光伏电站直流侧防雷系统技术分析

2016-10-14杨松张天文沈道军罗易李春阳诸荣耀周承军

太阳能 2016年5期

关键词：汇流二极管雷电

■ 杨松张天文沈道军罗易李春阳诸荣耀周承军

浙江正泰新能源开发有限公司

光伏电站直流侧防雷系统技术分析

■ 杨松*张天文沈道军罗易李春阳诸荣耀周承军

浙江正泰新能源开发有限公司

通过工程设计案例与直流侧SPD电气雷击模拟试验相结合的方式，对现行光伏电站直流侧应用较多的设备外壳接地与电气两侧SPD防雷保护设计方案作相应分析，在此基础上对各方式的有效性进行探讨。

光伏电站；防雷系统；浪涌保护器(SPD)；直流侧

0　引言

光伏电站的电气技术在多年的研发与应用中得到了革命性更新，结合各省份在地貌、气象等方面的差异性，光伏电站的类型也从传统且单一的平原开阔式地面电站向屋顶分布式、山地林农式、滩涂池塘渔光式等多样性发展。对不同类型的光伏电站，直流侧防雷接地系统仍采用传统且单一的设备外壳接地与电气两侧增加浪涌保护器(SPD)保护形式作为有效防雷措施。本文通过工程设计案例与直流侧SPD防电气雷击模拟试验相结合的方式，对现行光伏电站应用较多的直流侧防雷系统作针对性的研究与分析，为行业技术从业人员提供参考。

1　雷电形式

雷电可分为直击雷、感应雷与球形雷[1]。根据不同类型光伏电站自身的特点，以及电站雷击失效案例的特征，光伏电站直流侧受直击雷与感应雷损坏失效居多。主要失效形式有：组件接线盒二极管击穿损坏、汇流箱熔断器大电流损坏、SPD电气性失效。

2　光伏电站防雷设计

光伏电站在设计前应做好前期的考察调研工作，依据现场特征及电站类型特点进行防雷优化设计。目前的光伏电站在设计时，主要以防直击雷与感应雷为主。

防直击雷，是防止光伏组件、汇流箱、逆变器等电气设备免受直击雷损坏而做的预防性设计工作。设计时应考虑部件与外部防雷装置之间有一定的安全距离(S )，外部防雷装置只能连接到总等电位母排、基础地网或接地环上[2]。系统可采用人工接地极或利用原有建筑及人工接地防雷系统对光伏组件、汇流箱等直流侧电气设备做可靠接地。接地电阻应小于4 Ω，且要求施工时进行现场实测[3]，如果不满足要求，应在建筑物室外及原有接地系统基础上增加人工接地极至满足设计要求为止。针对每单块光伏组件，需确保接地孔与钢支架横梁可靠连接(连接处需做防腐处理)，不同阵列间钢支架采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢可靠连接，且接至整个接地网系统，如图1所示。

图1　组件接地设计图

防感应雷，是防止雷击静电感应的电荷与电磁感应的电流对环联回路感应产生大电流，使其对光伏系统环联回路设备产生发热与引燃性损坏。合理布线、避免出现大回路，以减小线路上的感应电压，是防止雷击感应损坏的有效措施。为进一步降低雷击感应损坏的机率，现行设计通常在直流电气两侧增加SPD模块作为释放雷电流、电压的装置，如图2所示。

图2　直流汇流箱与直流柜SPD保护防雷设计

3　光伏电站雷击失效案例

针对光伏电站直流侧，业内常会出现光伏组件接线盒烧毁、二极管击穿损坏现象。统计其失效特征，典型失效形式有：同光伏组串所有接线盒同时损坏、同光伏组串首尾端临近几块组件接线盒同时损坏、同光伏组串靠近人工接地极引下点处光伏组件接线盒损坏，如图3所示。

图3　光伏电站组件串接线盒失效分布案例

对上述3种典型失效样件做二极管解刨分析：芯片焊接良好，无划伤崩边缺陷，但芯片均有多个击穿点。根据晶体硅二极管pn结特性，要同时出现多点击穿特征，只有当第1个大能量冲击芯片表面使芯片击穿，同时温度骤升到1400 ℃以上，在芯片未能立刻冷却的基础上接至瞬态的第2、第3～第 N个冲击能量冲击芯片表面，方可出现多点击穿的失效特征。除雷击外的其他因素较难实现瞬态多冲击波导致多点失效，因瞬态时间太短，在第2个能量冲击到芯片表面时，芯片已降温到1400 ℃以下。其余外在破坏性能量只会产生芯片单点击穿失效现象，其余破坏性的第2、第3～第 N个冲击能量只能使第1次击穿孔扩大化，如图4所示。

图4　雷电击穿失效组件二极管解剖分析图

4　浪涌保护器（SPD）防雷有效性分析

根据光伏电站系统电压等级，在直流汇流箱与直流柜输出端侧均装设与之匹配的SPD，且SPD的残压等级应控制在合理的范围内，如图2所示。业界调研可知，现行屋顶分布式、山地林农式、滩涂池塘渔光式光伏电站在组串首尾输出端均未安装SPD模块。而电站实况是：同汇流箱下对应的不同组串分布面积广，组串引至汇流箱的1×4 mm²电缆长度远大于10 m，已超出SPD模块的释放雷电流、电压的保护范围。当雷击电压在该区域产生静电感应或电磁感应时，组件串至汇流箱端的闭环回路将感应产生大电流或高电压，从而使组件串接线盒二极管被击穿损坏，如图5所示。

图5　雷电感应使组件失效原理

为验证组件串至汇流箱侧在汇流箱端装设SPD防雷设计方案的有效性，参照测试标准，模拟光伏电站18串光伏组件串接线方案进行雷击冲击电流电压试验[4]。试验项如表1所示。

表1　光伏组件串冲击耐受电压试验计划表

4.1冲击耐受电压试验

验证光伏电站组件串至汇流箱直流端在不装设SPD、远端装设SPD、近端装设SPD等不同状态下，在组件串至汇流箱间1×4 mm2电缆上模拟因雷击电压在该区域产生静电感应或电磁感应时，该闭环回路上的感应电压或电流对该串组件串的破坏性及现行设计远端加装SPD浪涌模块的有效性。试验原理如图6、图7、图8所示。

图6　冲击耐受电压不装SPD模块试验原理

图7　冲击耐受电压远端装SPD模块试验原理

图8　冲击耐受电压近端装SPD模块试验原理

根据试验计划内容，参照相应测试标准对组件串在SPD不同安装状态下进行试验[5]，试验步骤及结果如表2所示。

从试验分析知，当光伏组件串至汇流箱间1×4 mm2电缆上受雷击电压静电感应或电磁感应时，仅当SPD模块装设在组件串正、负极输出端近端时方可对其起到雷击浪涌防护作用。如图2所示，现有业界仅在汇流箱与直流柜间装设SPD模块的设计方案，对汇流箱前端组件串不能起到更好的防护作用。为提高光伏电站直流侧电气防雷措施，降低电站光伏组件因雷击损坏的机率，建议在原有设计方案基础上，在组件串正、负极输出端近端增加SPD模块，以备完善现行设计方案，如图9所示。