光伏電站直流設(shè)備安全距離的研究

國家電網(wǎng)有限公司 ■ 張洋

魯能新能源（集團）有限公司 ■ 錢海

中國電力科學(xué)研究院有限公司 ■ 鄭秋瑋* 劉庭 劉凱 余光凱

0 引言

隨著可再生能源的大力發(fā)展，光伏電站的建設(shè)和運維成為熱點。光伏電站主要由光伏組件串、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器等組成，包含了大量的低壓直流設(shè)備。為了保障光伏電站生產(chǎn)作業(yè)人員的人身安全，在日常的運維工作中，作業(yè)人員需要與帶電設(shè)備保持相應(yīng)的安全距離。

GB/T 35694-2017《光伏發(fā)電站安全規(guī)程》[1]中規(guī)定了光伏電站運行、維護、檢修和調(diào)試安全的技術(shù)要求，但未涉及與設(shè)備安全距離相關(guān)的內(nèi)容。GB 50061-2010《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計規(guī)范》[2]中給出了10 kV及以下架空電力線路的導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件、拉線之間的最小間隙，其中，3～10 kV的最小間隙為0.2 m，3 kV以下的最小間隙為0.05 m。DL/T 5220-2005《10 kV及以下架空配電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[3]中給出了配電線路的導(dǎo)線與拉線、電桿或構(gòu)架間的凈空距離，其中，1～10 kV的凈空距離為0.2 m，1 kV以下的凈空距離為0.1 m。但以上安全距離僅適用于交流設(shè)備，并不適用于光伏電站的低壓直流設(shè)備。

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)對高壓直流和低壓交流設(shè)備的安全距離研究較多，但暫未有對低壓直流設(shè)備安全距離的研究。《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(光伏電站部分)》正在制訂中，各單位作業(yè)人員暫時按照自定規(guī)章制度或經(jīng)驗進行作業(yè)，存在一定安全風(fēng)險。因此，為填補光伏電站直流設(shè)備安全距離規(guī)定的空白，給安全工作規(guī)程的制定提供依據(jù)，保障光伏電站作業(yè)人員的人身安全，需要對光伏電站直流設(shè)備的安全距離進行分析研究。

本文總結(jié)了Q/GDW 1799.1-2013《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(變電部分)》[4](下文簡稱“《國網(wǎng)變電安規(guī)》”)中關(guān)于10 kV安全距離的取值原則，分析計算了光伏電站直流設(shè)備過電壓及安全凈距，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，提出了光伏電站直流設(shè)備安全距離及安全注意事項。

1 《國網(wǎng)變電安規(guī)》關(guān)于10 kV安全距離的要求

1.1 安全距離的取值原則

安全距離的取值不僅要考慮放電擊穿，還要考慮作業(yè)中的人身安全[5]，因此，安全距離的取值是在安全凈距的基礎(chǔ)上，加上一定的人體活動范圍，并考慮一定安全裕度而確定的。

確定安全距離的公式為：

式中，D為安全距離；A為安全凈距；S為人體或物體的活動范圍及一定安全裕度。

安全凈距是指無論在正常工作電壓還是在出現(xiàn)內(nèi)、外部過電壓時，空氣間隙都不被擊穿所需要滿足的最小電氣距離[5]。若空氣間隙小于安全凈距，則空氣間隙有可能被放電擊穿。安全凈距一般根據(jù)設(shè)備的過電壓水平和空氣間隙放電特性，按照絕緣配合方法來確定。

1.2 《國網(wǎng)變電安規(guī)》中10 kV安全距離的規(guī)定

《國網(wǎng)變電安規(guī)》中規(guī)定了工作人員在電氣設(shè)備上工作時應(yīng)遵守的安全要求，其中關(guān)于10 kV安全距離的規(guī)定如下[4]：

1)第5.1.4條：10 kV及以下配電裝置，在有人監(jiān)護但無遮攔的情況下，作業(yè)人員與帶電設(shè)備之間的安全距離應(yīng)滿足0.7 m。

2)第5.1.5條：無護網(wǎng)等隔離措施時，10 kV戶外配電裝置的帶電部分與人行過道地面之間的安全距離應(yīng)滿足2.7 m，戶內(nèi)配電裝置的帶電部分與人行過道地面之間的安全距離應(yīng)滿足2.5 m。

3)第5.1.6條：無遮攔等隔離措施時，10 kV戶外配電裝置的帶電部分與車輛外廓之間的安全距離應(yīng)滿足0.95 m。

4)第7.2.1條：10 kV及以下配電裝置，當(dāng)作業(yè)人員與設(shè)備之間的距離小于0.35 m時，應(yīng)將設(shè)備停電；當(dāng)作業(yè)人員與帶電設(shè)備之間的距離大于0.35 m，但小于0.7 m時，應(yīng)設(shè)置遮攔或絕緣隔板。

1.3 《國網(wǎng)變電安規(guī)》中10 kV安全距離的取值原則

《電力工程電氣設(shè)計手冊(電氣一次部分)》[6]中提出，3～10 kV配電裝置帶電部分至接地部分的安全凈距A應(yīng)為0.2 m。該值是根據(jù)10 kV系統(tǒng)過電壓水平和空氣間隙放電特性，按照絕緣配合慣用法確定的[7]。

根據(jù)式(1)，《國網(wǎng)變電安規(guī)》中10 kV安全距離的取值是在安全凈距A的基礎(chǔ)上，考慮一定人體或物體活動范圍及安全裕度來確定的，具體如表1所示。

表1 《國網(wǎng)變電安規(guī)》中10 kV安全距離的取值原則

2 光伏電站直流設(shè)備的安全凈距

2.1 直流設(shè)備的電壓等級

經(jīng)調(diào)研，光伏電站直流設(shè)備的電壓等級包括：±110 V、±200 V、±300 V、±400 V、±500 V、±600 V、±750 V。

2.2 直流設(shè)備過電壓水平

光伏電站直流設(shè)備過電壓分為暫時過電壓、瞬時過電壓。其中，暫時過電壓為直流設(shè)備的最大工作電壓，瞬時過電壓包括操作及雷電過電壓。

根據(jù)直流設(shè)備廠商提供的設(shè)備技術(shù)參數(shù)，確定±110 ～±750 V電壓等級的直流設(shè)備運行的最大工作電壓為額定電壓的1.4倍。不同電壓等級直流設(shè)備的暫時過電壓水平如表2所示。

表2 不同電壓等級直流設(shè)備的暫時過電壓水平

GB/T 16935.1-2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗》[8]給出了直流±1000 V及以下電壓等級設(shè)備的額定沖擊電壓水平(包括操作及雷電沖擊電壓)，如表3所示，可用設(shè)備的額定沖擊電壓水平表征設(shè)備的瞬時過電壓水平(包括操作及雷電過電壓)，表中未列出的電壓等級按高一檔電壓等級來確定瞬時過電壓。不同電壓等級直流設(shè)備瞬時過電壓參照表2。

表3 低壓電網(wǎng)供電設(shè)備的額定沖擊電壓水平

2.3 直流設(shè)備安全凈距的確定

直流設(shè)備安全凈距是根據(jù)其過電壓水平和空氣間隙放電特性，按照絕緣配合方法確定的。對于220 kV及以下的自恢復(fù)絕緣，通常采用慣用法進行絕緣配合，因此，本文采用絕緣配合慣用法確定直流設(shè)備的安全凈距。在絕緣配合慣用法中，系統(tǒng)最大過電壓U0max、絕緣耐受電壓UW與安全裕度A0三者之間的關(guān)系為[9]：

本文需要同時計算耐受暫時過電壓與耐受瞬時過電壓下的空氣間隙，并取較大值作為安全凈距。GB/T 16935.1-2008[8]中給出了海拔2000 m及以下地區(qū)耐受不同暫時過電壓、瞬時過電壓時的最小電氣間隙推薦值；再根據(jù)表2直流設(shè)備的過電壓水平，取安全裕度A0為1.2，可以得到海拔2000 m及以下地區(qū)不同電壓等級直流設(shè)備的最小空氣間隙，具體如表4所示。

根據(jù)表4，取最大值作為安全凈距，即直流±750 V及以下電壓等級的安全凈距為18 mm，考慮一定安全裕度后，取整為20 mm。

表4 直流設(shè)備的最小空氣間隙

3 光伏電站現(xiàn)場調(diào)研情況

前文得到了光伏電站直流設(shè)備的安全凈距，有必要對光伏電站進行現(xiàn)場調(diào)研，為安全距離的確定提供依據(jù)。本文選取了國網(wǎng)張家口風(fēng)光儲示范電站進行現(xiàn)場調(diào)研。

3.1 直流設(shè)備的情況

光伏電站的直流部分主要集中在光伏發(fā)電單元內(nèi)，光伏發(fā)電單元是一定數(shù)量的光伏組件串，通過直流匯流箱匯集，經(jīng)過整流、逆變和升壓，輸出符合電網(wǎng)電壓、頻率和電能質(zhì)量要求的電源，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)圖

1)光伏組件。光伏組件的輸出電壓為35.2 V，絕緣線纜在組件背面，如圖2所示。組件鋁框和支架均接地。

圖2 光伏組件正面及組件背面輸出端

2)直流匯流箱。直流匯流箱內(nèi)接線如圖3所示，斷路器閉合時，直流輸出端與輸入端子排均帶電；斷路器斷開時，若光伏組件仍在運行，輸入端子排上則會有±350～±400 V的運行電壓。關(guān)上柜門后，帶電體距離柜體約10 cm。

圖3 直流匯流箱內(nèi)接線圖

3)直流配電柜。直流配電柜內(nèi)接線如圖4所示。柜體正面設(shè)有網(wǎng)狀金屬隔板，反面輸出端子排電壓最大為±500 V；若未設(shè)置隔板，帶電體距離柜門約40 cm，距離柜體兩側(cè)約20 cm。

圖4 直流配電柜內(nèi)接線圖

4)逆變器柜。逆變器柜門打開后均設(shè)有金屬隔板，如圖5所示。

圖5 逆變器柜

由以上調(diào)研情況可知，光伏電站直流設(shè)備的帶電體均布置在金屬柜內(nèi)，柜門打開后，有以下2種情況：1)有網(wǎng)狀金屬隔板，工作人員打開柜門后可通過隔板看見帶電體，帶電體最高電壓為±750 V；2)無隔板，帶電體直接裸露在柜內(nèi)，工作人員打開柜門后可直接接觸帶電體，帶電體最高電壓為±750 V。

3.2 運維工作情況

光伏電站的運維工作主要包括日常巡檢、半年檢、設(shè)備檢修及故障檢測等。

1)日常巡檢。光伏電站的日常巡檢包括對高低壓箱變、逆變器、匯流箱等設(shè)備的日常巡檢，每周的日常巡檢以目測檢查為主。

2)半年檢。半年檢工作需要對直流配電柜中的IGBT模塊進行帶電紅外測溫檢查，如圖6所示。測溫前通常需要先停電，拆除隔板，然后再帶電測量。

圖6 直流配電柜內(nèi)需要帶電紅外測溫的位置

3)設(shè)備檢修及故障檢測。在設(shè)備停電后，首先需要用萬用表進行驗電；設(shè)備檢修或更換重要元件后，也需要在帶電時測量直流端子排電壓，現(xiàn)場采用萬用表直流檔測量；設(shè)備(主要為直流匯流箱)出現(xiàn)故障時，需要用萬用表直流檔逐一測量各支路直流極間電壓及直流端子對地電壓(故障電壓最大為DC1500 V)，從而判斷故障位置。

通過現(xiàn)場調(diào)研，光伏電站中與直流設(shè)備帶電接觸的危險點包括：

1)光伏組件串或匯流支路故障后，需要通過測量匯流箱內(nèi)接線板各支路電壓判斷故障支路的位置(故障電壓最大為DC1500 V)。

2)停電檢修前，需要進行驗電，采用萬用表測量直流匯流箱或直流配電柜內(nèi)直流端子排的電壓。

3)需要對直流配電柜IGBT模塊進行帶電紅外測溫。測溫前需要先停電，然后拆除柜門內(nèi)金屬網(wǎng)狀隔板，再進行帶電測試；測試結(jié)束后再停電將隔板還原，最后帶電投運。測溫過程中，工作人員可在柜門外距離帶電體1 m左右的位置持紅外裝置進行測量。

4 光伏電站直流設(shè)備的安全距離

通過對光伏電站的現(xiàn)場調(diào)研可知，直流匯流箱、直流配電柜可以在設(shè)備帶電的情況下打開，柜內(nèi)存在裸露的帶電部分，運維工作中也需要對直流設(shè)備進行直接或間接檢測、維修。因此，結(jié)合直流設(shè)備安全凈距和現(xiàn)場實際情況，提出光伏電站直流設(shè)備的安全距離及安全注意事項。

4.1 對于柜內(nèi)有固定式網(wǎng)狀隔板的直流設(shè)備

網(wǎng)狀隔板與帶電體的安全距離應(yīng)不小于10 cm(即2 cm+7 cm+1 cm)。其中，2 cm為安全凈距，一般運行人員手指誤入網(wǎng)狀隔板時的指長不大于7 cm，另外考慮1 cm的誤差。

4.2 對于柜內(nèi)無固定式網(wǎng)狀隔板的直流設(shè)備

1)需要在停電的直流設(shè)備上進行工作時，應(yīng)首先對設(shè)備進行停電，作業(yè)人員應(yīng)穿戴低壓絕緣安全手套(或帶電作業(yè)用絕緣手套)、絕緣鞋打開柜門，并對設(shè)備進行驗電及接地。

2)需要在柜門打開的情況下，對停電后的設(shè)備送電進行帶電檢測時，應(yīng)在有人監(jiān)護的情況下進行，作業(yè)人員與設(shè)備的安全距離應(yīng)不小于60 cm(即2 cm+50 cm+8 cm)。其中，2 cm為安全凈距，50 cm為在有人監(jiān)護的情況下的人體活動范圍，另外考慮8 cm的誤差。

4.3 光伏電站直流設(shè)備安全距離取值的建議

綜上所述，類比《國網(wǎng)變電安規(guī)》中10 kV安全距離的規(guī)定，提出光伏電站直流設(shè)備安全距離取值建議：

1)在直流設(shè)備不停電的情況下，作業(yè)人員與裸露的帶電體之間應(yīng)符合0.6 m的安全距離。此建議對應(yīng)《國網(wǎng)變電安規(guī)》的第5.1.4條。

2)在直流設(shè)備處工作時，當(dāng)作業(yè)人員與設(shè)備之間的距離小于0.1 m時，應(yīng)將設(shè)備停電；當(dāng)作業(yè)人員與帶電設(shè)備之間的距離大于0.1 m但小于0.6 m時，應(yīng)設(shè)置固定隔板。此建設(shè)對應(yīng)《國網(wǎng)變電安規(guī)》的第7.2.1條。

3)由于光伏電站直流設(shè)備均帶有外殼，不存在裸露的帶電體跨越人行過道或行車道的情況，因此，《國網(wǎng)變電安規(guī)》第5.1.5條、第5.1.6條的安全距離不涉及光伏電站直流設(shè)備。

5 結(jié)論

本文首先總結(jié)了《國網(wǎng)變電安規(guī)》中關(guān)于10 kV安全距離的取值原則，然后分析計算了光伏電站直流設(shè)備過電壓及安全凈距，同時現(xiàn)場調(diào)研了光伏電站直流設(shè)備及運維工作情況，最后結(jié)合安全凈距和現(xiàn)場設(shè)備運維情況，類比《國網(wǎng)變電安規(guī)》，提出了光伏電站直流設(shè)備的安全距離及安全注意事項。對于光伏電站直流設(shè)備：

1)若柜內(nèi)有固定式網(wǎng)狀隔板，網(wǎng)狀隔板與帶電體的安全距離應(yīng)不小于0.1 m；

2)若柜內(nèi)無固定式網(wǎng)狀隔板，在有人監(jiān)護情況下，作業(yè)人員與帶電體的安全距離應(yīng)不小于0.6 m；

3)在停電設(shè)備上工作時，作業(yè)人員應(yīng)穿戴低壓絕緣安全手套、絕緣鞋打開柜門，并對設(shè)備驗電及接地。