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分布式光伏系统如何防止雷击火灾隐患

2017-05-15 浙江雷升电子有限公司 阅读

  日前,微信圈一则“山西户用光伏电站逆变器着火”,令业界一片哗然,更有人指出,是使用了劣质的逆变器,引起直流拉弧,最终导致内部器件自燃而引起火灾。后来经过调查,这是一条假消息,是有一些无良媒体哗众取宠为了扩大影响而报道的,实际上引起火灾的直接原因是“球形雷”,和光伏系统没有直接关系。

  但是,光伏发电系统的主要部分都安装在露天状态下,且分布的面积较大,组件和支架都是导体,对雷电有相当大的吸引力,因此存在着受直接和间接雷击的危害。同时,光伏发电系统与相关电气设备及建筑物有着直接的连接,因此对光伏系统的雷击还会涉及相关的设备和建筑物及用电负载等。为了避免雷击对光伏发电系统的损害,就需要设置防雷与接地系统进行防护。

  1.关于雷电及开关浪涌的有关知识

  雷电是一种大气中的放电现象。在云雨形成的过程中,它的某些部分积聚起正电荷,另一部分积聚起负电荷,当这些电荷积聚到一定程度时,就会产生放电现象,形成雷电。

  雷电分为直击雷和感应雷。直击雷是指直接落到光伏方阵、直流配电系统、电气设备及其配线等处,以及近旁周围的雷击。直击雷的侵入途径有两条:一条是上述所说的直接对光伏方阵等放电,使大部分高能雷电流被引入到建筑物或设备、线路上;另一条是雷电直接通过避雷针等可以直接传输雷电流入地的装置放电,使得地电位瞬时升高,一大部分雷电流通过保护接地线反串入设备、线路上。

  感应雷是指在相关建筑物、设备和线路的附近及更远些的地方产生的雷击,引起相关建筑物、设备和线路的过电压,这个浪涌过电压通过静电感应或电磁感应的形式串入到相关电子设备和线路上,对设备、线路造成危害。

  除了雷电能够产生浪涌电压和电流外,在大功率电路的闭合与断开的瞬间、感性负载和容性负载的接通或断开的瞬间、大型用电系统或变压器等断开也都会产生较大的开关浪涌电压和电流,同样会对相关设备、线路等造成危害。

  对于较大型的或安装在空旷田野、高山上的光伏发电系统,特别是雷电多发地区,必须配备防雷接地装置。

  2.雷击对光伏发电系统的危害

  (1)对太阳电池组件的危害。太阳电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。但其所在位置极易遭受具有强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力的直击雷的冲击而导致整个系统瘫痪。

  (2)对光伏控制器的危害。光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。当系统遭受到雷击或是过电压损坏时会出现以下情况。

  ①充电系统一直充电,放电系统无放电,导致蓄电池一直处于充电状态,充电过饱轻则缩短蓄电池使用寿命、容量降低,重则导致蓄电池爆炸,造成对整个系统的损坏和人员伤亡。

  ②充电系统无充电,放电系统一直处于放电状态,蓄电池无法将电能储存起来,导致用户在有太阳光时设备可正常工作,无太阳光或光线不强时设备无法工作。

  (3)对蓄电池的危害。太阳能光伏发电系统一般采用铅酸蓄电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。当系统遭受到雷击时过电压入侵到蓄电池时轻则损害蓄电池、缩短电池的使用寿命,重则导致电池爆炸,引起严重的系统故障和人员伤亡。

  (4)对逆变器的危害。太阳能的直接输出电压要转变为AC 220V/AC 380V为电器提供电能,需要将太阳能光伏发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。如果逆变器损坏将会出现以下情况。

  ①用户负载无电压输入,用电设备无法工作。

  ②逆变器无法将电压逆变,导致太阳电池板上的直流电压直接供负载使用,如果太阳电池板电压过高将直接烧毁用电设备。

  3、雷电侵入光伏发电系统的途径

  (1)地电位反击电压通过接地体入侵。雷电击中避雷针时,在避雷针接地体附近将产生放射状的电位分布,对靠近它的电子设备接地体地电位反击,入侵电压可高达数万伏。

  (2)由太阳电池方阵的直流输入线路入侵。这种入侵分为以下两种情况。

  ①当太阳电池方阵遭到直击雷打击时,强雷电电压将邻近土壤击穿或直流输入线路电缆外皮击穿,使雷电脉冲侵入光伏系统。

  ②带电荷的云对地面放电时,整个光伏方阵像一个大型无数环形天线一样感应出上千伏的过电压,通过直流输入线路引入,击坏与线路相连的光伏系统设备。

  (3)由光伏系统的输出供电线路入侵。供电设备及供电线路遭受雷击时,在电源线上出现的雷电过电压平均可达上万伏,并且输出线还是引入远处感应雷电的主要因素。雷电脉冲沿电源线侵入光伏微电子设备及系统,可对系统设备造成毁灭性的打击。

  4、光伏发电系统的防雷措施和设计要求

  (1)太阳能光伏发电系统或发电站建设地址的选择,要尽量避免放置在容易遭受雷击的位置和场合。

  (2)尽量避免避雷针的投影落在太阳电池方阵组件上。

  (3)根据现场状况,可采用避雷针、避雷带和避雷网等不同防护措施对直击雷进行防护,减小雷击概率,并应尽量采用多根均匀布置的引下线将雷击电流引入地下。多根引下线的分流作用可降低引下线的引线压降,减少侧击的危险,并使引下线泄流产生的磁场强度减小。

  (4)为防止雷电感应,要将整个光伏发电系统的所有金属物,包括电池组件外框、设备、机箱/机柜外壳、金属线管等与联合接地体等电位连接,并且做到各自独立接地。光伏发电系统等电位连接。

  (5)在系统回路上逐级加装防雷器件,实行多级保护,使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。一般在光伏发电系统直流线路部分采用直流电源避雷器,在逆变后的交流线路部分使用交流电源避雷器。避雷器在太阳能光伏发电系统中的应用。

  (6)光伏发电系统的接地类型和要求主要包括以下几个方面。

  ①防雷接地。包括避雷针(带)、引下线、接地体等,要求接地电阻小于10欧姆,并最好考虑单独设置接地体。

  ②安全保护接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏电池组件外框、支架,控制器、逆变器、配电柜外壳,蓄电池支架、金属穿线管外皮及蓄电池、逆变器的中性点等,要求接地电阻小于等于4欧姆。

  ③当安全保护接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地4种接地共用一组接地装置时,其接地电阻按其中最小值确定;若防雷已单独设置接地装置时,其余3种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻不应大于其中最小值。

  ④条件许可时,防雷接地系统应尽量单独设置,不与其他接地系统共用,并保证防雷接地系统的接地体与公用接地体在地下的距离保持在3m以上。

  5、接地系统的材料选用

  (1)避雷针。

  避雷针一般选用直径12~16mm的圆钢,如果采用避雷带,则使用直径8mm的圆钢或厚度4mm的扁钢。避雷针高出被保护物的高度应大于等于避雷针到被保护物的水平距离,避雷针越高保护范围越大。

  (2)接地体。

  接地体宜采用热镀锌钢材,其规格一般为:直径50mm的钢管,壁厚不小于3.5mm;50mm×50mm×5mm角钢或40mmx4mm的扁钢,长度一般为1.5~2.5m。接地体的埋设深度为上端离地面0.7m以上,因连接焊接过的部位要重新做防腐防锈处理。

  为提高接地效果,也可以使用专用非金属石墨接地体模块,这种模块是一种以非金属材料为主的接地体,它由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成,这种接地体克服了金属接地体在酸性和碱性土壤里亲和力差且易发生金属体表面锈蚀而使接地电阻变化,当土壤中有机物质过多时,容易形成金属体表面被油墨包裹的现象,导致导电性和泄流能力减弱的情况。这种接地体增大了本身的散流面积,减少了接地体与土壤之间的接触电阻,具有强吸湿保湿能力,使其周围附近的土壤电阻率降低,介电常数增大,层间接触电阻减小,耐腐蚀性增强,因而能获得较小的接地电阻和较长的使用寿命。接地体模块外形为方形,规格尺寸一般为500mm×400mm×60mm,引线电极采用90mm×40mm×4mm的镀锌扁钢,重量为20kg左右。接地体可根据地质土壤状况和接地电阻需要埋入1~5块。

  (3)引下线。

  引下线一般使用圆钢或扁钢,要优先选用圆钢,直径不小于8mm;如用扁钢,截面积应不小于4mm2;要求较高的要使用截面积为35mm2的双层绝缘多股铜线。

  (4)专用降阻剂。

  接地系统专用降阻剂属于物理性长效防腐环保降阻剂,是由高分子吸水材料、电子导电材料、碳基复合材料结合而成的树脂类共生物,具有无毒、无异味、无腐蚀、无污染等优点,符合国家优质土壤环境标准的要求。其导电能力不受酸、碱、盐、温度等变化的影响,具有良好的吸湿、保湿、防冻能力,不会因地下水的存在而产生流失,对土壤电阻率有长期改良作用。在接地系统中使用专用降阻剂可节约工程成本,降低土壤电阻率,使接地电阻稳定,接地系统寿命长久。

  (5)接地模块与降阻剂的用量计算。

  根据地网土层的土壤电阻率,采用下列公式计算接地模块用量,接地模块水平埋置,单个模块接地电阻R=0.068ρ/ ,并联后的总接地电阻Rn=r/(nη)。

  其中,ρ为土壤电阻率,单位是ω·m;以a、b为接地模块的长、宽,单位是m;r为单个模块的接地电阻,单位是ω;rn为总接地电阻,单位是ω;n为接地模块个数;η为模块调整系数,一般取0.6~0.9。

  降阻剂的用量根据土壤的不同,在接地体上的敷设厚度应在5~15cm之间,接地体水平放置,按每0.5m约6kg的用量使用。

  6、避雷器的选型

  避雷器也叫电涌保护器(surgeprotection device,spd)。光伏发电系统常用避雷器的外形。避雷器内部主要由热感断路器和金属氧化物压敏电阻组成,另外还可以根据需要同火花放电间隙模块配合使用。

  下面是光伏发电系统常用避雷器主要技术参数的具体说明。

  (1)最大持续工作电压(uc):该电压值表示可允许加在避雷器两端的最大工频交流电压有效值。在这个电压下,避雷器必须能够正常工作,不可出现故障。同时,该电压连续加载在避雷器上,不会改变避雷器的工作特性。

  (2)额定电压(un):避雷器正常工作下的电压。这个电压可以用直流电压表示,也可以用正弦交流电压的有效值来表示。

  (3)最大冲击通流量(umax):避雷器在不发生实质性破坏的前提下,每线或单模块对地通过规定次数、规定波形的最大限度的电流峰值数。最大冲击通流量一般大于额定放电电流的2.5倍。

  (4)额定放电电流(in):也叫标称放电电流,是指避雷器所能承受的8/20μs雷电流波形的电流峰值。

  (5)脉冲冲击电流(iimp):在模拟自然界直接雷击的波形电流(标准的10/350μs雷电流模拟波形)下,避雷器能承受的雷电流的多次冲击而不发生损坏的数值。

  (6)残压(ures):雷电放电电流通过避雷器时,其端子间呈现出的电压值。

  (7)额定频率(fn):避雷器的正常工作频率。

  在避雷器的具体选型时,除了各项技术参数要符合设计要求外,还要特别考虑下列几个参数和功能的选择。

  (1)最大持续工作电压(uc)的选择。

  氧化锌压敏电阻避雷器的最大持续工作电压值(uc)是关系到避雷器运行稳定性的关键参数。在选择避雷器的最大持续工作电压值时,除了符合相关标准要求外,还应考虑到安装电网可能出现的正常波动及可能出现的最高持续故障电压。例如,在三相交流电源系统中,相线对地线的最高持续故障电压有可能达到额定交流工作电压220v的1.5倍,即有可能达到330v。因此在电流不稳定的地方,建议选择电源避雷器的最大持续工作电压值大于330v的模块。

  在直流电源系统中,最大持续工作电压与正常工作电压的比例,根据经验一般取1.5~2。

  (2)残压(ures)的选择。

  在确定选择避雷器的残压时,单纯考虑残压值越低越好并不全面,并且容易引起误导。首先不同产品标注的残压数值,必须注明测试电流的大小和波形,才能有一个共同比较的基础。一般都是以20ka(8/20μs)的测试电流条件下记录的残压值作为避雷器的标注值,并进行比较。其次对于压敏电阻避雷器选用残压越低时,将意味着最大持续工作电压也越低。因此,过分强调低残压,需要付出降低最大持续工作电压的代价,其后果是在电压不稳定地区,避雷器容易因长时间持续过电压而频繁损坏。

  在压敏电阻型避雷器中,选择最合适的最大持续工作电压值和最合适的残压值,就如同天平的两侧,不可倾向任何一边。根据经验,残压在2kv以下(20ka、8/20μs),就能对用户设备提供足够的保护。

  (3)报警功能的选择。

  为了监测避雷器的运行状态,当避雷器出现损坏时,能够通知用户及时更换损坏的避雷器模块。避雷器一般都附带各种方式的损坏指示和报警功能,以适应不同环境的不同要求。

  ①窗口色块指示功能:该功能适合有人值守且天天巡查的场所。所谓窗口色块指示功能就是在每组避雷器上都有一个指示窗口,避雷器正常时,该窗口是绿色;当避雷器损坏时,该窗口变为红色,提示用户及时更换。

  ②声光信号报警功能:该功能适合在有人值守的环境中使用。声光信号报警装置是用来检查避雷模块工作状况,并通过声光信号显示状态的。装有声光报警装置的避雷器始终处于自检测状态,避雷器模块一旦损坏,控制模块立刻发出一个高音高频报警声,监控模块上的状态显示灯由绿色变为闪烁的红色。当将损坏的模块更换后,状态显示灯显示为绿色,表示避雷器模块正常工作,同时报警声音关闭。

  ③遥信报警功能:遥信报警装置主要用于对安装在无人值守或难以检查位置的避雷器进行集中监控。带遥信功能的避雷器都装有一个监控模块,持续不断检查所有被连接的避雷器模块的工作状况,如果某个避雷器模块出现故障,机械装置将向监控模块发出指令,使监控模块内的常开和常闭触点分别转换为常闭和常开,并将此故障开关信息发送到远程有相应的显示或声音装置上,触发这些装置工作。

  ④遥信及电压监控报警功能:遥信及电压监控报警装置除了具有上述功能外,还能在避雷器运行中对加在避雷器上的电压进行监控,当系统有任意的电源电压下降或避雷器后备保护断路器(或熔断器)动作以及避雷器模块损坏时,远距离信号系统均会立即记录并报告。该装置主要用于三相电源供电系统。



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