地面光伏電站的防雷系統設計探析

徐社永

(南方電網綜合能源有限公司,廣東 廣州 510075)

地面光伏電站的防雷系統設計探析

徐社永

(南方電網綜合能源有限公司,廣東 廣州 510075)

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

地面光伏;防雷系統;設備

截至2016年6月底,我國地面光伏電站的裝機容量達到8439萬千瓦.如何在設計、施工和運維中做好防雷工作,得到了越來越多的設計、施工、建設和運維單位的重視.

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、通信調度系統等組成(圖1).

2 防雷系統設計

2.1 組件矩陣的防雷設計

由于組件方陣、室外逆變器、室外變壓器等設備裝置高度一般不大于5m,依照《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010),可以不考慮直擊雷的防護.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,光伏系統容易遭受直接雷擊和形成感應過電壓.

圖1 地面光伏基本結構圖

對太陽電池方陣而言,可以設置水平和垂直相結合的接地網.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置一圈水平接地帶,接地體埋設深度一般不小于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,然后用接地導線把外框和電池板支架連接.另外矩陣區域內的電氣設備所在地點附近對地電壓應分布均勻,均壓網要不少于兩點與主接地網連接.

2.2 直流匯流箱、配電柜、逆變器、室外變壓器、配電柜的防雷設計

根據調查,由感應雷引發的光伏電站事故約占雷害事故的80%~90%.Christos Christodoulou等學者的研究表明了感應過電壓的大小與雷擊點距離之間的關系,見圖2.設備感應雷的防護措施包括接地、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器,它能根據線路中出現的過電壓、過電流及時做出反應,將線路上因感應雷產生的大量浪涌電流釋放到地網,使設備各點之間電位差大致不變,從而達到保護設備的目的.對于沿直流輸入線侵入的感應雷,可在直流匯流箱內分別在正極對地、負極對地間安裝電涌保護器;在逆變器直流輸入端的正極對地、負極對地、正極對負極之間安裝電涌保護器,實現共模和差模保護;電站交流側一般采用安裝避雷器的方式進行分流.

圖2 感應過電壓的大小與雷擊點距離之間的關系圖

屏蔽是減少電磁波破壞的主要措施.據資料統計,0.03高斯的電磁波沖擊就能造成電子設備的誤動,2.4高斯的電磁波沖擊就能造成電子設備的直接損壞.屏蔽包括外部屏蔽措施、適當的布線措施、線路的屏蔽措施等.

(1)外部屏蔽措施.根據國際電工委員會IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》規定:一個需要保護的區域,由外到內可分為幾級保護區.最外層是0級,屬于0區,危險性最高;電房與0區僅一墻之隔,該空間定義為1區;電房內各電氣設備的外殼是一層屏蔽層,因此外殼的空間定義為2區.越往內部,危險程度越低.保護區的外界面通過避雷器、電涌保護器等組成的外部防雷系統,鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層面形成.將建筑物的基礎鋼筋(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備和電房選址應盡量與各組件矩陣相鄰設置,且爭取設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,強電和弱點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,成為雷電感應的耦合通道.通過布設電纜槽盒、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.

(4)等電位連接.等電位連接能減少防雷空間內各金屬系統間的電位差.為減少組件方陣、配電設備及其電纜、送出線路之間的地電位反擊,可以在防雷分區內、各分區交界處,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計

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

送出線路應根據當地的雷電統計情況及電壓等級等,通過設置避雷線,裝設避雷器等減少直擊雷引發的損害.

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,因此接地網的設置有一定困難.通常應注意以下兩點.

(1)埋設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.但同時接地系統腐蝕過快,因此需要定期測試,出現問題要及時處理.

(2)應放在人員活動少的地方埋設引下線和接地網,以免發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,以免發生電纜擊穿.

3 結語

防雷系統設計對于提高地面光伏系統工作的穩定性、為設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,依次分析了防雷設計要點及要采取的主要防雷措施,期望為從業人員提供參考.

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

TM773

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1671-0711(2017)11(上)-0147-02