光伏太陽能拉晶車間電氣設計注意事項

曾為軍

摘要：隨著近年來行業的高速發展、國家對電力資源的需求越來越大，在用電高峰期甚至出現需要拉閘限電以保證重要設施用的的措施，最近國家大力提倡降低碳排放、大力發展綠色無污染的新能源產業。光伏新能源行業得益于這一政策以及市場的大力需求，又恰逢光伏行業引來多晶向單晶轉型以及提倡大尺寸硅片這一系列的變革，光伏新能源行業目前正處于蓬勃向上發展的高峰期。在光伏新能源的拉晶、切片、電池片以及組件這四個環節中，拉晶車間晶棒的生產是能耗最大而且用電負荷等級要求最高的一個環節。下面我就光伏太陽能拉晶車間的電氣設計需要注意的事項做一些設計經驗分享。

關鍵詞：光伏太陽能 ;電氣設計

光伏太陽能行業中拉晶這一工序環節，其主要工序其實原理很簡單，就是用大電流加熱硅料，將硅原料經過拉晶爐電加熱，期間經過化料、穩溫、引晶、放肩、等徑等一系列的工序轉化為一根晶棒的一個過程。其中需要注意的事項主要包括：負荷的等級定位、有源濾波的設置以及PCWP水泵的安全設置。以下就這幾項需要注意的事項做簡單的描述：

一、負荷等級的定位：

由于拉晶爐每一臺設備可以裝料多大數百公斤，按目前市場上硅料的市價17～20萬/噸來核算，加上單晶爐的加熱坩堝，每臺單晶爐的材料成本就有十來萬。按每個拉晶車間數百臺拉晶爐來核算。如果發生停電事故每次的損失高達數千萬。按規范《供配電系統設計規范》

GB 50052-2009第3.0.1.3條的要求：“中斷供電將在經濟上造成較大損失的”應視為二級負荷。拉晶車間整個的生產工藝應定義為二級負荷。在整個用電負荷的高壓電源的源端應按二級負荷考慮，當一路總電源故障或檢修時另一路高壓總電源應能滿足所有的二級及以上負荷的需求。除此外還有PCWP、廠務監控、消防用電等亦為二級負荷。

二、有源濾波的設置：

在拉晶生產項目中對有源濾波的需求量非常大，以無錫上機1600型的拉晶爐為例，拉晶爐與配套的真空泵裝機總功率約為285kW。該拉晶爐自帶控制柜，控制柜的進線電源電壓為AC380V，50HZ。而其出線電壓為DC48V。其出線電流高達數千安培。因為每臺單晶爐自帶的控制柜內有一臺大功率的AC380V/DC48V的整流器。由于整個生產過程中使用了數量較多且功率較大的電子整流器設備，對應的生產中會產生大量的諧波。為保證入網諧波含量滿足規范的要求，拉晶車間需要設置大量的有源濾波裝置以減少諧波含量。

有源濾波的設置一般有直接設置在現場控制柜和在變電站低壓柜集中設置兩種方式。現場控制柜單獨設置有源濾波柜以云南保山隆基為代表。云南保山隆基一期每臺拉晶爐（1400爐型）設置有100A的有源濾波裝置。其工藝供電配置是20臺單晶爐一臺2500kVA的變壓器，但是對比后發現，這種做法對有源濾波的投入量太大，造價高。其唯一的優勢只有節省了變電站的空間。后來其他的項目大都采用變電站低壓側集中設置有源濾波的方式來降低諧波含量。這種做法可以大大的減少有源濾波的投入量，以降低這方面的投資成本。

為滿足變配電系統對諧波的治理需求，各光伏行業拉晶生產企業對有源濾波的設置量也不盡相同，不僅僅是因為各生產廠家不同的單晶爐產生的諧波含量不一樣，更因為各生產廠家對諧波治理要求不一樣。從安全用電的角度來說諧波含量高，低壓柜以及配電箱內零排電流較大，很容易造成零排活零線絕過熱造成絕緣層老化或者融化而造成短路以及火災的風險。但是從初投資的角度來說，有源濾波投入過量會造成初投資的增加。所以每家光伏企業對有源濾波的投入都有自己的考量，以隆基為例，其對變電站低壓側有源濾波的設置比例一般為每1000kVA設置200A～300A有源濾波。而晶澳對這一塊的要求則更高，其要求每1000kVA設置300A～400A有源濾波，更有甚者晶澳邢臺基地要求2500kVA的變壓器設置1200A的有源濾波。目前來說更多的拉晶項目在往EPC工程方面靠攏，各業主對這方面的要求更多的是在高壓并網端對諧波含量的要求，為了既要滿足業主的要求也要合理的控制有源濾波方面的資金投入，建議在設計階段考慮有源濾波柜的擴容空間預留。常規的來說，每臺有源濾波柜的容量空間為400-500A。即，每臺濾波柜可放置4-5個100A模塊的有源濾波裝置。建議每臺拉晶爐變壓器設置2臺有源濾波柜，但是每臺濾波柜在設計及訂貨時要注意預留模塊擴容的空間，除此之外建議在低壓柜末端預留增加濾波柜的擴容空間，以便于諧波含量不達標時增加濾波裝置。

除此比較特殊的是，因為拉晶爐為純電熱型的設備，其功率因素可以視為接近于1，其配套的真空泵功率因素約為0.85，因真空泵功率非常小，在整個工藝設備的配電系統可以忽略不計。在拉晶爐變壓器低壓側是不需要設置無功補償的，僅設置有源濾波即可。

三、PCWP水泵的安全設置：

在拉晶爐化料期間，其用電是峰值階段，拉晶爐滿負荷運行，爐腔加熱坩堝內的溫度高達1420攝氏度。為防止溫度過高對拉晶爐外殼材料造成損壞，工藝冷卻水的外部降溫尤為重要，工藝冷卻水降溫不及時很容易產生爆炸，對人員生命及財產造成較大損傷。因為不是所有的拉晶爐都處于化料的階段，所以每臺單晶爐對工藝冷卻水的需求都是實時在變化的，所有的PCWP水泵都是根據工藝需求采用變頻控制。根據實際需求來調節。

PCWP水泵的運行為整個項目的重中之重，為保障工藝冷卻水系統運行的安全可靠性，PCWP水泵必須要設置雙電源。一般每組PCWP水泵都設置有備用水泵，當常用水泵運行故障時可以啟動備用泵。在一些極端情況下出現電壓暫降或電柜出線回路故障時也可能造成工藝冷卻水壓力不足而造成降溫不及時。為避免這一些極端情況下的事情發生，工藝冷卻水泵電柜需要設置抗晃電功能。同時為避免出現電壓不穩或全廠停電的事故發生，每組PCWP水泵需要設置一臺配套的柴油泵，柴油泵的氣泵信號取自相應的工藝冷卻水系統的壓力信號，當出現壓力不夠的時候柴油泵自啟動，以此達到四重保險。

四、其他需要注意的事項：

以上為拉晶車間設計的幾個最重要的事項，此外還要注意的是，拉晶車間二層高高達13米，常規的感煙以及感溫探測器已經不適用于這樣的高度，這些區域需要設置線性光束感煙火災探測器。

除此外，為考慮到拉晶爐的抗微震問題，拉晶車間多采用獨立基礎。拉晶爐的設備接地較為復雜，將拉晶爐的設備接地做成以下接地示意圖：

建議拉晶爐的接地干線做成環形重復接地，避免施工過程中有機械破壞造成接地干線斷開而影響整個接地效果。