光伏電站直流側防雷系統技術分析

2016-10-14 02:02:38楊松張天文沈道軍羅易李春陽諸榮耀周承軍

太陽能 2016年5期

■ 楊松張天文沈道軍羅易李春陽諸榮耀周承軍

浙江正泰新能源開發有限公司

光伏電站直流側防雷系統技術分析

■ 楊松*張天文沈道軍羅易李春陽諸榮耀周承軍

浙江正泰新能源開發有限公司

通過工程設計案例與直流側SPD電氣雷擊模擬試驗相結合的方式，對現行光伏電站直流側應用較多的設備外殼接地與電氣兩側SPD防雷保護設計方案作相應分析，在此基礎上對各方式的有效性進行探討。

光伏電站；防雷系統；浪涌保護器(SPD)；直流側

0　引言

光伏電站的電氣技術在多年的研發與應用中得到了革命性更新，結合各省份在地貌、氣象等方面的差異性，光伏電站的類型也從傳統且單一的平原開闊式地面電站向屋頂分布式、山地林農式、灘涂池塘漁光式等多樣性發展。對不同類型的光伏電站，直流側防雷接地系統仍采用傳統且單一的設備外殼接地與電氣兩側增加浪涌保護器(SPD)保護形式作為有效防雷措施。本文通過工程設計案例與直流側SPD防電氣雷擊模擬試驗相結合的方式，對現行光伏電站應用較多的直流側防雷系統作針對性的研究與分析，為行業技術從業人員提供參考。

1　雷電形式

雷電可分為直擊雷、感應雷與球形雷[1]。根據不同類型光伏電站自身的特點，以及電站雷擊失效案例的特征，光伏電站直流側受直擊雷與感應雷損壞失效居多。主要失效形式有：組件接線盒二極管擊穿損壞、匯流箱熔斷器大電流損壞、SPD電氣性失效。

2　光伏電站防雷設計

光伏電站在設計前應做好前期的考察調研工作，依據現場特征及電站類型特點進行防雷優化設計。目前的光伏電站在設計時，主要以防直擊雷與感應雷為主。

防直擊雷，是防止光伏組件、匯流箱、逆變器等電氣設備免受直擊雷損壞而做的預防性設計工作。設計時應考慮部件與外部防雷裝置之間有一定的安全距離(S )，外部防雷裝置只能連接到總等電位母排、基礎地網或接地環上[2]。系統可采用人工接地極或利用原有建筑及人工接地防雷系統對光伏組件、匯流箱等直流側電氣設備做可靠接地。接地電阻應小于4 Ω，且要求施工時進行現場實測[3]，如果不滿足要求，應在建筑物室外及原有接地系統基礎上增加人工接地極至滿足設計要求為止。針對每單塊光伏組件，需確保接地孔與鋼支架橫梁可靠連接(連接處需做防腐處理)，不同陣列間鋼支架采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼可靠連接，且接至整個接地網系統，如圖1所示。

圖1　組件接地設計圖

防感應雷，是防止雷擊靜電感應的電荷與電磁感應的電流對環聯回路感應產生大電流，使其對光伏系統環聯回路設備產生發熱與引燃性損壞。合理布線、避免出現大回路，以減小線路上的感應電壓，是防止雷擊感應損壞的有效措施。為進一步降低雷擊感應損壞的機率，現行設計通常在直流電氣兩側增加SPD模塊作為釋放雷電流、電壓的裝置，如圖2所示。

圖2　直流匯流箱與直流柜SPD保護防雷設計

3　光伏電站雷擊失效案例

針對光伏電站直流側，業內常會出現光伏組件接線盒燒毀、二極管擊穿損壞現象。統計其失效特征，典型失效形式有：同光伏組串所有接線盒同時損壞、同光伏組串首尾端臨近幾塊組件接線盒同時損壞、同光伏組串靠近人工接地極引下點處光伏組件接線盒損壞，如圖3所示。

圖3　光伏電站組件串接線盒失效分布案例

對上述3種典型失效樣件做二極管解刨分析：芯片焊接良好，無劃傷崩邊缺陷，但芯片均有多個擊穿點。根據晶體硅二極管pn結特性，要同時出現多點擊穿特征，只有當第1個大能量沖擊芯片表面使芯片擊穿，同時溫度驟升到1400 ℃以上，在芯片未能立刻冷卻的基礎上接至瞬態的第2、第3～第 N個沖擊能量沖擊芯片表面，方可出現多點擊穿的失效特征。除雷擊外的其他因素較難實現瞬態多沖擊波導致多點失效，因瞬態時間太短，在第2個能量沖擊到芯片表面時，芯片已降溫到1400 ℃以下。其余外在破壞性能量只會產生芯片單點擊穿失效現象，其余破壞性的第2、第3～第 N個沖擊能量只能使第1次擊穿孔擴大化，如圖4所示。

圖4　雷電擊穿失效組件二極管解剖分析圖

4　浪涌保護器（SPD）防雷有效性分析

根據光伏電站系統電壓等級，在直流匯流箱與直流柜輸出端側均裝設與之匹配的SPD，且SPD的殘壓等級應控制在合理的范圍內，如圖2所示。業界調研可知，現行屋頂分布式、山地林農式、灘涂池塘漁光式光伏電站在組串首尾輸出端均未安裝SPD模塊。而電站實況是：同匯流箱下對應的不同組串分布面積廣，組串引至匯流箱的1×4 mm2電纜長度遠大于10 m，已超出SPD模塊的釋放雷電流、電壓的保護范圍。當雷擊電壓在該區域產生靜電感應或電磁感應時，組件串至匯流箱端的閉環回路將感應產生大電流或高電壓，從而使組件串接線盒二極管被擊穿損壞，如圖5所示。

圖5　雷電感應使組件失效原理

為驗證組件串至匯流箱側在匯流箱端裝設SPD防雷設計方案的有效性，參照測試標準，模擬光伏電站18串光伏組件串接線方案進行雷擊沖擊電流電壓試驗[4]。試驗項如表1所示。

表1　光伏組件串沖擊耐受電壓試驗計劃表

4.1沖擊耐受電壓試驗

驗證光伏電站組件串至匯流箱直流端在不裝設SPD、遠端裝設SPD、近端裝設SPD等不同狀態下，在組件串至匯流箱間1×4 mm2電纜上模擬因雷擊電壓在該區域產生靜電感應或電磁感應時，該閉環回路上的感應電壓或電流對該串組件串的破壞性及現行設計遠端加裝SPD浪涌模塊的有效性。試驗原理如圖6、圖7、圖8所示。

圖6　沖擊耐受電壓不裝SPD模塊試驗原理

圖7　沖擊耐受電壓遠端裝SPD模塊試驗原理

圖8　沖擊耐受電壓近端裝SPD模塊試驗原理

根據試驗計劃內容，參照相應測試標準對組件串在SPD不同安裝狀態下進行試驗[5]，試驗步驟及結果如表2所示。

從試驗分析知，當光伏組件串至匯流箱間1×4 mm2電纜上受雷擊電壓靜電感應或電磁感應時，僅當SPD模塊裝設在組件串正、負極輸出端近端時方可對其起到雷擊浪涌防護作用。如圖2所示，現有業界僅在匯流箱與直流柜間裝設SPD模塊的設計方案，對匯流箱前端組件串不能起到更好的防護作用。為提高光伏電站直流側電氣防雷措施，降低電站光伏組件因雷擊損壞的機率，建議在原有設計方案基礎上，在組件串正、負極輸出端近端增加SPD模塊，以備完善現行設計方案，如圖9所示。