徐社永

(南方電網(wǎng)綜合能源有限公司,廣東 廣州 510075)

地面光伏電站的防雷系統(tǒng)設(shè)計探析

徐社永

(南方電網(wǎng)綜合能源有限公司,廣東 廣州 510075)

地面光伏電站由于地處野外,容易發(fā)生雷擊事故.本文就此類電站進(jìn)行了系統(tǒng)分析,提出了防雷解決方案.

地面光伏;防雷系統(tǒng);設(shè)備

截至2016年6月底,我國地面光伏電站的裝機(jī)容量達(dá)到8439萬千瓦.如何在設(shè)計、施工和運(yùn)維中做好防雷工作,得到了越來越多的設(shè)計、施工、建設(shè)和運(yùn)維單位的重視.

1 地面光伏電站簡介

地面光伏電站一般由組件矩陣、電纜、匯流箱、逆變器、變壓器、配電柜、送出線路、通信調(diào)度系統(tǒng)等組成(圖1).

2 防雷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 組件矩陣的防雷設(shè)計

由于組件方陣、室外逆變器、室外變壓器等設(shè)備裝置高度一般不大于5m,依照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-2010),可以不考慮直擊雷的防護(hù).但因存在組件邊框采用鋁合金、組件方陣面積很大、組件安裝采用金屬材料固定等因素,光伏系統(tǒng)容易遭受直接雷擊和形成感應(yīng)過電壓.

圖1 地面光伏基本結(jié)構(gòu)圖

對太陽電池方陣而言,可以設(shè)置水平和垂直相結(jié)合的接地網(wǎng).將安全接地、工作接地、防雷接地作為一個共用接地裝置,接地電阻值按一般不大于4Ω考慮.在沿組件方陣四周采用熱鍍鋅扁鋼設(shè)置一圈水平接地帶,接地體埋設(shè)深度一般不小于0.6~0.8m.如果組件廠家沒有在組件鋁合金外框上留有用于安裝接地線的螺栓孔位置,則需要施工人員開孔,然后用接地導(dǎo)線把外框和電池板支架連接.另外矩陣區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備所在地點(diǎn)附近對地電壓應(yīng)分布均勻,均壓網(wǎng)要不少于兩點(diǎn)與主接地網(wǎng)連接.

2.2 直流匯流箱、配電柜、逆變器、室外變壓器、配電柜的防雷設(shè)計

根據(jù)調(diào)查,由感應(yīng)雷引發(fā)的光伏電站事故約占雷害事故的80%~90%.Christos Christodoulou等學(xué)者的研究表明了感應(yīng)過電壓的大小與雷擊點(diǎn)距離之間的關(guān)系,見圖2.設(shè)備感應(yīng)雷的防護(hù)措施包括接地、分流、屏蔽、均壓等電位等.

分流措施主要是指安裝各級電涌保護(hù)器,它能根據(jù)線路中出現(xiàn)的過電壓、過電流及時做出反應(yīng),將線路上因感應(yīng)雷產(chǎn)生的大量浪涌電流釋放到地網(wǎng),使設(shè)備各點(diǎn)之間電位差大致不變,從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的.對于沿直流輸入線侵入的感應(yīng)雷,可在直流匯流箱內(nèi)分別在正極對地、負(fù)極對地間安裝電涌保護(hù)器;在逆變器直流輸入端的正極對地、負(fù)極對地、正極對負(fù)極之間安裝電涌保護(hù)器,實(shí)現(xiàn)共模和差模保護(hù);電站交流側(cè)一般采用安裝避雷器的方式進(jìn)行分流.

圖2 感應(yīng)過電壓的大小與雷擊點(diǎn)距離之間的關(guān)系圖

屏蔽是減少電磁波破壞的主要措施.據(jù)資料統(tǒng)計,0.03高斯的電磁波沖擊就能造成電子設(shè)備的誤動,2.4高斯的電磁波沖擊就能造成電子設(shè)備的直接損壞.屏蔽包括外部屏蔽措施、適當(dāng)?shù)牟季€措施、線路的屏蔽措施等.

(1)外部屏蔽措施.根據(jù)國際電工委員會IEC1312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》規(guī)定:一個需要保護(hù)的區(qū)域,由外到內(nèi)可分為幾級保護(hù)區(qū).最外層是0級,屬于0區(qū),危險性最高;電房與0區(qū)僅一墻之隔,該空間定義為1區(qū);電房內(nèi)各電氣設(shè)備的外殼是一層屏蔽層,因此外殼的空間定義為2區(qū).越往內(nèi)部,危險程度越低.保護(hù)區(qū)的外界面通過避雷器、電涌保護(hù)器等組成的外部防雷系統(tǒng),鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏蔽層面形成.將建筑物的基礎(chǔ)鋼筋(包括樁基、承臺、地梁等)、梁柱鋼筋、建筑物防雷引下線等連接起來,形成閉合良好的法拉第籠式接地;再將建筑物的交流工作地、安全保護(hù)地、直流工作地、防雷接地等與建筑物的法拉第籠連接,避免接地線之間存在電位差.

(2)布線措施.有些電站的逆變器、變壓器和電房的選址不合理,不僅增加了組件方陣直流輸出電纜的長度和費(fèi)用支出,還增大了電能損耗,同時也增加了沿線的分布電容和分布電感,從而增多了雷電干擾的容性、感性耦合.因此各電池單元的設(shè)備和電房選址應(yīng)盡量與各組件矩陣相鄰設(shè)置,且爭取設(shè)置在方陣的中心位置.

(3)線路的屏蔽措施.光伏電站占地面積大、場地四周開闊,強(qiáng)電和弱點(diǎn)電纜在組件電池方陣之間穿插布置且裸露戶外,容易遭受直擊雷,成為雷電感應(yīng)的耦合通道.通過布設(shè)電纜槽盒、橋架等能對電纜起到很好的屏蔽作用.另外對于直埋電纜,盡量采用穿電纜管保護(hù).

(4)等電位連接.等電位連接能減少防雷空間內(nèi)各金屬系統(tǒng)間的電位差.為減少組件方陣、配電設(shè)備及其電纜、送出線路之間的地電位反擊,可以在防雷分區(qū)內(nèi)、各分區(qū)交界處,采用連接線、扁鋼等做等電位連接.

2.3 電房和送出線路的防雷設(shè)計

對于電房的直擊雷防護(hù),可以在電房頂部設(shè)置1支固定式獨(dú)立避雷針,在綜合樓等其他建筑物設(shè)置屋頂避雷帶等防直擊雷措施.對于電房內(nèi)的設(shè)備二次防雷,建議在進(jìn)線、UPS進(jìn)線、直流母線等設(shè)備處裝設(shè)防雷器.

送出線路應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐睦纂娊y(tǒng)計情況及電壓等級等,通過設(shè)置避雷線,裝設(shè)避雷器等減少直擊雷引發(fā)的損害.

2.4 其他

地面電站大多選擇山石地或者西北干燥貧瘠地帶,因此接地網(wǎng)的設(shè)置有一定困難.通常應(yīng)注意以下兩點(diǎn).

(1)埋設(shè)接地體可以選擇在山谷或者蓄水池底部.這類地方相對潮濕,土壤電阻率較低.但同時接地系統(tǒng)腐蝕過快,因此需要定期測試,出現(xiàn)問題要及時處理.

(2)應(yīng)放在人員活動少的地方埋設(shè)引下線和接地網(wǎng),以免發(fā)生跨步電壓的意外事故.另外接地裝置與電纜之間要保持合適的距離或者把兩者連通,以免發(fā)生電纜擊穿.

3 結(jié)語

防雷系統(tǒng)設(shè)計對于提高地面光伏系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、為設(shè)備和操作人員提供安全保障非常重要.本文主要從地面光伏電站的組成出發(fā),依次分析了防雷設(shè)計要點(diǎn)及要采取的主要防雷措施,期望為從業(yè)人員提供參考.

[1]Lightning protection of PV systems,Christos A. Christodoulou等,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,Dec23 2015.

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