日前，微信圈一則“山西戶用光伏電站逆變器著火”，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(dǎo)致內(nèi)部器件自燃而引起火災(zāi)。后來(lái)經(jīng)過(guò)調(diào)查，這是一條假消息，是有一些無(wú)良媒體嘩眾取寵為了擴(kuò)大影響而報(bào)道的，實(shí)際上引起火災(zāi)的直接原因是“球形雷”，和光伏系統(tǒng)沒(méi)有直接關(guān)系。

　　

　　但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)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(dǎo)體，對(duì)雷電有相當(dāng)大的吸引力，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與相關(guān)電氣設(shè)備及建筑物有著直接的連接，因此對(duì)光伏系統(tǒng)的雷擊還會(huì)涉及相關(guān)的設(shè)備和建筑物及用電負(fù)載等。為了避免雷擊對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設(shè)置防雷與接地系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

　　

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

　　

　　雷電是一種大氣中的放電現(xiàn)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(fù)電荷，當(dāng)這些電荷積聚到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成雷電。
 

 

　　

　　雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統(tǒng)、電氣設(shè)備及其配線等處，以及近旁周圍的雷擊。直擊雷的侵入途徑有兩條：一條是上述所說(shuō)的直接對(duì)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(shè)備、線路上；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(hù)接地線反串入設(shè)備、線路上。

　　

　　感應(yīng)雷是指在相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的附近及更遠(yuǎn)些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的過(guò)電壓，這個(gè)浪涌過(guò)電壓通過(guò)靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)的形式串入到相關(guān)電子設(shè)備和線路上，對(duì)設(shè)備、線路造成危害。

　　

　　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的瞬間、感性負(fù)載和容性負(fù)載的接通或斷開的瞬間、大型用電系統(tǒng)或變壓器等斷開也都會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)浪涌電壓和電流，同樣會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備、線路等造成危害。

　　

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

　　

　　2.雷擊對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的危害

　　

　　(1)對(duì)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(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。但其所在位置極易遭受具有強(qiáng)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(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

　　

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

　　

　?、俪潆娤到y(tǒng)一直充電，放電系統(tǒng)無(wú)放電，導(dǎo)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(dǎo)致蓄電池爆炸，造成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的損壞和人員傷亡。

　　

　　②充電系統(tǒng)無(wú)充電，放電系統(tǒng)一直處于放電狀態(tài)，蓄電池?zé)o法將電能儲(chǔ)存起來(lái)，導(dǎo)致用戶在有太陽(yáng)光時(shí)設(shè)備可正常工作，無(wú)太陽(yáng)光或光線不強(qiáng)時(shí)設(shè)備無(wú)法工作。

　　

　　(3)對(duì)蓄電池的危害。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用鉛酸蓄電池，小微型系統(tǒng)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(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)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(dǎo)致電池爆炸，引起嚴(yán)重的系統(tǒng)故障和人員傷亡。

　　

　　(4)對(duì)逆變器的危害。太陽(yáng)能的直接輸出電壓要轉(zhuǎn)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(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)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(xiàn)以下情況。

　　

　?、儆脩糌?fù)載無(wú)電壓輸入，用電設(shè)備無(wú)法工作。

　　

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

　　

　　3、雷電侵入光伏發(fā)電系統(tǒng)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(duì)靠近它的電子設(shè)備接地體地電位反擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。

　　

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

　　

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

　　

　?、趲щ姾傻脑茖?duì)地面放電時(shí)，整個(gè)光伏方陣像一個(gè)大型無(wú)數(shù)環(huán)形天線一樣感應(yīng)出上千伏的過(guò)電壓，通過(guò)直流輸入線路引入，擊壞與線路相連的光伏系統(tǒng)設(shè)備。

　　

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

　　

　　4、光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷措施和設(shè)計(jì)要求

 

　　

　　(1)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)或發(fā)電站建設(shè)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，可采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等不同防護(hù)措施對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)，減小雷擊概率，并應(yīng)盡量采用多根均勻布置的引下線將雷擊電流引入地下。多根引下線的分流作用可降低引下線的引線壓降，減少側(cè)擊的危險(xiǎn)，并使引下線泄流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。

　　

　　(4)為防止雷電感應(yīng)，要將整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬物，包括電池組件外框、設(shè)備、機(jī)箱/機(jī)柜外殼、金屬線管等與聯(lián)合接地體等電位連接，并且做到各自獨(dú)立接地。光伏發(fā)電系統(tǒng)等電位連接。

　　

　　(5)在系統(tǒng)回路上逐級(jí)加裝防雷器件，實(shí)行多級(jí)保護(hù)，使雷擊或開關(guān)浪涌電流經(jīng)過(guò)多級(jí)防雷器件泄流。一般在光伏發(fā)電系統(tǒng)直流線路部分采用直流電源避雷器，在逆變后的交流線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(tǒng)中的應(yīng)用。

　　

　　(6)光伏發(fā)電系統(tǒng)的接地類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、接地體等，要求接地電阻小于10歐姆，并最好考慮單獨(dú)設(shè)置接地體。

　　

　　②安全保護(hù)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?dāng)安全保護(hù)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(dú)設(shè)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(yīng)大于其中最小值。

　　

　?、軛l件許可時(shí)，防雷接地系統(tǒng)應(yīng)盡量單獨(dú)設(shè)置，不與其他接地系統(tǒng)共用，并保證防雷接地系統(tǒng)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(tǒng)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(hù)物的高度應(yīng)大于等于避雷針到被保護(hù)物的水平距離，避雷針越高保護(hù)范圍越大。

　　

　　(2)接地體。

　　

　　接地體宜采用熱鍍鋅鋼材，其規(guī)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(zhǎng)度一般為1.5～2.5m。接地體的埋設(shè)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(dǎo)電性、穩(wěn)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(dāng)土壤中有機(jī)物質(zhì)過(guò)多時(shí)，容易形成金屬體表面被油墨包裹的現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)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(qiáng)吸濕保濕能力，使其周圍附近的土壤電阻率降低，介電常數(shù)增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強(qiáng)，因而能獲得較小的接地電阻和較長(zhǎng)的使用壽命。接地體模塊外形為方形，規(guī)格尺寸一般為500mm×400mm×60mm，引線電極采用90mm×40mm×4mm的鍍鋅扁鋼，重量為20kg左右。接地體可根據(jù)地質(zhì)土壤狀況和接地電阻需要埋入1～5塊。

　　

　　(3)引下線。

　　

　　引下線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(yīng)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。

　　

　　(4)專用降阻劑。

　　

　　接地系統(tǒng)專用降阻劑屬于物理性長(zhǎng)效防腐環(huán)保降阻劑，是由高分子吸水材料、電子導(dǎo)電材料、碳基復(fù)合材料結(jié)合而成的樹脂類共生物，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(guó)家優(yōu)質(zhì)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求。其導(dǎo)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(duì)土壤電阻率有長(zhǎng)期改良作用。在接地系統(tǒng)中使用專用降阻劑可節(jié)約工程成本，降低土壤電阻率，使接地電阻穩(wěn)定，接地系統(tǒng)壽命長(zhǎng)久。

　　

　　(5)接地模塊與降阻劑的用量計(jì)算。

　　

　　根據(jù)地網(wǎng)土層的土壤電阻率，采用下列公式計(jì)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(zhǎng)、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(shù)；η為模塊調(diào)整系數(shù)，一般取0.6～0.9。

　　

　　降阻劑的用量根據(jù)土壤的不同，在接地體上的敷設(shè)厚度應(yīng)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(hù)器(surgeprotectiondevice，spd)。光伏發(fā)電系統(tǒng)常用避雷器的外形。避雷器內(nèi)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(jù)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(tǒng)常用避雷器主要技術(shù)參數(shù)的具體說(shuō)明。

　　

　　(1)最大持續(xù)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(xiàn)故障。同時(shí)，該電壓連續(xù)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，每線或單模塊對(duì)地通過(guò)規(guī)定次數(shù)、規(guī)定波形的最大限度的電流峰值數(shù)。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(biāo)稱放電電流，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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(xiàn)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(xiàng)技術(shù)參數(shù)要符合設(shè)計(jì)要求外，還要特別考慮下列幾個(gè)參數(shù)和功能的選擇。

　　

　　(1)最大持續(xù)工作電壓(uc)的選擇。

　　

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

　　

　　在直流電源系統(tǒng)中，最大持續(xù)工作電壓與正常工作電壓的比例，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)。首先不同產(chǎn)品標(biāo)注的殘壓數(shù)值，必須注明測(cè)試電流的大小和波形，才能有一個(gè)共同比較的基礎(chǔ)。一般都是以20ka(8/20μs)的測(cè)試電流條件下記錄的殘壓值作為避雷器的標(biāo)注值，并進(jìn)行比較。其次對(duì)于壓敏電阻避雷器選用殘壓越低時(shí)，將意味著最大持續(xù)工作電壓也越低。因此，過(guò)分強(qiáng)調(diào)低殘壓，需要付出降低最大持續(xù)工作電壓的代價(jià)，其后果是在電壓不穩(wěn)定地區(qū)，避雷器容易因長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)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(xù)工作電壓值和最合適的殘壓值，就如同天平的兩側(cè)，不可傾向任何一邊。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，殘壓在2kv以下(20ka、8/20μs)，就能對(duì)用戶設(shè)備提供足夠的保護(hù)。

　　

　　(3)報(bào)警功能的選擇。

　　

　　為了監(jiān)測(cè)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)避雷器出現(xiàn)損壞時(shí)，能夠通知用戶及時(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(bào)警功能，以適應(yīng)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(dāng)避雷器損壞時(shí)，該窗口變?yōu)榧t色，提示用戶及時(shí)更換。

　　

　?、诼暪庑盘?hào)報(bào)警功能：該功能適合在有人值守的環(huán)境中使用。聲光信號(hào)報(bào)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(hào)顯示狀態(tài)的。裝有聲光報(bào)警裝置的避雷器始終處于自檢測(cè)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(bào)警聲，監(jiān)控模塊上的狀態(tài)顯示燈由綠色變?yōu)殚W爍的紅色。當(dāng)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(bào)警聲音關(guān)閉。

　　

　?、圻b信報(bào)警功能：遙信報(bào)警裝置主要用于對(duì)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(jiān)控。帶遙信功能的避雷器都裝有一個(gè)監(jiān)控模塊，持續(xù)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(xiàn)故障，機(jī)械裝置將向監(jiān)控模塊發(fā)出指令，使監(jiān)控模塊內(nèi)的常開和常閉觸點(diǎn)分別轉(zhuǎn)換為常閉和常開，并將此故障開關(guān)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程有相應(yīng)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(jiān)控報(bào)警功能：遙信及電壓監(jiān)控報(bào)警裝置除了具有上述功能外，還能在避雷器運(yùn)行中對(duì)加在避雷器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)有任意的電源電壓下降或避雷器后備保護(hù)斷路器(或熔斷器)動(dòng)作以及避雷器模塊損壞時(shí)，遠(yuǎn)距離信號(hào)系統(tǒng)均會(huì)立即記錄并報(bào)告。該裝置主要用于三相電源供電系統(tǒng)。