浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司 ■ 盛春楊松 沈道軍 羅易 李春陽(yáng) 諸榮耀 周承軍

山地光伏電站防雷安全有效性分析

浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司 ■ 盛春*楊松 沈道軍 羅易 李春陽(yáng) 諸榮耀 周承軍

對(duì)雷電特性分析確定其對(duì)光伏電站的危害，并結(jié)合光伏電站受雷擊造成損壞的實(shí)例，介紹一系列提升山地光伏電站防雷安全有效性的措施。

雷電；山地光伏電站；二極管；防雷有效性

0　引言

隨著傳統(tǒng)能源日益短缺、光伏技術(shù)快迅發(fā)展及人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，光伏電站裝機(jī)量和建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時(shí)電站形式也日新月異。為確保光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防雷設(shè)計(jì)的有效性、安全性日益重要，尤其像新興的山地、梯田等運(yùn)維難度高的電站，運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性更為重要。山地光伏電站的防雷與普通光伏電站的防雷既有聯(lián)系又有區(qū)別，因此我們借鑒傳統(tǒng)的光伏防雷設(shè)計(jì)，并結(jié)合山地電站的特性設(shè)計(jì)合理優(yōu)化防雷方案。

1　雷電作用的形式

雷電是雷云放電的自然現(xiàn)象，擁有巨大的破壞力。其破壞形式主要有：直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波入侵。

直擊雷是雷電直接擊中電力設(shè)備、建筑物或其他物體的作用形式。被直擊雷作用的物體，其電位會(huì)驟升，從而形成過(guò)電壓。通常電力設(shè)備會(huì)因過(guò)電壓產(chǎn)生閃絡(luò)或損壞，而且雷電波還會(huì)沿線路和導(dǎo)體傳播。若直擊雷作用的電力設(shè)備或建筑物帶有防雷引下線，人在引下線接地點(diǎn)附近就會(huì)受到跨步電壓和接觸電壓帶來(lái)的生命危險(xiǎn)。直擊雷放電短暫，產(chǎn)生的巨大電流可直接使電力設(shè)備、建筑物造成物理?yè)p壞、火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸事故。

雷電感應(yīng)是指雷云放電過(guò)程在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，它可能使建筑物金屬部件之間產(chǎn)生火花放電，也可能導(dǎo)致電力線路的絕緣閃絡(luò)和損壞［1］。靜電感應(yīng)是因雷云放電前攜帶大量電荷與電力設(shè)備等物體之間形成感應(yīng)電荷，若感應(yīng)電荷量過(guò)大且不能及時(shí)稀釋?zhuān)桓须娏υO(shè)備就會(huì)過(guò)電壓，從而受損。

雷電波入侵是指電力設(shè)備受到直擊雷或感應(yīng)雷，雷電波沿著線路或?qū)w入侵到電力系統(tǒng)中，造成更大范圍的雷擊損壞。

2　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下電站受雷電危害實(shí)例分析

2.1設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光伏電站防雷設(shè)計(jì)主要側(cè)重于入侵雷電保護(hù)和配電室、升壓站等二次建筑的直擊雷防護(hù)。下文我們介紹的項(xiàng)目延用了常規(guī)設(shè)計(jì)。

1）直擊雷保護(hù)。在電氣配電室與辦公樓安裝避雷帶，以保護(hù)其免受直擊雷的危害?？紤]到太陽(yáng)電池板安裝高度較低，光伏組件方陣內(nèi)不安裝獨(dú)立接閃器防直擊雷裝置，只在分站房上裝設(shè)防雷避雷帶防直擊雷。

2）侵入雷電波保護(hù)。為防止侵入雷電波對(duì)電氣設(shè)備造成危害，在35 kV線路進(jìn)出端、35 kV升壓變高低壓側(cè)、35 kV段母線、直流匯流箱、匯流直流柜和逆變器的進(jìn)出口側(cè)安裝防雷模塊。

3）接地。系統(tǒng)各設(shè)備的保護(hù)接地、工作接地合二為一。所有的屏柜體、打印機(jī)等設(shè)備的金屬殼體可靠接地。全站的總的接地電阻值≤4 Ω，但微機(jī)保護(hù)接地電阻≤2 Ω。光伏組件采用接地電纜將組件支架與廠區(qū)接地網(wǎng)連接。

2.2實(shí)例

A公司建設(shè)于海拔850～1000 m的某山地光伏電站，在2014年9月受雷擊造成200余塊電池板損壞。失效形式主要表現(xiàn)在接線盒功能異常，成因多為二極管擊穿損壞呈電阻性過(guò)度發(fā)熱所致。

1）接線盒溫度異常，溫度明顯高于正常接線盒，內(nèi)部焊錫重熔。損壞接線盒與正常接線盒測(cè)溫對(duì)比見(jiàn)圖1，接線盒內(nèi)部焊錫重熔見(jiàn)圖2。

圖1　異常接線盒檢測(cè)溫度與正常接線盒檢測(cè)溫度對(duì)比圖

圖2　損壞接線盒內(nèi)部焊錫重熔圖

2）盒內(nèi)二極管均正向VF-High反向電壓擊穿，取其中1個(gè)接線盒內(nèi)的3個(gè)二極管做電性分析，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　雷擊損壞二極管電性測(cè)試

3）內(nèi)部晶粒出現(xiàn)缺損、崩邊與燒傷。該次雷擊事故造成損壞的接線盒解剖至晶粒圖見(jiàn)圖3。

圖3　接線盒解剖圖（晶粒）

2.3分析

光伏組件遭受雷擊時(shí)損壞有下列3種途徑：

1）電擊損壞。接線盒中旁路二極管遭受短時(shí)反向高電壓造成擊穿損壞；當(dāng)雷擊電流正向通過(guò)二極管，此時(shí)不會(huì)受損；但當(dāng)雷擊電流反向通過(guò)二極管，此時(shí)會(huì)反向偏置，二極管將被擊穿，而且根據(jù)電流由高壓向低壓處流的原理，會(huì)產(chǎn)生逐個(gè)擊穿直到地電位或能量消失為止。這就是造成損壞的主要原因，且一般損壞面積大。

2）強(qiáng)電場(chǎng)損壞。旁路二極管是一種靜電敏感電子元件，雷擊發(fā)生時(shí)，周?chē)鷷?huì)生成強(qiáng)大的雷電磁場(chǎng)，在高強(qiáng)靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)致其損壞。

3）電容性耦合損壞。當(dāng)系統(tǒng)電路或系統(tǒng)器件遭受雷擊產(chǎn)生強(qiáng)大的電流時(shí)，由于電容的耦合作用，導(dǎo)致另一條線路上產(chǎn)生耦合電流，如果這種耦合電流能量較大，將損毀與之連接的二極管及保險(xiǎn)管。

受雷擊程度輕的電站，太陽(yáng)電池板的p-n結(jié)會(huì)被擊穿，破壞組串回路，影響整個(gè)陣列的發(fā)電效率；受雷擊程度重的電站則在逆變器與匯流箱之間、逆變器與變壓器之間、逆變器與直流負(fù)載之間等設(shè)備輸送電線路上產(chǎn)生浪涌電壓，損壞外圍電氣設(shè)備，甚至可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。太陽(yáng)電池板主要由晶體硅半導(dǎo)體組成p-n結(jié)，其接線盒的旁路二極管和直流匯流輸出端的防反二極管在正常工作環(huán)境下p-n結(jié)可承受靜電感應(yīng)電等一系列高電壓沖擊，但在雷電等超高電壓環(huán)境下容易損壞，較輕微的雷擊就可能使其損壞。

3　山地光伏電站的防雷設(shè)計(jì)及優(yōu)化

與普通地面光伏電站相比，山地光伏電站具有的特點(diǎn)為：總體地勢(shì)高、分布相對(duì)分散、區(qū)域擁有最高點(diǎn)、多坡多朝向。也正是這些獨(dú)特之處，使其與傳統(tǒng)電站防雷設(shè)計(jì)匹配性不足。總體陣列安裝地勢(shì)被迫抬高，在電池陣列端不得不單獨(dú)設(shè)置直擊雷防護(hù)設(shè)備。分布分散，光伏組件到直流匯流箱的線路長(zhǎng)度相比普通型地面電站，在不同的區(qū)域會(huì)有不同程度的增加，這使組件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出直流匯流箱防雷模塊的安全保護(hù)距離。

針對(duì)山地電站的特點(diǎn)及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的匹配紕漏，結(jié)合雷電不同作用形式，進(jìn)行不同的防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1）直擊雷的防護(hù)，光伏陣列增加接閃桿。接閃桿采用12 mm圓鋼，為減小接閃桿對(duì)電站發(fā)電效率的影響，要盡可能避免接閃桿的投影落在陣列上。結(jié)合山地電站本身的特性，位置優(yōu)先選南北坡相交處，既滿足高度優(yōu)勢(shì)也符合避讓投影，具體設(shè)計(jì)結(jié)合各項(xiàng)目實(shí)際地況等因素而定。按電力標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，電力線路等設(shè)備的防雷保護(hù)接閃桿的防護(hù)距離使用“折線法”來(lái)計(jì)算確定。

在高度為hx的水平面上，保護(hù)半徑rx為：

式中，hx為被保護(hù)物的高度，m；rx為避雷針在hx水平面上的保護(hù)半徑，m；h為避雷針的高度，m；p為避雷針的高度影響系數(shù)，當(dāng)h≤30 m時(shí)，p=1；當(dāng)30 m＜h≤120 m時(shí)，p=5.5/√h；當(dāng)h＞120 m時(shí)，p=0.5。

由式（1）可得：rx=1.5hp。

2）感應(yīng)雷的防護(hù)，主要優(yōu)化走線結(jié)合屏蔽原理，電池每列增加限壓防雷模塊。太陽(yáng)電池板陣列，直流匯線盡可能走太陽(yáng)電池板下方，借助支架較高的空間位置優(yōu)先感應(yīng)，對(duì)自身起到保護(hù)作用。不能經(jīng)陣列下走的導(dǎo)線，敷設(shè)增套鍍鋅鋼管，并將鍍鋅鋼管與陣列接地扁鋼做可靠的接地措施。接地采用圓鋼或者扁鋼，宜優(yōu)先采用圓鋼直徑≥8 mm，扁鋼的截面≥4 mm［2］。單個(gè)區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)電池板各陣列做等電位鏈接，避免局部地電壓過(guò)高，加重設(shè)備受感應(yīng)電壓的損壞程度。

4　結(jié)論

山地光伏電站由于地勢(shì)高，不對(duì)光伏陣列做直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)存在顯著的紕漏。也因其陣列相對(duì)分散，迫使陣列組件到直流匯流箱的線程加大，使電池板脫離直流匯流箱防雷模塊的安全防護(hù)距離。針對(duì)上述兩大問(wèn)題，主要做以下幾點(diǎn)優(yōu)化，以提高電站的防雷有效性：1）光伏陣列區(qū)依托地形合理增設(shè)接閃桿；2）組件到直流匯流箱走線優(yōu)化結(jié)合屏蔽原理，降低導(dǎo)線對(duì)雷電產(chǎn)生的感應(yīng)，電池每列出線斷增設(shè)一限壓防雷模塊。

2015-11-12

盛春（1991—），男，系統(tǒng)工程師，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)研究及電氣設(shè)計(jì)工作。Chun.sheng@astronergy.com

［1］ 翁雙安.供電工程［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2012， 256-257.

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