地面光伏电站的防雷系统设计探析

2017-11-15徐社永

中国设备工程 2017年21期

关键词：方阵屏蔽电站

徐社永

(南方电网综合能源有限公司,广东广州 510075)

地面光伏电站的防雷系统设计探析

徐社永

(南方电网综合能源有限公司,广东广州 510075)

地面光伏电站由于地处野外,容易发生雷击事故.本文就此类电站进行了系统分析,提出了防雷解决方案.

地面光伏;防雷系统;设备

截至2016年6月底,我国地面光伏电站的装机容量达到8439万千瓦.如何在设计、施工和运维中做好防雷工作,得到了越来越多的设计、施工、建设和运维单位的重视.

1 地面光伏电站简介

地面光伏电站一般由组件矩阵、电缆、汇流箱、逆变器、变压器、配电柜、送出线路、通信调度系统等组成(图1).

2 防雷系统设计

2.1 组件矩阵的防雷设计

由于组件方阵、室外逆变器、室外变压器等设备装置高度一般不大于5m,依照《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010),可以不考虑直击雷的防护.但因存在组件边框采用铝合金、组件方阵面积很大、组件安装采用金属材料固定等因素,光伏系统容易遭受直接雷击和形成感应过电压.

图1 地面光伏基本结构图

对太阳电池方阵而言,可以设置水平和垂直相结合的接地网.将安全接地、工作接地、防雷接地作为一个共用接地装置,接地电阻值按一般不大于4Ω考虑.在沿组件方阵四周采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地带,接地体埋设深度一般不小于0.6~0.8m.如果组件厂家没有在组件铝合金外框上留有用于安装接地线的螺栓孔位置,则需要施工人员开孔,然后用接地导线把外框和电池板支架连接.另外矩阵区域内的电气设备所在地点附近对地电压应分布均匀,均压网要不少于两点与主接地网连接.

2.2 直流汇流箱、配电柜、逆变器、室外变压器、配电柜的防雷设计

根据调查,由感应雷引发的光伏电站事故约占雷害事故的80%~90%.Christos Christodoulou等学者的研究表明了感应过电压的大小与雷击点距离之间的关系,见图2.设备感应雷的防护措施包括接地、分流、屏蔽、均压等电位等.

分流措施主要是指安装各级电涌保护器,它能根据线路中出现的过电压、过电流及时做出反应,将线路上因感应雷产生的大量浪涌电流释放到地网,使设备各点之间电位差大致不变,从而达到保护设备的目的.对于沿直流输入线侵入的感应雷,可在直流汇流箱内分别在正极对地、负极对地间安装电涌保护器;在逆变器直流输入端的正极对地、负极对地、正极对负极之间安装电涌保护器,实现共模和差模保护;电站交流侧一般采用安装避雷器的方式进行分流.

图2 感应过电压的大小与雷击点距离之间的关系图

屏蔽是减少电磁波破坏的主要措施.据资料统计,0.03高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的误动,2.4高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏.屏蔽包括外部屏蔽措施、适当的布线措施、线路的屏蔽措施等.

(1)外部屏蔽措施.根据国际电工委员会IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》规定:一个需要保护的区域,由外到内可分为几级保护区.最外层是0级,属于0区,危险性最高;电房与0区仅一墙之隔,该空间定义为1区;电房内各电气设备的外壳是一层屏蔽层,因此外壳的空间定义为2区.越往内部,危险程度越低.保护区的外界面通过避雷器、电涌保护器等组成的外部防雷系统,钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成.将建筑物的基础钢筋(包括桩基、承台、地梁等)、梁柱钢筋、建筑物防雷引下线等连接起来,形成闭合良好的法拉第笼式接地;再将建筑物的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地等与建筑物的法拉第笼连接,避免接地线之间存在电位差.

(2)布线措施.有些电站的逆变器、变压器和电房的选址不合理,不仅增加了组件方阵直流输出电缆的长度和费用支出,还增大了电能损耗,同时也增加了沿线的分布电容和分布电感,从而增多了雷电干扰的容性、感性耦合.因此各电池单元的设备和电房选址应尽量与各组件矩阵相邻设置,且争取设置在方阵的中心位置.

(3)线路的屏蔽措施.光伏电站占地面积大、场地四周开阔,强电和弱点电缆在组件电池方阵之间穿插布置且裸露户外,容易遭受直击雷,成为雷电感应的耦合通道.通过布设电缆槽盒、桥架等能对电缆起到很好的屏蔽作用.另外对于直埋电缆,尽量采用穿电缆管保护.

(4)等电位连接.等电位连接能减少防雷空间内各金属系统间的电位差.为减少组件方阵、配电设备及其电缆、送出线路之间的地电位反击,可以在防雷分区内、各分区交界处,采用连接线、扁钢等做等电位连接.