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光伏运维交流分享:户用并网柜的防雷器多次起火,原因何在?
2018-12-07

例:山东一个10kW户用光伏电站,并网柜里面的防雷器多次烧毁。

经研究分析,原因可能是两方面:

1、防雷器质量不过关,没有到达相应的电压等级,组串式逆变器交流侧的防雷模块,L线对地的电压等级要超过光伏组件端的最高电压。

2、防雷器前要接一个熔断器或者断路器,这样即使防雷器击穿,也不会起火

3、防雷器的接地线一定要接好,接地线不少于4平方专用地线,接地体要做好,接地电阻小于10欧。


1、关于雷电及开关浪涌的有关知识

雷电是一种大气中的放电现象。在云雨形成的过程中,它的某些部分积聚起正电荷,另一部分积聚起负电荷,当这些电荷积聚到一定程度时,就会产生放电现象,形成雷电。

雷电分为直击雷和感应雷。直击雷是指直接落到光伏方阵、直流配电系统、电气设备及其配线等处,以及近旁周围的雷击。直击雷的侵入途径有两条:一条是上述所说的直接对光伏方阵等放电,使大部分高能雷电流被引入到建筑物或设备、线路上;另一条是雷电直接通过避雷针等可以直接传输雷电流入地的装置放电,使得地电位瞬时升高,一大部分雷电流通过保护接地线反串入设备、线路上。

感应雷是指在相关建筑物、设备和线路的附近及更远些的地方产生的雷击,引起相关建筑物、设备和线路的过电压,这个浪涌过电压通过静电感应或电磁感应的形式串入到相关电子设备和线路上,对设备、线路造成危害。

除了雷电能够产生浪涌电压和电流外,在大功率电路的闭合与断开的瞬间、感性负载和容性负载的接通或断开的瞬间、大型用电系统或变压器等断开也都会产生较大的开关浪涌电压和电流,同样会对相关设备、线路等造成危害。

对于较大型的或安装在空旷田野、高山上的光伏发电系统,特别是雷电多发地区,必须配备防雷接地装置。


2、雷电侵入光伏发电系统的途径

(1)地电位反击电压通过接地体入侵。雷电击中避雷针时,在避雷针接地体附近将产生放射状的电位分布,对靠近它的电子设备接地体地电位反击,入侵电压可高达数万伏。

(2)由太阳电池方阵的直流输入线路入侵。这种入侵分为以下两种情况。

①当太阳电池方阵遭到直击雷打击时,强雷电电压将邻近土壤击穿或直流输入线路电缆外皮击穿,使雷电脉冲侵入光伏系统。

②带电荷的云对地面放电时,整个光伏方阵像一个大型无数环形天线一样感应出上千伏的过电压,通过直流输入线路引入,击坏与线路相连的光伏系统设备。

(3)由光伏系统的输出供电线路入侵。供电设备及供电线路遭受雷击时,在电源线上出现的雷电过电压平均可达上万伏,并且输出线还是引入远处感应雷电的主要因素。雷电脉冲沿电源线侵入光伏微电子设备及系统,可对系统设备造成毁灭性的打击。


3、太阳能光伏发电系统的防雷措施和设计要求

(1)太阳能光伏发电系统或发电站建设地址的选择,要尽量避免放置在容易遭受雷击的位置和场合。

(2)尽量避免避雷针的投影落在太阳电池方阵组件上。

(3)根据现场状况,可采用避雷针、避雷带和避雷网等不同防护措施对直击雷进行防护,减小雷击概率,并应尽量采用多根均匀布置的引下线将雷击电流引入地下。多根引下线的分流作用可降低引下线的引线压降,减少侧击的危险,并使引下线泄流产生的磁场强度减小。

(4)为防止雷电感应,要将整个光伏发电系统的所有金属物,包括电池组件外框、设备、机箱/机柜外壳、金属线管等与联合接地体等电位连接,并且做到各自独立接地。光伏发电系统等电位连接。

(5)在系统回路上逐级加装防雷器件,实行多级保护,使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。一般在光伏发电系统直流线路部分采用直流电源避雷器,在逆变后的交流线路部分使用交流电源避雷器。避雷器在太阳能光伏发电系统中的应用。

(6)光伏发电系统的接地类型和要求主要包括以下几个方面。

①防雷接地。包括避雷针(带)、引下线、接地体等,要求接地电阻小于10欧姆,并最好考虑单独设置接地体。

②安全保护接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏电池组件外框、支架,控制器、逆变器、配电柜外壳,蓄电池支架、金属穿线管外皮及蓄电池、逆变器的中性点等,要求接地电阻小于等于4欧姆。

③当安全保护接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地4种接地共用一组接地装置时,其接地电阻按其中最小值确定;若防雷已单独设置接地装置时,其余3种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻不应大于其中最小值。

④条件许可时,防雷接地系统应尽量单独设置,不与其他接地系统共用,并保证防雷接地系统的接地体与公用接地体在地下的距离保持在3m以上。


4、避雷器的选型

避雷器也叫电涌保护器(Surge Protection Device,SPD)。随着防雷技术的发展、光伏系统直流电源的特有性质,光伏SPD主要分三类:普通型、带直流灭弧技术型、免后备熔丝型。普通型:额定短路电流Iscpv一般为300A,内部脱离器脱离时产生的电弧不会造成设备的安全危;带直流灭弧技术型:额定短路电流Iscpv可以做到1000A,内部脱离其脱离时产生的电弧会造成设备的安全危险,要求能有直流灭弧装置,行业内有电子式灭弧、机械式灭弧等方式,电子式灭弧以SCI技术为代表性,机械式灭弧比SCI技术少了开关切换过程,降低了故障率,确保灭弧的成功率;免后备熔丝型:SPD在使用时需要安装过电流装置(熔断器、断路器等),其作用是当SPD不能切断工频短路电流时,可以避免SPD过热和损坏。


下面是光伏发电系统常用避雷器主要技术参数的具体说明。

(1)最大持续工作电压(uc):该电压值表示可允许加在避雷器两端的最大工频交流电压有效值。在这个电压下,避雷器必须能够正常工作,不可出现故障。同时,该电压连续加载在避雷器上,不会改变避雷器的工作特性。

(2)额定电压(un):避雷器正常工作下的电压。这个电压可以用直流电压表示,也可以用正弦交流电压的有效值来表示。

(3)最大冲击通流量(umax):避雷器在不发生实质性破坏的前提下,每线或单模块对地通过规定次数、规定波形的最大限度的电流峰值数。最大冲击通流量一般大于额定放电电流的2.5倍。

(4)额定放电电流(in):也叫标称放电电流,是指避雷器所能承受的8/20μs雷电流波形的电流峰值。

(5)脉冲冲击电流(iimp):在模拟自然界直接雷击的波形电流(标准的10/350μs雷电流模拟波形)下,避雷器能承受的雷电流的多次冲击而不发生损坏的数值。

(6)残压(ures):雷电放电电流通过避雷器时,其端子间呈现出的电压值。

(7)额定频率(fn):避雷器的正常工作频率。


在避雷器的具体选型时,除了各项技术参数要符合设计要求外,还要特别考虑下列几个参数和功能的选择。

(1)最大持续工作电压(uc)的选择。

氧化锌压敏电阻避雷器的最大持续工作电压值(uc)是关系到避雷器运行稳定性的关键参数。在选择避雷器的最大持续工作电压值时,除了符合相关标准要求外,还应考虑到安装电网可能出现的正常波动及可能出现的最高持续故障电压。例如,在三相交流电源系统中,相线对地线的最高持续故障电压有可能达到额定交流工作电压220v的1.5倍,即有可能达到330v。因此在电流不稳定的地方,建议选择电源避雷器的最大持续工作电压值大于330v的模块。


在直流电源系统中,最大持续工作电压与正常工作电压的比例,根据经验一般取1.5~2。

(2)残压(ures)的选择。

在确定选择避雷器的残压时,单纯考虑残压值越低越好并不全面,并且容易引起误导。首先不同产品标注的残压数值,必须注明测试电流的大小和波形,才能有一个共同比较的基础。一般都是以20ka(8/20μs)的测试电流条件下记录的残压值作为避雷器的标注值,并进行比较。其次对于压敏电阻避雷器选用残压越低时,将意味着最大持续工作电压也越低。因此,过分强调低残压,需要付出降低最大持续工作电压的代价,其后果是在电压不稳定地区,避雷器容易因长时间持续过电压而频繁损坏。

在压敏电阻型避雷器中,选择最合适的最大持续工作电压值和最合适的残压值,就如同天平的两侧,不可倾向任何一边。根据经验,残压在2kv以下(20ka、8/20μs),就能对用户设备提供足够的保护。

(3)报警功能的选择。


为了监测避雷器的运行状态,当避雷器出现损坏时,能够通知用户及时更换损坏的避雷器模块。避雷器一般都附带各种方式的损坏指示和报警功能,以适应不同环境的不同要求。

①窗口色块指示功能:该功能适合有人值守且天天巡查的场所。所谓窗口色块指示功能就是在每组避雷器上都有一个指示窗口,避雷器正常时,该窗口是绿色;当避雷器损坏时,该窗口变为红色,提示用户及时更换。

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