浅谈“非主流”光伏技术(七):聊聊打雷

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我们都见过打雷,但是很少见过雷电直接造成的危害,特别是在城市里。主要是因为我们的建筑物都安装了防雷设备。雷电多发生于山区,土壤电阻率突变和潮湿阴冷的地方以及孤立高耸地物。这些地方往往也是我们可以放置光伏电站的地方。

在雷电发生时,不管是感应雷,还是直击雷,都会有可能对孤立的电站发生巨大的雷击现象。 对于并网的光伏电站,不仅会造成太阳能组件和逆变器造成毁坏,而且会造成电网整个系统的瘫痪。 太阳能组件和逆变器及其他电气设备的造价昂贵,在整个投资中,占有绝对大的比例。如果遭受雷击,带给光伏发电系统的不仅仅是经济的损失,更重要的关系到国民生计和国家安全的保证。 如果光伏组件遭到雷击,会造成该组组件发电功率降低,总发电量就会减少,经济效益就会下降。如果逆变器遭到雷击,也有可能损坏, 带来的后果是总投资额会增大,同时后期设备的维护费用也将使总投资额增加。最终造成光伏发电站的投资达到盈亏平衡点的时间延后和投资回收期的延长。所以在设计光伏电站时,必须注意防雷接地的合理性,做到减少最大损失,做到防患于未然。

1.雷击密度(雷击率)

文献《不同方法确定的雷击密度对防雷分类的影响》中国家住房与城乡建设部发布的 《建筑物防雷设计规范》(GB50057—2010)提供了参考公式

Ng=0.1Td

该公式中Td为气象数据中的雷暴日,比如一个地区的打雷天数为80天/年,

Ng=0.1*80=8次/Km2.这就叫雷击密度。雷击密度又有什么用呢?

1平方公里折算后约为1500亩,江浙地区按照30度倾角使用1640*992的组件,大约能建设65兆瓦左右的光伏电站(22亩/兆瓦)。组件的投影面积约占实际利用面积的50%计算。组件占地面积0.5平方公里。

A=实际占地面积+6H(L+W)+9πH2

A为受雷击面积,L、W为组件阵列的长和宽,H为海拔高度。

假设江浙某地雷雨天气为40天,雷击密度为4次/Km2。海拔高度为正负零,受雷击面积为0.5平方公里,则该光伏电站受雷击次数为2次每年。

如果该光伏电站建设在山区,海拔高度为100米时,

A=500000+6*100*1400+9*3.14*10000=1.6平方公里

则该光伏电站受雷击次数为6.4次每年。由此计算结果可知,山地高海拔地区被雷击的次数相对较大,在工程选址时需要仔细计算。

2.雷电形成和危害

夏季,自然界由于高温,水分的蒸腾作用加强,空气对流运动旺盛。温热的空气被强大的上升气流推到空中遇冷形成浓积云。雷雨云是所有类型云中最为活跃的一种,在厚厚的云层中存在着大量的正负电荷,正电荷和负电荷分离形成巨大的电偶极子,或多极子。云层中大量的正电荷位于云层的顶部,大量的负电荷位于云层的中下部,少量的正电荷在云层的底部。天上的积云上升受到地面上升的热气流不断的冲击,会发生电离而产生强大的电荷。某些云团带正电荷,某些云团带负电荷,它们使大地地面或建筑物表面产生异性电荷,当电荷积累到一定程度时,不同云团之间、或云与大地之间的电场强度可以击穿空气(E=25~30KV/cm),开始游离放电,称之为“先导放电”,云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的,当到达地面(或地面上的建筑物、架空输电线)时,便会产生由地面向云团的逆导主放电,在主放电阶段里,由于异性电荷的剧烈中和,会出现很大的电流,电流做功的结果,可使电流通过地方的气体瞬间温度升高到30000℃左右,从而呈现强烈的火光,这就是闪电,同时迅速加热的闪电通道各部分气体急剧膨胀,强烈压缩附近的大气层产生冲击波,冲击波退化时的声发射,这些声冲击波相互叠加,形成轰轰雷声,这就是雷电。打雷下雨时会和地面之间发生放电现象,与地面上的比较高的建筑物、户外通讯设施等接触,就可能产生电击,形成雷击。

一般情况下(80%—85%的情况),单次雷击不能将雷云电荷完全释放掉。一个雷闪通常包含多个(几个)雷击,而不是一个单一的雷单次雷击形成一个先导放电,在持续平均约60ms(一般为几毫秒到几百毫秒)的暂停后,另一个先导,即直窜先导,在同一通道连续(而不是逐级)传播,速度为1000—10000km/s。这种直窜先导没有分支,沿着第一支回击形成的通道反向传播,产生第二次回击,同样的过程一般会重复3—5次,在单个负极性雷闪中记录到26次回击。

2005年扬州仪征化纤公司遭雷击经济损失3000万元以上。2006年淄博恒台县博汇集团电厂变电站遭雷击,雷灾造成经济损失2070万元。对于光伏电站,雷击是必须重视的自然灾害影响。

3.雷击对光伏厂的影响以及预防

雷击有直击电、雷电感应和雷电波等三种入侵方式。直击电就是地面与带电云间产生的放电反应,其电压在瞬间可能达到上万伏。电流可达几十安培.破坏性相当强。因为其是被雷云瞬间释放,能量巨大。雷击很容易破坏室内安装的太阳电池。还会对周围的设备造成不同程度上的损坏,影响巨大。针对雷电对光伏电场区造成的巨大影响,一般采用等电位链接、隔离法和加装保护器等三种方法避免雷电可能会造成的危害。

在现阶段防雷措施中.最为有效也是最为广泛的方法就是把电气设备金属部件与大地相连。接地系统由四部分组成.即接地设备、接地体、引入线和大地。良好接地是防雷措施成功的重要基础。主要的接地方式有以下三种。

3.1 共体接地

接地体具体安装过程是在地上挖一个直径约30cm的洞.并且在洞底铺设一些食盐,再将接地体放人其中。使用PVC管罩住接地体,然后把接地体周围的空隙使用泥土进行填满并压实。最后在上面放上碎石子进行浇水加固。使用同样的方法将其他接地体接地。形成等腰三角形的布局,再使用35mmz的铜线连接。形成光伏电场内部的一个接地体。这种接地可以使光伏发电场所有的金属部件有效接地。这种方法还不需要埋设很多个接地体就可以解决接地问题。而且还有效地把电阻值控制在4n以内。光伏电场中所有设备的金属壳、避雷装置以及电池板的金属架、逆变器等众多设备都能直接连在同一个接地体上。在没有雷击现象发生时可以单纯作为接地保护和零线。一旦发生雷击时就可以当作防雷接地装置使用。

3.2 单体接地

一些区域内由于地理环境的影响。光伏电场内部的电杆经常会遭受到雷击。并且雷击的位置相对固定,不会发生移动。针对这些特殊的电杆,要单独安装避雷装置。埋设相应的接地体,就可以有效防止雷击现象的发生,接地体通常会使用长度约2m的镀锌角钢或扁钢。

3.3 组合接地

组合接地由多个接地体组成.通常以环形或方形放射状以及其他形式进行安装布局。接地体成环形布置时,要保证环线不能有开口,这是为了降低相互屏蔽作用。两个相邻接地体之间的实际具体不能小于3m。接地体的上端要使用镀锌的角钢加固,距离地面要小于1m。

3.4 防雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲没有直击雷强烈,但是发生概率却非常高,目前常采用的防护措施主要有等电位连接、屏蔽和加装电涌保护器。为了减小不同金属物之间的电位差和故障电压危害,太阳能电池板的四周铝合金边框和金属支架,控制器、汇流箱、逆变器的金属外壳,金属管(槽)线缆的金属屏蔽层及避雷带等应根据GB50057的规定采取良好的等电位连接措施。为减少电磁干扰,太阳能电池板的入户线路应以合适的路径敷设并做好线路屏蔽。线缆应选用有金属屏蔽层的电缆并穿金属管敷设。在防雷区界面处电缆金属屏蔽层及金属管(金属管应两端接地)应做等电位连接并接地。入户线路和防雷连接线需分开敷设,保持最小平行间距1m,最小交叉间距0.3m。为了防止雷击电磁脉冲产生的过电压及过电流经入户线路侵入损坏室内的光伏发电设备,对光伏发电系统的线缆应加装多级防浪涌保护装置进行防雷保护。首先,应该在太阳能电池方阵的直流输入线路安装直流避雷器,根据线路长度和工作电压选用标称放电电流≥10kA适配的SPD该浪涌保护器内部应包括差模滤波器,以帮助消除线路上传导的电磁干扰,在光伏电站的交流输出供电线路上安装交流避雷器。其次,由于控制器和逆变器均为价格昂贵的设备,应在控制器和逆变器内安装第2级的电源浪涌保护器,使其具有防雷保护功能。如果逆变器输出到一些较重要的负载设备,还应该在逆变器输出端安装第3级电源浪涌保护器。电源系统和电子系统安装多级SPD时还需考虑多级匹配问题。

4.结论

雷电会对建筑物及电气设备造成严重破坏。在独立光伏电站的防雷设计中。应当选择合理的设计方案,采取有效的措施.做好独立光伏电站的防雷设计。防止直击雷、感应雷、雷电波对独立光伏电站设备的破坏,这样才能保证独立光伏电站长期稳定、安全、可靠地运行,为用户提供优质的电能。

【1】高峰 光伏电站的防雷接地技术[期刊论文] - 商品与质量·建筑与发展 2014(8)

【2】李恺恺 简要探讨太阳能光伏电站的防雷接地设计[期刊论文] - 城市建设理论研究(电子版) 2014(7)

【3】傅智斌.汪洋.黄远.卢敏.Fu Zhibin.Wang Yang.Huang Yuan.Lu Min 不同方法确定的雷击密度对防雷分类的影响[期刊论文] - 气象与减灾研究 2013(1)

【4】丛义宏.谢鹏 光伏电场区域防雷接地技术[期刊论文] - 自动化应用 2015(10)

作者:张喆

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