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　　日前，微信圈一則“山西戶(hù)用光伏電站逆變器著(zhù)火”，令業(yè)界一片嘩然，更有人指出，是使用了劣質(zhì)的逆變器，引起直流拉弧，最終導致內部器件自燃而引起火災。后來(lái)經(jīng)過(guò)調查，這是一條假消息，是有一些無(wú)良媒體嘩眾取寵為了擴大影響而報道的，實(shí)際上引起火災的直接原因是“球形雷”，和光伏系統沒(méi)有直接關(guān)系。

　　

　　但是，光伏發(fā)電系統的主要部分都安裝在露天狀態(tài)下，且分布的面積較大，組件和支架都是導體，對雷電有相當大的吸引力，因此存在著(zhù)受直接和間接雷擊的危害。同時(shí)，光伏發(fā)電系統與相關(guān)電氣設備及建筑物有著(zhù)直接的連接，因此對光伏系統的雷擊還會(huì )涉及相關(guān)的設備和建筑物及用電負載等。為了避免雷擊對光伏發(fā)電系統的損害，就需要設置防雷與接地系統進(jìn)行防護。

　　

　　1.關(guān)于雷電及開(kāi)關(guān)浪涌的有關(guān)知識

　　

　　雷電是一種大氣中的放電現象。在云雨形成的過(guò)程中，它的某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負電荷，當這些電荷積聚到一定程度時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生放電現象，形成雷電。
 

 

　　

　　雷電分為直擊雷和感應雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統、電氣設備及其配線(xiàn)等處，以及近旁周?chē)睦讚?。直擊雷的侵入途徑有兩條：一條是上述所說(shuō)的直接對光伏方陣等放電，使大部分高能雷電流被引入到建筑物或設備、線(xiàn)路上；另一條是雷電直接通過(guò)避雷針等可以直接傳輸雷電流入地的裝置放電，使得地電位瞬時(shí)升高，一大部分雷電流通過(guò)保護接地線(xiàn)反串入設備、線(xiàn)路上。

　　

　　感應雷是指在相關(guān)建筑物、設備和線(xiàn)路的附近及更遠些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關(guān)建筑物、設備和線(xiàn)路的過(guò)電壓，這個(gè)浪涌過(guò)電壓通過(guò)靜電感應或電磁感應的形式串入到相關(guān)電子設備和線(xiàn)路上，對設備、線(xiàn)路造成危害。

　　

　　除了雷電能夠產(chǎn)生浪涌電壓和電流外，在大功率電路的閉合與斷開(kāi)的瞬間、感性負載和容性負載的接通或斷開(kāi)的瞬間、大型用電系統或變壓器等斷開(kāi)也都會(huì )產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)浪涌電壓和電流，同樣會(huì )對相關(guān)設備、線(xiàn)路等造成危害。

　　

　　對于較大型的或安裝在空曠田野、高山上的光伏發(fā)電系統，特別是雷電多發(fā)地區，必須配備防雷接地裝置。

　　

　　2.雷擊對光伏發(fā)電系統的危害

　　

　　(1)對太陽(yáng)電池組件的危害。太陽(yáng)電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統中的核心部分，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來(lái)，或推動(dòng)負載工作。但其所在位置極易遭受具有強大的脈沖電流、熾熱的高溫、猛烈的電動(dòng)力的直擊雷的沖擊而導致整個(gè)系統癱瘓。

　　

　　(2)對光伏控制器的危害。光伏控制器的作用是控制整個(gè)系統的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過(guò)充電保護、過(guò)放電保護的作用。當系統遭受到雷擊或是過(guò)電壓損壞時(shí)會(huì )出現以下情況。

　　

　?、俪潆娤到y一直充電，放電系統無(wú)放電，導致蓄電池一直處于充電狀態(tài)，充電過(guò)飽輕則縮短蓄電池使用壽命、容量降低，重則導致蓄電池爆炸，造成對整個(gè)系統的損壞和人員傷亡。

　　

　?、诔潆娤到y無(wú)充電，放電系統一直處于放電狀態(tài)，蓄電池無(wú)法將電能儲存起來(lái)，導致用戶(hù)在有太陽(yáng)光時(shí)設備可正常工作，無(wú)太陽(yáng)光或光線(xiàn)不強時(shí)設備無(wú)法工作。

　　

　　(3)對蓄電池的危害。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統一般采用鉛酸蓄電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)電池板所發(fā)出的電能儲存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。當系統遭受到雷擊時(shí)過(guò)電壓入侵到蓄電池時(shí)輕則損害蓄電池、縮短電池的使用壽命，重則導致電池爆炸，引起嚴重的系統故障和人員傷亡。

　　

　　(4)對逆變器的危害。太陽(yáng)能的直接輸出電壓要轉變?yōu)锳C220V/AC380V為電器提供電能，需要將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。如果逆變器損壞將會(huì )出現以下情況。

　　

　?、儆脩?hù)負載無(wú)電壓輸入，用電設備無(wú)法工作。

　　

　?、谀孀兤鳠o(wú)法將電壓逆變，導致太陽(yáng)電池板上的直流電壓直接供負載使用，如果太陽(yáng)電池板電壓過(guò)高將直接燒毀用電設備。

　　

　　3、雷電侵入光伏發(fā)電系統的途徑

　　

　　(1)地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵。雷電擊中避雷針時(shí)，在避雷針接地體附近將產(chǎn)生放射狀的電位分布，對靠近它的電子設備接地體地電位反擊，入侵電壓可高達數萬(wàn)伏。

　　

　　(2)由太陽(yáng)電池方陣的直流輸入線(xiàn)路入侵。這種入侵分為以下兩種情況。

　　

　?、佼斕?yáng)電池方陣遭到直擊雷打擊時(shí)，強雷電電壓將鄰近土壤擊穿或直流輸入線(xiàn)路電纜外皮擊穿，使雷電脈沖侵入光伏系統。

　　

　?、趲щ姾傻脑茖Φ孛娣烹姇r(shí)，整個(gè)光伏方陣像一個(gè)大型無(wú)數環(huán)形天線(xiàn)一樣感應出上千伏的過(guò)電壓，通過(guò)直流輸入線(xiàn)路引入，擊壞與線(xiàn)路相連的光伏系統設備。

　　

　　(3)由光伏系統的輸出供電線(xiàn)路入侵。供電設備及供電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，在電源線(xiàn)上出現的雷電過(guò)電壓平均可達上萬(wàn)伏，并且輸出線(xiàn)還是引入遠處感應雷電的主要因素。雷電脈沖沿電源線(xiàn)侵入光伏微電子設備及系統，可對系統設備造成毀滅性的打擊。

　　

　　4、光伏發(fā)電系統的防雷措施和設計要求

 

　　

　　(1)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統或發(fā)電站建設地址的選擇，要盡量避免放置在容易遭受雷擊的位置和場(chǎng)合。

　　

　　(2)盡量避免避雷針的投影落在太陽(yáng)電池方陣組件上。

　　

　　(3)根據現場(chǎng)狀況，可采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等不同防護措施對直擊雷進(jìn)行防護，減小雷擊概率，并應盡量采用多根均勻布置的引下線(xiàn)將雷擊電流引入地下。多根引下線(xiàn)的分流作用可降低引下線(xiàn)的引線(xiàn)壓降，減少側擊的危險，并使引下線(xiàn)泄流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度減小。

　　

　　(4)為防止雷電感應，要將整個(gè)光伏發(fā)電系統的所有金屬物，包括電池組件外框、設備、機箱/機柜外殼、金屬線(xiàn)管等與聯(lián)合接地體等電位連接，并且做到各自獨立接地。光伏發(fā)電系統等電位連接。

　　

　　(5)在系統回路上逐級加裝防雷器件，實(shí)行多級保護，使雷擊或開(kāi)關(guān)浪涌電流經(jīng)過(guò)多級防雷器件泄流。一般在光伏發(fā)電系統直流線(xiàn)路部分采用直流電源避雷器，在逆變后的交流線(xiàn)路部分使用交流電源避雷器。避雷器在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的應用。

　　

　　(6)光伏發(fā)電系統的接地類(lèi)型和要求主要包括以下幾個(gè)方面。

　　

　?、俜览捉拥?。包括避雷針(帶)、引下線(xiàn)、接地體等，要求接地電阻小于10歐姆，并最好考慮單獨設置接地體。

　　

　?、诎踩Ｗo接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏電池組件外框、支架，控制器、逆變器、配電柜外殼，蓄電池支架、金屬穿線(xiàn)管外皮及蓄電池、逆變器的中性點(diǎn)等，要求接地電阻小于等于4歐姆。

　　

　?、郛敯踩Ｗo接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地4種接地共用一組接地裝置時(shí)，其接地電阻按其中最小值確定；若防雷已單獨設置接地裝置時(shí)，其余3種接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻不應大于其中最小值。

　　

　?、軛l件許可時(shí)，防雷接地系統應盡量單獨設置，不與其他接地系統共用，并保證防雷接地系統的接地體與公用接地體在地下的距離保持在3m以上。

　　

　　5、接地系統的材料選用

　　

　　(1)避雷針。

　　

　　避雷針一般選用直徑12～16mm的圓鋼，如果采用避雷帶，則使用直徑8mm的圓鋼或厚度4mm的扁鋼。避雷針高出被保護物的高度應大于等于避雷針到被保護物的水平距離，避雷針越高保護范圍越大。

　　

　　(2)接地體。

　　

　　接地體宜采用熱鍍鋅鋼材，其規格一般為：直徑50mm的鋼管，壁厚不小于3.5mm；50mm×50mm×5mm角鋼或40mmx4mm的扁鋼，長(cháng)度一般為1.5～2.5m。接地體的埋設深度為上端離地面0.7m以上，因連接焊接過(guò)的部位要重新做防腐防銹處理。

　　

　　為提高接地效果，也可以使用專(zhuān)用非金屬石墨接地體模塊，這種模塊是一種以非金屬材料為主的接地體，它由導電性、穩定性較好的非金屬礦物和電解物質(zhì)組成，這種接地體克服了金屬接地體在酸性和堿性土壤里親和力差且易發(fā)生金屬體表面銹蝕而使接地電阻變化，當土壤中有機物質(zhì)過(guò)多時(shí)，容易形成金屬體表面被油墨包裹的現象，導致導電性和泄流能力減弱的情況。這種接地體增大了本身的散流面積，減少了接地體與土壤之間的接觸電阻，具有強吸濕保濕能力，使其周?chē)浇耐寥离娮杪式档?，介電常數增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強，因而能獲得較小的接地電阻和較長(cháng)的使用壽命。接地體模塊外形為方形，規格尺寸一般為500mm×400mm×60mm，引線(xiàn)電極采用90mm×40mm×4mm的鍍鋅扁鋼，重量為20kg左右。接地體可根據地質(zhì)土壤狀況和接地電阻需要埋入1～5塊。

　　

　　(3)引下線(xiàn)。

　　

　　引下線(xiàn)一般使用圓鋼或扁鋼，要優(yōu)先選用圓鋼，直徑不小于8mm；如用扁鋼，截面積應不小于4mm2；要求較高的要使用截面積為35mm2的雙層絕緣多股銅線(xiàn)。

　　

　　(4)專(zhuān)用降阻劑。

　　

　　接地系統專(zhuān)用降阻劑屬于物理性長(cháng)效防腐環(huán)保降阻劑，是由高分子吸水材料、電子導電材料、碳基復合材料結合而成的樹(shù)脂類(lèi)共生物，具有無(wú)毒、無(wú)異味、無(wú)腐蝕、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，符合國家優(yōu)質(zhì)土壤環(huán)境標準的要求。其導電能力不受酸、堿、鹽、溫度等變化的影響，具有良好的吸濕、保濕、防凍能力，不會(huì )因地下水的存在而產(chǎn)生流失，對土壤電阻率有長(cháng)期改良作用。在接地系統中使用專(zhuān)用降阻劑可節約工程成本，降低土壤電阻率，使接地電阻穩定，接地系統壽命長(cháng)久。

　　

　　(5)接地模塊與降阻劑的用量計算。

　　

　　根據地網(wǎng)土層的土壤電阻率，采用下列公式計算接地模塊用量，接地模塊水平埋置，單個(gè)模塊接地電阻R=0.068ρ/，并聯(lián)后的總接地電阻Rn=r/(nη)。

　　

　　其中，ρ為土壤電阻率，單位是ω·m；以a、b為接地模塊的長(cháng)、寬，單位是m；r為單個(gè)模塊的接地電阻，單位是ω；rn為總接地電阻，單位是ω；n為接地模塊個(gè)數；η為模塊調整系數，一般取0.6～0.9。

　　

　　降阻劑的用量根據土壤的不同，在接地體上的敷設厚度應在5～15cm之間，接地體水平放置，按每0.5m約6kg的用量使用。

　　

　　6、避雷器的選型

　　

　　避雷器也叫電涌保護器(surgeprotectiondevice，spd)。光伏發(fā)電系統常用避雷器的外形。避雷器內部主要由熱感斷路器和金屬氧化物壓敏電阻組成，另外還可以根據需要同火花放電間隙模塊配合使用。

　　

　　下面是光伏發(fā)電系統常用避雷器主要技術(shù)參數的具體說(shuō)明。

　　

　　(1)最大持續工作電壓(uc)：該電壓值表示可允許加在避雷器兩端的最大工頻交流電壓有效值。在這個(gè)電壓下，避雷器必須能夠正常工作，不可出現故障。同時(shí)，該電壓連續加載在避雷器上，不會(huì )改變避雷器的工作特性。

　　

　　(2)額定電壓(un)：避雷器正常工作下的電壓。這個(gè)電壓可以用直流電壓表示，也可以用正弦交流電壓的有效值來(lái)表示。

　　

　　(3)最大沖擊通流量(umax)：避雷器在不發(fā)生實(shí)質(zhì)性破壞的前提下，每線(xiàn)或單模塊對地通過(guò)規定次數、規定波形的最大限度的電流峰值數。最大沖擊通流量一般大于額定放電電流的2.5倍。

　　

　　(4)額定放電電流(in)：也叫標稱(chēng)放電電流，是指避雷器所能承受的8/20μs雷電流波形的電流峰值。

　　

　　(5)脈沖沖擊電流(iimp)：在模擬自然界直接雷擊的波形電流(標準的10/350μs雷電流模擬波形)下，避雷器能承受的雷電流的多次沖擊而不發(fā)生損壞的數值。

　　

　　(6)殘壓(ures)：雷電放電電流通過(guò)避雷器時(shí)，其端子間呈現出的電壓值。

　　

　　(7)額定頻率(fn)：避雷器的正常工作頻率。

　　

　　在避雷器的具體選型時(shí)，除了各項技術(shù)參數要符合設計要求外，還要特別考慮下列幾個(gè)參數和功能的選擇。

　　

　　(1)最大持續工作電壓(uc)的選擇。

　　

　　氧化鋅壓敏電阻避雷器的最大持續工作電壓值(uc)是關(guān)系到避雷器運行穩定性的關(guān)鍵參數。在選擇避雷器的最大持續工作電壓值時(shí)，除了符合相關(guān)標準要求外，還應考慮到安裝電網(wǎng)可能出現的正常波動(dòng)及可能出現的最高持續故障電壓。例如，在三相交流電源系統中，相線(xiàn)對地線(xiàn)的最高持續故障電壓有可能達到額定交流工作電壓220v的1.5倍，即有可能達到330v。因此在電流不穩定的地方，建議選擇電源避雷器的最大持續工作電壓值大于330v的模塊。

　　

　　在直流電源系統中，最大持續工作電壓與正常工作電壓的比例，根據經(jīng)驗一般取1.5～2。

　　

　　(2)殘壓(ures)的選擇。

　　

　　在確定選擇避雷器的殘壓時(shí)，單純考慮殘壓值越低越好并不全面，并且容易引起誤導。首先不同產(chǎn)品標注的殘壓數值，必須注明測試電流的大小和波形，才能有一個(gè)共同比較的基礎。一般都是以20ka(8/20μs)的測試電流條件下記錄的殘壓值作為避雷器的標注值，并進(jìn)行比較。其次對于壓敏電阻避雷器選用殘壓越低時(shí)，將意味著(zhù)最大持續工作電壓也越低。因此，過(guò)分強調低殘壓，需要付出降低最大持續工作電壓的代價(jià)，其后果是在電壓不穩定地區，避雷器容易因長(cháng)時(shí)間持續過(guò)電壓而頻繁損壞。

　　

　　在壓敏電阻型避雷器中，選擇最合適的最大持續工作電壓值和最合適的殘壓值，就如同天平的兩側，不可傾向任何一邊。根據經(jīng)驗，殘壓在2kv以下(20ka、8/20μs)，就能對用戶(hù)設備提供足夠的保護。

　　

　　(3)報警功能的選擇。

　　

　　為了監測避雷器的運行狀態(tài)，當避雷器出現損壞時(shí)，能夠通知用戶(hù)及時(shí)更換損壞的避雷器模塊。避雷器一般都附帶各種方式的損壞指示和報警功能，以適應不同環(huán)境的不同要求。

　　

　?、俅翱谏珘K指示功能：該功能適合有人值守且天天巡查的場(chǎng)所。所謂窗口色塊指示功能就是在每組避雷器上都有一個(gè)指示窗口，避雷器正常時(shí)，該窗口是綠色；當避雷器損壞時(shí)，該窗口變?yōu)榧t色，提示用戶(hù)及時(shí)更換。

　　

　?、诼暪庑盘枅缶δ埽涸摴δ苓m合在有人值守的環(huán)境中使用。聲光信號報警裝置是用來(lái)檢查避雷模塊工作狀況，并通過(guò)聲光信號顯示狀態(tài)的。裝有聲光報警裝置的避雷器始終處于自檢測狀態(tài)，避雷器模塊一旦損壞，控制模塊立刻發(fā)出一個(gè)高音高頻報警聲，監控模塊上的狀態(tài)顯示燈由綠色變?yōu)殚W爍的紅色。當將損壞的模塊更換后，狀態(tài)顯示燈顯示為綠色，表示避雷器模塊正常工作，同時(shí)報警聲音關(guān)閉。

　　

　?、圻b信報警功能：遙信報警裝置主要用于對安裝在無(wú)人值守或難以檢查位置的避雷器進(jìn)行集中監控。帶遙信功能的避雷器都裝有一個(gè)監控模塊，持續不斷檢查所有被連接的避雷器模塊的工作狀況，如果某個(gè)避雷器模塊出現故障，機械裝置將向監控模塊發(fā)出指令，使監控模塊內的常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)分別轉換為常閉和常開(kāi)，并將此故障開(kāi)關(guān)信息發(fā)送到遠程有相應的顯示或聲音裝置上，觸發(fā)這些裝置工作。

　　

　?、苓b信及電壓監控報警功能：遙信及電壓監控報警裝置除了具有上述功能外，還能在避雷器運行中對加在避雷器上的電壓進(jìn)行監控，當系統有任意的電源電壓下降或避雷器后備保護斷路器(或熔斷器)動(dòng)作以及避雷器模塊損壞時(shí)，遠距離信號系統均會(huì )立即記錄并報告。該裝置主要用于三相電源供電系統。