淺論太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)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(fā)電系統(tǒng)裝置的最小耐沖擊電壓為1.0k V,當(dāng)雷電感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流超過(guò)裝置容限額定值時(shí),裝置就會(huì)損壞。經(jīng)由分析,第一次正極性雷擊、第一次負(fù)極性雷擊、第一次負(fù)極以后雷擊和歷史雷電波相對(duì)應(yīng)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)需根據(jù)第2類(lèi)防雷建筑物建立防直擊雷設(shè)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(yīng)電壓和感應(yīng)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(shè)置高度適宜的多支獨(dú)立接閃桿,接閃桿的桿高為0.5m,屋檐部分每隔5m 設(shè)置一支,屋角轉(zhuǎn)角處緊密設(shè)置。雙桿以及多桿保護(hù)的構(gòu)建,可有效地縮減接閃桿的高度與數(shù)量。太陽(yáng)能發(fā)電接地系統(tǒng)含有防雷接地、安全保護(hù)地和交直流的功能性接地。各接地系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)彼此獨(dú)立是很困難的,為了規(guī)避各接地系統(tǒng)之間的地電位反擊,故把各設(shè)備、金屬組件以及混凝土內(nèi)基礎(chǔ)地網(wǎng)等彼此相連,為了形成共同的接地網(wǎng),接地網(wǎng)的設(shè)置與大小較特定的接地電阻值更為關(guān)鍵,接地網(wǎng)應(yīng)使用基礎(chǔ)地網(wǎng)或圓形人工接地網(wǎng)。接地電阻以小于1Ω為最佳,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量而得的基礎(chǔ)地網(wǎng)工頻接地電阻為0.8Ω,符合條件。

1.2 防閃電電涌 按照太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與雷電波侵入方式,在線(xiàn)路中裝載多級(jí)能量相互調(diào)節(jié)的浪涌保護(hù)器(SPD),可以排除雷電流、約束過(guò)電壓,讓它們?cè)谑鼙Ｗo(hù)裝置的可承受強(qiáng)度之中。在雷電波引入的匯流箱處,即LPZ0區(qū)和LPZ1區(qū)交界處創(chuàng)建Ⅰ類(lèi)分類(lèi)實(shí)驗(yàn)的SPD,當(dāng)成第1級(jí)防護(hù)。在控制器處裝載Ⅱ類(lèi)分類(lèi)實(shí)驗(yàn)的SPD用作第2級(jí)防護(hù),于逆變器處裝載第3級(jí)SPD。在直流負(fù)載與交流負(fù)載的裝置前端裝載第4級(jí)SPD,用作末級(jí)精細(xì)防護(hù)。于變壓器的高壓側(cè)裝載Ⅰ類(lèi)實(shí)驗(yàn)的SPD,抵御電網(wǎng)側(cè)雷電波引進(jìn)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(hào)線(xiàn)路裝載適配的信號(hào)浪涌防護(hù)設(shè)備。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與SPD設(shè)置如圖3所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)浪涌保護(hù)

在構(gòu)設(shè)與建設(shè)中SPD的沖擊電流Iimp、電壓保護(hù)水平Up的參數(shù)選型、SPD連接線(xiàn)的形式及長(zhǎng)短和多級(jí)SPD的能量協(xié)調(diào),往往沒(méi)有進(jìn)行分析與計(jì)算,導(dǎo)致裝載的多級(jí)SPD無(wú)法根據(jù)構(gòu)設(shè)分別觸發(fā),一些SPD 排放的能量高過(guò)它們自己的可承受力,致使SPD劣化更快。根據(jù)所計(jì)算出的雷電感應(yīng)電流和電壓結(jié)果,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的SPD沖擊電流值與SPD連接線(xiàn)形式和長(zhǎng)短。

浪涌保護(hù)器的沖擊電流值的計(jì)算按參照公式(7)：

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

由計(jì)算得出,第一次正極性雷擊、第一次負(fù)極性雷擊、第一次負(fù)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(xiàng)目TN－S系統(tǒng)的SPD最大連續(xù)工作電壓Uc的最小值是1.15U0值,U0代表交流、直流和信號(hào)工作電壓,V;信號(hào)線(xiàn)路浪涌防護(hù)器的Uc值要比1.2U0大。浪涌防護(hù)器的有用電壓防護(hù)水平UP/f,要符合UP/f≤Uw,線(xiàn)路引進(jìn)處的Uw取值2.0k V。電壓防護(hù)水平取公式(8)、(9)中的最大一個(gè)。

公式(8)、(9)中：UP表示浪涌防護(hù)器的電壓防護(hù)水平,k V;ΔU 表示浪涌防護(hù)器連線(xiàn)的感應(yīng)電壓;l0表示連接線(xiàn)線(xiàn)感,取0.5μH/m。由公式(9)計(jì)算得到不一樣的雷電波陡度其相應(yīng)的連接線(xiàn)最大長(zhǎng)度Lx分別是0.260、0.053、0.027和0.140m。為了降低接線(xiàn)長(zhǎng)度造成的線(xiàn)路感應(yīng)電壓影響,選取凱文接線(xiàn)法,并把SPD接地線(xiàn)接在距離最近的金屬配電箱箱殼上。

圖2 首次正極性、負(fù)極性雷擊SPD沖擊電流Iimp選型圖

圖3 首次負(fù)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(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)的浪涌影響,一是先通過(guò)車(chē)間鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋、金屬框架和金屬板等自然組成和防雷設(shè)備可靠連接構(gòu)成大空間屏蔽體;再把光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置、機(jī)柜和配電柜的金屬外殼之間可靠連接并就近接地組成設(shè)備屏蔽;二是把光伏系統(tǒng)的電源線(xiàn)纜、信號(hào)通信線(xiàn)纜穿金屬管敷設(shè)或變換成屏蔽線(xiàn)纜,金屬管或屏蔽層的兩端要接地,并于穿越防雷區(qū)處進(jìn)行等電位連接。把處在LPZ0區(qū)的光伏陣列、匯流箱與通信裝置之間的電源、信號(hào)線(xiàn)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(shè)備。

每根電纜布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡量不用大面積的電磁感應(yīng)電路。不同線(xiàn)路和工作電壓的電力線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)應(yīng)敷設(shè)在不同的線(xiàn)槽內(nèi),信息系統(tǒng)電纜和防雷導(dǎo)線(xiàn)維持最小水平間距1000mm、交叉凈距為300mm。