鐘順太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計(jì).doc

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鐘順太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷初步設(shè)計(jì)成都興業(yè)雷安電子有限公司 易燕平 林毅龍1、前言隨著太陽(yáng)能光伏電站和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量、規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大和增容。如何減少雷害、減少維護(hù)，確保太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷與接地設(shè)計(jì)必須引起高度的重視。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷與接地和一般電器的防雷既有區(qū)別又有聯(lián)系，因此，要根據(jù)太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、跟據(jù)站場(chǎng)、地域和氣候特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以開放性大系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過(guò)電氣工程師、防雷工程師、基建工程師的通力合作，才能提高電站建設(shè)的質(zhì)量，保證電站的安全運(yùn)，獲的良好的效費(fèi)比。2、 雷電的危害直擊雷是由積雷雨云中電場(chǎng)突變，水滴群集合電子破發(fā)對(duì)大地或云間放電現(xiàn)象，地面上的建筑物或構(gòu)筑物突出部形成接閃或尖端放電，電離通導(dǎo)的形成，流光柱下行，即直擊雷。一個(gè)直擊雷在2.5平方公里的范圍內(nèi)，由于電磁場(chǎng)作用對(duì)遠(yuǎn)處或防雷保護(hù)區(qū)之內(nèi)的導(dǎo)線、金屬管道，均能形成感應(yīng)場(chǎng)，同時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)線和金屬管道傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備和太陽(yáng)電池組件上，強(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波，強(qiáng)烈的電磁輻射，所以能損壞放電通道上的輸電線和電子設(shè)備，造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至擊死擊傷人畜，造成生命損失。雷云下表面分布著大量負(fù)電荷，對(duì)大地形成靜電感應(yīng)，并使各種金屬支架和電纜等感應(yīng)出高電壓。閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使周圍的各類金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電流，從而損壞設(shè)備。并且雷電感應(yīng)高電壓和雷電電磁脈沖的作用范圍廣，作用方式比較隱蔽，所以其后果往往比直擊雷更嚴(yán)重。如果沒(méi)有采取等電位連接和鉗位措施而且避雷針引下線與導(dǎo)線、金屬管道或電器設(shè)備的工作地線間的距離小于安全間距，雷擊發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線感應(yīng)雷電流，或者雷擊建筑物導(dǎo)致地電位抬高，都會(huì)使設(shè)備的電源線、信號(hào)線和接地線之間存在電位差，如果電位差超過(guò)設(shè)備的耐受能力，則該設(shè)備必然被擊壞。3、太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路：環(huán)境識(shí)別、地線優(yōu)化、端口加固、空域防護(hù)。太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本組成為：太陽(yáng)電池方陣、直流配電柜、交流配電柜和逆變器等。太陽(yáng)電池方陣的支架采用金屬材料并占用較大空間且一般放置在建筑物頂部或開闊地，跟蹤器9臺(tái)，按照33的矩陣排列，跟蹤器與跟蹤器之間的間距為17米。跟蹤器長(zhǎng)寬高分別為9.87.36。圖1 站場(chǎng)布局在雷暴發(fā)生時(shí)，尤其容易受到雷擊而毀壞，并且太陽(yáng)電池組件和逆變器比較昂貴，為避免因雷擊和浪涌而造成經(jīng)濟(jì)損失，有效的防雷和電涌保護(hù)是必不可少的。太陽(yáng)能光伏電站及并網(wǎng)電站防雷的主要措施有：圖2 綜合防雷的主要措施1） 氣象資料與地堪（環(huán)境識(shí)別）雷暴日、地形地貌、土壤電阻率、凍土層深度、風(fēng)口方向。2）外部防雷（空域保護(hù)）裝置主要是避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等構(gòu)成，通過(guò)這些裝置可以減小雷電流流入建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)，以保護(hù)建筑物和構(gòu)筑物的安全。防直擊雷裝置應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)B50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)置，其中避雷針必須按滾球法計(jì)算其保護(hù)范圍和高度。滾球法計(jì)算保護(hù)范圍公式：圖3 單避雷針保護(hù)范圍示意圖圖4 雙避雷針保護(hù)范圍示意圖表1 確定接閃器高度的依據(jù)方案一：采用傳統(tǒng)避雷針，保護(hù)角按上述計(jì)算公式設(shè)計(jì)，33陣需要四根。LAZQ 120C（不含桅桿）。方案二：采用CDP天幕拒雷裝置，可減少傳統(tǒng)避雷針的數(shù)量的1/2，33陣需要2根。LACPD（不含桅桿）。3） 接地和搭接（地線優(yōu)化）當(dāng)光伏設(shè)備放置在空曠地區(qū)時(shí)加外部防雷系統(tǒng)，避雷針的布置需要既考慮光伏設(shè)備在保護(hù)范圍內(nèi)，又要盡量避免陰影投射到光伏組件上。良好的接地使接地電阻減小，才能把雷電流導(dǎo)入大地，減小地電位，各接地裝置都要通過(guò)接地排相互連接以實(shí)現(xiàn)共地防止地電位反擊。獨(dú)立避雷針（線）應(yīng)設(shè)獨(dú)立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10。低壓電力設(shè)備接地裝置的接地電阻，不宜超過(guò)4。光伏設(shè)備的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)為環(huán)形接地極（水平接地電極），建議網(wǎng)絡(luò)大小為20m20m。固定的金屬支架大約每隔10m 連接至接地系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備和建筑的接地系統(tǒng)通過(guò)鍍鋅鋼相互連接，在焊接處也要進(jìn)行防腐防銹處理，這樣既可以減小總接地電阻又可以通過(guò)相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個(gè)等電位面，顯著減小雷電作用在各地線之間所產(chǎn)生的過(guò)電壓。水平接地極鋪設(shè)在至少0.5m 深的土壤中（距離凍土層深0.5m），使用十字夾相互連接成網(wǎng)格狀。同樣，在土壤中的連接頭必須用耐腐蝕帶包裹起來(lái)。圖5 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷接地示意圖等電位連接，實(shí)現(xiàn)各金屬物體之間等電位，防止互相之間發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備外殼連通并接地。具體的做法是：太陽(yáng)電池組件和支架及設(shè)備的外殼直接接到等電位系統(tǒng)上，直流和交流電纜通過(guò)安裝電涌保護(hù)器間接接到等電位系統(tǒng)上。為防止部分雷電流侵入建筑物，等電位連接應(yīng)盡可能靠近系統(tǒng)的入口或建筑物的進(jìn)線處。屏蔽，實(shí)現(xiàn)建筑物、線路和設(shè)備對(duì)外界的電磁屏蔽隔離，防止電磁脈沖和感應(yīng)高電壓。屏蔽是當(dāng)雷電在系統(tǒng)附近的大地放電雷云在附近經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)降低電磁場(chǎng)與系統(tǒng)輸電線路的相互作用對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù)。屏蔽可以采用密封的導(dǎo)電殼層、同軸外套或內(nèi)通電纜的電纜管，或者在電纜溝中電纜上面敷高裸露保護(hù)線等方式。屏蔽裝置的外殼應(yīng)連接到設(shè)備地線上。方案一：33陣列，將基座鋼筋龍骨，采用編鋼互連（電氣焊接），焊接點(diǎn)的防腐處理，地埋后互通形成以大地網(wǎng)。方案二：33陣列，在直立跟蹤器塔架上，高度大于2米處，架設(shè)鋼絞線網(wǎng)格，88米網(wǎng)格，要求各節(jié)點(diǎn)電氣搭接可靠，接觸電阻要小，可不采用電氣焊處理。方案三：33陣列，在每個(gè)直立塔架基礎(chǔ)上，采用深井單根地樁打入方式，50鋼管7LAD1200加降阻劑材料LAD001(7包)，深度可在58米，測(cè)量地阻值小于4達(dá)標(biāo)，目的是33陣列每個(gè)基座的接地電阻誤差最小?？擅庾鞯鼐W(wǎng)或架空網(wǎng)減少工程造價(jià)，又能達(dá)到安全和防雷要求。4） 設(shè)備防雷（端口加固）采用SPD浪涌保護(hù)，通過(guò)在帶電電纜上安裝浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，減少電涌和雷電過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成損壞。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵途徑， 除了太陽(yáng)能電池方陣外，還有配電線路、接地線等，所以太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要采取以下防護(hù)措施：（1）在逆變器的每路直流輸入端裝設(shè)SPD浪涌保護(hù)裝置。（2）在并網(wǎng)接入控制柜中安裝浪涌保護(hù)器， 以防護(hù)沿連接電纜侵入的雷電波。為防止浪涌保護(hù)器失效時(shí)引起電路短路，必須在浪涌保護(hù)器前端串聯(lián)一個(gè)斷路器或熔斷器, 過(guò)電流保護(hù)器的額定電流不能大于浪涌保護(hù)器產(chǎn)品說(shuō)明書推薦的過(guò)電流保護(hù)器的最大額定值。當(dāng)太陽(yáng)能電池方陣架設(shè)在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)能電池方陣置于LPZ0B 區(qū)內(nèi)，配電設(shè)備和逆變器必須置于LPZ1 區(qū)內(nèi)，為此應(yīng)在逆變器的直流輸入端配置直流電源浪涌保護(hù)器（如圖5 所示），直流電源浪涌保護(hù)器可選用專門用于直流配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器，也可選用交流配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器，并按換算公式Vdc= 1.414 Vac 計(jì)算。圖6 交/直流浪涌保護(hù)器安裝示意圖第一級(jí)浪涌保護(hù)應(yīng)該選擇開關(guān)型浪涌保護(hù)器以泄放大的雷電流，直流浪涌保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足如下要求：額定放電沖擊電流Iimp 5kA（10/350s）；最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC 1.15Udc（Uc 為太陽(yáng)電池方陣開路電壓）；電壓保護(hù)水平UP 0.8UW（UW 為逆變器耐沖擊過(guò)電壓額定值，一般情況下UW=4000V）為保護(hù)用電設(shè)備，在逆變器與并網(wǎng)點(diǎn)之間必須加裝第二級(jí)電源防雷器，可選限壓型浪涌保護(hù)器，具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)工作電壓和現(xiàn)場(chǎng)情況確定。綜合采用以上措施可以逐級(jí)將雷電流降低，最終控制在設(shè)備能承受的電壓范圍之內(nèi)。大量實(shí)踐證明這些措施是非常有效的。注：（1）直流SPD浪涌保護(hù)器采用2+1組合，三個(gè)同參數(shù)指標(biāo)的模塊，連接方式為星形連接方式。（2）交流SPD浪涌保護(hù)器采用2+1組合，對(duì)地共模2參數(shù)相同（電壓保護(hù)水平為小于1200V），線間差模1（電壓保護(hù)水平小于500V）。（3）兩級(jí)限壓型浪涌保護(hù)器之間的間隔只有4m，不符合要求。為了保證多級(jí)浪涌保護(hù)器之間的能量配合問(wèn)題，GB50057-94 規(guī)定，開關(guān)型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器之間的安裝距離是10m，限壓型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器之間的安裝距離是5m。電源線路中安裝了多級(jí)電源浪涌保護(hù)器時(shí)，由于各級(jí)浪涌保護(hù)器的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓和標(biāo)稱放電電流的不同、安裝方式及接線長(zhǎng)短的差異，如果設(shè)計(jì)和安裝時(shí)不考慮間距問(wèn)題，他們之間能量配合不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)某級(jí)浪涌保護(hù)器動(dòng)作泄流的盲點(diǎn)。如果兩級(jí)浪涌保護(hù)器的間距達(dá)不到要求，可以在線路中串聯(lián)安裝適當(dāng)?shù)耐笋钤?。?）注意保險(xiǎn)絲安裝位置和選型錯(cuò)誤。保險(xiǎn)絲作為浪涌保護(hù)器的后備保護(hù)應(yīng)位于浪涌保護(hù)器支路的前端，起過(guò)電流保護(hù)作用，其分?jǐn)嗄芰?yīng)等于或大于安裝處的預(yù)期短路電流。根據(jù)計(jì)算可得，在太陽(yáng)輻照度為1000W/m2 溫度為25時(shí)流過(guò)熔斷器的可能最大電流約為15.48A。而系統(tǒng)使用的熔斷器的額定電流為16A，即使浪涌保護(hù)器失效使電路短路，流過(guò)熔斷器的電流也不會(huì)超過(guò)熔斷器的額定電流，所以熔斷器起不到短路保護(hù)的作用。（5）直流防雷器的標(biāo)稱工作電壓太大。太陽(yáng)電池方陣的直流輸出端電壓比較穩(wěn)定，工作時(shí)此系統(tǒng)中12 串3 并的太陽(yáng)電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為422.2V，開路時(shí)電壓約為530V，8 串3 并的太陽(yáng)電池方陣正常工作時(shí)輸出電壓約為281.6V，開路時(shí)電壓約為353.6V。由于太陽(yáng)電池方陣是由各個(gè)太陽(yáng)電池組件連接起來(lái)的，容易出現(xiàn)因接線錯(cuò)誤或其他原因?qū)е轮绷鬏敵鲭妷撼^(guò)逆變器最大輸入電壓的情況，為更好地保護(hù)逆變器，建議與12 串3 并的太陽(yáng)電池方陣連接的浪涌保護(hù)器標(biāo)稱工作電壓為600-700V，與8串3并的太陽(yáng)電池方陣連接的浪涌保護(hù)器標(biāo)稱工作電壓為400V-750V。（5）系統(tǒng)主要組成部分的具體配置如下（設(shè)計(jì)參考）：表2 單晶硅太陽(yáng)電池組件參數(shù)表3 SMA 光伏逆變器參數(shù)表4 直流電源防雷器基本電氣性能指標(biāo)5、SPD選型1跟蹤控制箱包括，AC22024V 開關(guān)電源，AC22012V開關(guān)電源各一臺(tái)；控制板，驅(qū)動(dòng)板各一套。交流線采用交流空開，電池板下來(lái)的光伏先先進(jìn)入控制箱的直流空開，然后再出控制箱。公司目前接法具體如下：1）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流電壓620V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：三角形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。2）DC24：LAYM30 D24C，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。3）DC12：LAYM10 D12C。安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。配電柜部分包括對(duì)每臺(tái)跟蹤器的交流送電，以及每臺(tái)跟蹤的直流匯集。下面是3臺(tái)跟蹤發(fā)電機(jī)（線聚光跟蹤，平板跟蹤，平板固定）的配電柜接線圖。三臺(tái)跟蹤器的配電柜接線圖電壓參數(shù)跟蹤器直流光伏線電壓一般在120800之間，交流采用220V民用交流電，通信線采用485協(xié)議，屏蔽雙絞線。雙絞線工作電壓5V。1） DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（注：470表示在直流1mA下，施加直流電壓470V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。300表示施加工頻交流電壓300時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：星形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。2）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流電壓620V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。385表示施加工頻交流電壓385V時(shí)，SPD啟動(dòng)值。）連接方式：三角形方式，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。3）RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C，安裝位置靠近設(shè)備端口,軌道安裝固定。注：上游設(shè)備與下游設(shè)備之間，地面上超過(guò)5米跨距需采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩端同時(shí)加裝相同型號(hào)的SPD浪涌保護(hù)器。在地面下超過(guò)10米要加裝點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SPD。6、防雷材料匯總：1LAZQ 120C（不含桅桿）2LACPD（不含桅桿）（可選）350鋼管7LAD12004LAD001(7包)5AC220：LAYM40（2+1） M0V620（385）（跟蹤控制箱）6DC24：LAYM30 D24C（跟蹤控制箱）7DC12：LAYM10 D12C（跟蹤控制箱）8DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（配電柜部分）9AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（配電柜部分）10RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C（配電柜部分）