區交界處創建Ⅰ類分類實驗的SPD,當成第1級防護。在控制器處裝載Ⅱ類分類實驗的SPD用作第2級防護,于逆變器處裝載第3級SPD。在直流負載與交流負載的裝置前端裝載第4級SPD,用作末級精細防護。于變壓器的高壓側裝載Ⅰ類實驗的SPD,抵御電網側雷電波引進雷電高電壓波。通信裝置于匯流箱、控制器、逆變器之間的信號線路裝載適配的信號浪涌防護設備。光伏發電系統結構與SPD設置如圖3所示。

圖1 光伏發電系統浪涌保護

在構設與建設中SPD的沖擊電流Iimp、電壓保護水平Up的參數選型、SPD連接線的形式及長短和多級SPD的能量協調,往往沒有進行分析與計算,導致裝載的多級SPD無法根據構設分別觸發,一些SPD 排放的能量高過它們自己的可承受力,致使SPD劣化更快。根據所計算出的雷電感應電流和電壓結果,計算出對應的SPD沖擊電流值與SPD連接線形式和長短。

浪涌保護器的沖擊電流值的計算按參照公式(7)：

公式(7)中：n代表引進的金屬管道與線路總數;m 表示各線路中芯線的根數;Rs表示屏蔽電纜屏蔽層每公里電阻,Ω/km;Rc代表芯線每公里電阻,Ω/km。此項目沒有用到屏蔽線纜,16塊電池板構成一組到匯流箱,則公式(7)為Iimp＝0.5×16×IRs/(nm)。

由計算得出,第一次正極性雷擊、第一次負極性雷擊、第一次負極以后雷擊、歷史雷電波采用的最大SPD沖擊電流值Iimp分別是59.8、29.9、14.9和14.0k A。

此項目TN－S系統的SPD最大連續工作電壓Uc的最小值是1.15U0值,U0代表交流、直流和信號工作電壓,V;信號線路浪涌防護器的Uc值要比1.2U0大。浪涌防護器的有用電壓防護水平UP/f,要符合UP/f≤Uw,線路引進處的Uw取值2.0k V。電壓防護水平取公式(8)、(9)中的最大一個。

公式(8)、(9)中：UP表示浪涌防護器的電壓防護水平,k V;ΔU 表示浪涌防護器連線的感應電壓;l0表示連接線線感,取0.5μH/m。由公式(9)計算得到不一樣的雷電波陡度其相應的連接線最大長度Lx分別是0.260、0.053、0.027和0.140m。為了降低接線長度造成的線路感應電壓影響,選取凱文接線法,并把SPD接地線接在距離最近的金屬配電箱箱殼上。

圖2 首次正極性、負極性雷擊SPD沖擊電流Iimp選型圖

圖3 首次負極以后、歷史雷擊SPD沖擊電流Iimp選型圖

1.3 防雷擊電磁脈沖 為了降低雷擊電磁脈沖給光伏發電系統帶來的浪涌影響,一是先通過車間鋼筋混凝土內的鋼筋、金屬框架和金屬板等自然組成和防雷設備可靠連接構成大空間屏蔽體;再把光伏發電系統裝置、機柜和配電柜的金屬外殼之間可靠連接并就近接地組成設備屏蔽;二是把光伏系統的電源線纜、信號通信線纜穿金屬管敷設或變換成屏蔽線纜,金屬管或屏蔽層的兩端要接地,并于穿越防雷區處進行等電位連接。把處在LPZ0區的光伏陣列、匯流箱與通信裝置之間的電源、信號線路所穿的金屬管兩端要相連于裝置金屬外殼、配電箱連接并和就近防雷設備。

每根電纜布線時應盡量不用大面積的電磁感應電路。不同線路和工作電壓的電力線和信號線應敷設在不同的線槽內,信息系統電纜和防雷導線維持最小水平間距1000mm、交叉凈距為300mm。