光伏太阳能拉晶车间电气设计注意事项

曾为军

摘要：随着近年来行业的高速发展、国家对电力资源的需求越来越大，在用电高峰期甚至出现需要拉闸限电以保证重要设施用的的措施，最近国家大力提倡降低碳排放、大力发展绿色无污染的新能源产业。光伏新能源行业得益于这一政策以及市场的大力需求，又恰逢光伏行业引来多晶向单晶转型以及提倡大尺寸硅片这一系列的变革，光伏新能源行业目前正处于蓬勃向上发展的高峰期。在光伏新能源的拉晶、切片、电池片以及组件这四个环节中，拉晶车间晶棒的生产是能耗最大而且用电负荷等级要求最高的一个环节。下面我就光伏太阳能拉晶车间的电气设计需要注意的事项做一些设计经验分享。

关键词：光伏太阳能 ;电气设计

光伏太阳能行业中拉晶这一工序环节，其主要工序其实原理很简单，就是用大电流加热硅料，将硅原料经过拉晶炉电加热，期间经过化料、稳温、引晶、放肩、等径等一系列的工序转化为一根晶棒的一个过程。其中需要注意的事项主要包括：负荷的等级定位、有源滤波的设置以及PCWP水泵的安全设置。以下就这几项需要注意的事项做简单的描述：

一、负荷等级的定位：

由于拉晶炉每一台设备可以装料多大数百公斤，按目前市场上硅料的市价17～20万/吨来核算，加上单晶炉的加热坩埚，每台单晶炉的材料成本就有十来万。按每个拉晶车间数百台拉晶炉来核算。如果发生停电事故每次的损失高达数千万。按规范《供配电系统设计规范》

GB 50052-2009第3.0.1.3条的要求：“中断供电将在经济上造成较大损失的”应视为二级负荷。拉晶车间整个的生产工艺应定义为二级负荷。在整个用电负荷的高压电源的源端应按二级负荷考虑，当一路总电源故障或检修时另一路高压总电源应能满足所有的二级及以上负荷的需求。除此外还有PCWP、厂务监控、消防用电等亦为二级负荷。

二、有源滤波的设置：

在拉晶生产项目中对有源滤波的需求量非常大，以无锡上机1600型的拉晶炉为例，拉晶炉与配套的真空泵装机总功率约为285kW。该拉晶炉自带控制柜，控制柜的进线电源电压为AC380V，50HZ。而其出线电压为DC48V。其出线电流高达数千安培。因为每台单晶炉自带的控制柜内有一台大功率的AC380V/DC48V的整流器。由于整个生产过程中使用了数量较多且功率较大的电子整流器设备，对应的生产中会产生大量的谐波。为保证入网谐波含量满足规范的要求，拉晶车间需要设置大量的有源滤波装置以减少谐波含量。

有源滤波的设置一般有直接设置在现场控制柜和在变电站低压柜集中设置两种方式。现场控制柜单独设置有源滤波柜以云南保山隆基为代表。云南保山隆基一期每台拉晶炉（1400炉型）设置有100A的有源滤波装置。其工艺供电配置是20台单晶炉一台2500kVA的变压器，但是对比后发现，这种做法对有源滤波的投入量太大，造价高。其唯一的优势只有节省了变电站的空间。后来其他的项目大都采用变电站低压侧集中设置有源滤波的方式来降低谐波含量。这种做法可以大大的减少有源滤波的投入量，以降低这方面的投资成本。

为满足变配电系统对谐波的治理需求，各光伏行业拉晶生产企业对有源滤波的设置量也不尽相同，不仅仅是因为各生产厂家不同的单晶炉产生的谐波含量不一样，更因为各生产厂家对谐波治理要求不一样。从安全用电的角度来说谐波含量高，低压柜以及配电箱内零排电流较大，很容易造成零排活零线绝过热造成绝缘层老化或者融化而造成短路以及火灾的风险。但是从初投资的角度来说，有源滤波投入过量会造成初投资的增加。所以每家光伏企业对有源滤波的投入都有自己的考量，以隆基为例，其对变电站低压侧有源滤波的设置比例一般为每1000kVA设置200A～300A有源滤波。而晶澳对这一块的要求则更高，其要求每1000kVA设置300A～400A有源滤波，更有甚者晶澳邢台基地要求2500kVA的变压器设置1200A的有源滤波。目前来说更多的拉晶项目在往EPC工程方面靠拢，各业主对这方面的要求更多的是在高压并网端对谐波含量的要求，为了既要满足业主的要求也要合理的控制有源滤波方面的资金投入，建议在设计阶段考虑有源滤波柜的扩容空间预留。常规的来说，每台有源滤波柜的容量空间为400-500A。即，每台滤波柜可放置4-5个100A模块的有源滤波装置。建议每台拉晶炉变压器设置2台有源滤波柜，但是每台滤波柜在设计及订货时要注意预留模块扩容的空间，除此之外建议在低压柜末端预留增加滤波柜的扩容空间，以便于谐波含量不达标时增加滤波装置。

除此比较特殊的是，因为拉晶炉为纯电热型的设备，其功率因素可以视为接近于1，其配套的真空泵功率因素约为0.85，因真空泵功率非常小，在整个工艺设备的配电系统可以忽略不计。在拉晶炉变压器低压侧是不需要设置无功补偿的，仅设置有源滤波即可。

三、PCWP水泵的安全设置：

在拉晶炉化料期间，其用电是峰值阶段，拉晶炉满负荷运行，炉腔加热坩埚内的温度高达1420摄氏度。为防止温度过高对拉晶炉外壳材料造成损坏，工艺冷却水的外部降温尤为重要，工艺冷却水降温不及时很容易产生爆炸，对人员生命及财产造成较大损伤。因为不是所有的拉晶炉都处于化料的阶段，所以每台单晶炉对工艺冷却水的需求都是实时在变化的，所有的PCWP水泵都是根据工艺需求采用变频控制。根据实际需求来调节。

PCWP水泵的运行为整个项目的重中之重，为保障工艺冷却水系统运行的安全可靠性，PCWP水泵必须要设置双电源。一般每组PCWP水泵都设置有备用水泵，当常用水泵运行故障时可以启动备用泵。在一些极端情况下出现电压暂降或电柜出线回路故障时也可能造成工艺冷却水压力不足而造成降温不及时。为避免这一些极端情况下的事情发生，工艺冷却水泵电柜需要设置抗晃电功能。同时为避免出现电压不稳或全厂停电的事故发生，每组PCWP水泵需要设置一台配套的柴油泵，柴油泵的气泵信号取自相应的工艺冷却水系统的压力信号，当出现压力不够的时候柴油泵自启动，以此达到四重保险。

四、其他需要注意的事项：

以上为拉晶车间设计的几个最重要的事项，此外还要注意的是，拉晶车间二层高高达13米，常规的感烟以及感温探测器已经不适用于这样的高度，这些区域需要设置线性光束感烟火灾探测器。

除此外，为考虑到拉晶炉的抗微震问题，拉晶车间多采用独立基础。拉晶炉的设备接地较为复杂，将拉晶炉的设备接地做成以下接地示意图：

建议拉晶炉的接地干线做成环形重复接地，避免施工过程中有机械破坏造成接地干線断开而影响整个接地效果。