光伏发电场的防雷与接地未正式出版概要Word文档格式.docx
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我国目前在全国范围内实施的《建筑物防雷设计规范》GB50057所依据的基础也就是富兰克林防雷体系。
由于人类对防雷电危害的技术研究的进一步深入,本世纪初,国内、外新出现了一种“等离子避雷球”的新的防雷方法。
它是基于使雷电在目标上感应电荷消失或失效,从而雷电与保护目标间不可能产生电击穿,使目标不遭直接雷击而得到保护,其基本原理就是绝缘避雷。
二、光伏发电场的特点
目前全世界范围内出现的利用太阳能的光伏发电,就是一种取之不尽、用之不竭、符合可持续发展的洁净的绿色能源。
光伏发电场不同于传统的火力发电厂,它没有高大的锅炉和厂房,它都是敞开地布置于户外,分为地面布置型和建筑物屋面布置型。
既可并网运行,亦可孤网运行。
地面光伏发电场是安装在荒山坡、沙漠等野外开阔地方,屋面光伏电发电场是安装布置于建筑物的屋顶或朝阳的墙面上。
由于安装在户外,易遭雷击。
为确保光伏发电设备和人的生命安全,则必须对光伏发电场采取防雷措施进行防雷。
三、光伏发电场的防雷
1、屋面光伏发电场防直击雷
屋面光伏发电场的光伏组件是安装在建筑物的屋顶和朝阳无阴影遮挡的墙面,它的防直击雷除应充分利用建筑物的自身原有的防雷系统外,尚应结合新增屋面光伏组件的特点,采取和地面光伏发电场防直击雷一样措施,将固定倾角安装的和跟踪式安装的光伏组件金属边框作防直击雷接闪器,以光伏组件金属支架作防雷引下线,与加固屋面的安装光伏组件的槽钢或工字钢基础支架焊接,每一基础钢梁不少于两点,并与所在的建筑物屋面的避雷带(网)等防雷设施相连,利用原有防雷引下线接地,并按其建筑物所属防雷类别,依据规范要求,增设其加固基础钢梁上的均压带,实现对直击雷的防范。
光伏幕墙的防雷只要依据建筑物防侧击雷措施防雷,即可满足要求。
具体作法是,利用建筑物框架柱内主钢筋作引下线,与各层圈梁内主筋相焊接,并与光伏玻璃幕墙的安装金属框架焊接,形成法拉第笼。
光伏玻璃幕墙则“嵌入”在法拉第笼上而达到防直击的保护。
其建筑物高度超过45m时,采取防侧击雷的措施和根据楼层的高度,每隔6m或12m作均压环等电位的保护联接。
并将45m及以上的外墙上的栏杆、门窗等金属物与防雷装置引下线连接。
2、地面光伏发电场的防雷
地面光伏发电场的光伏组件,有固定倾角支架安装式型,跟踪式安装型和聚光组件安装型。
均为落地式安装在户外地面上,除高倍聚光组件外,一般设备高度在5米以下。
但占地面积大,长、宽均在几百米以上。
1)使用“等离子避雷球”方法防直击雷;
本方法防雷是基于绝缘避雷原理,不是引雷入地。
优点是不需要装设接闪器、引下线和接地装置。
仅在光伏发电场地面适当位置,安装一套“等离子避雷球”装置,装置内附有自动检测雷暴的功能。
平时处于休闲状态,当雷雨来临,检测到雷暴时,才自动投入。
缺点是等离子避雷球必须有两套高电压产生等离子的装置。
要达到消除电击所需的等离子气层内离子的浓度要求值,则需耗功达几千千瓦,需要运行管理,维护费用高和一次性投资大,同时装置高电压也存在使用安全问题。
一般光伏发电场为无人值守式或少人值班式,故不适宜在光伏地面发电场防直击雷中使用。
2)使用富兰克林引雷入地的方法防直击雷;
此方法依据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620标准和参照《建筑物防雷设计规范》GB50057规范的要求,装设防雷接闪器、引下线和接地装置以实现防直击雷。
这种方法的关键是采用何种接闪器。
根据地面光伏电场的特点,地面光伏发电场建筑和设备的防雷,参照《建筑物防雷设计规范》要求,结合《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》对雷电过电压的保护措施,通常可采用独立避雷针、避雷带和避雷线作为防雷接闪器。
由于独立避雷针和避雷线这类防雷接闪器会造成对光伏组件遮挡阴影。
我国地处北半球,在冬季其物体阴影与物体的高度关系可用下面公式推算;
太阳高度角的公式:
sin=sinsin+coscoscos
(1)
太阳方位角的公式:
sinβ=cossin/cos
(2)
式中:
为当地纬度为;
为太阳赤纬,冬至日的太阳赤纬为-23.5°
;
为时角,上午9:
00的时角为-45°
。
D=cosβ×
L,L=H/tan,=arcsin(sinsin+coscoscos)(3)
即:
(4)
D就是高度为H的避雷针在地面阴影的有效长度。
冬天上午9:
00时至下午3时,光伏发电的黄金时刻,D一般为H的2~3倍,超过了H高的避雷针对地面物体1.5H保护范围值6。
阴影影响光伏组件发电功率甚至损坏光伏组件,故不能在光伏发电场的东、南、西边附近和场中间部分装置独立避雷针和避雷线接闪器,只能在不会对光伏组件造成阴影的场地北面,装设独立避雷针接闪器。
根据滚雷法确定单根避雷针的保护范围,可参照第三类防雷采用滚球半径hr为60m高,按计算公式:
rx=
(5)
其中rx——光伏组件最高处平面上的保护半径
h——避雷针的高度,取60m
hr——滚球半径,取60m
hx——光伏发电场中的光伏组件最高件的高度,取5m
经计算rx=
=60
24=36m,
所以60m高的单根避雷针在5m高的平面上保护范围半径仅为36m。
当在场区北面沿场边装设多根避雷针,也保护不了整个光伏发电场内建筑物和设备,即使再增加避雷针的高度。
但高度超过60m后,避雷针的保护范围并不与避雷针的高度成正比的增加。
当避雷针高度大于或等于150m以后,其防雷保护范围将与避雷针的高度无关。
仅靠在场区北面沿场边装设多根避雷针也不能保护光伏发电场的全部,而装设多根60~150m的独立避雷针也是不现实的。
故不宜在光伏发电场光伏组件区内和东、南、西三面边缘采用装独立避雷针和避雷线作接闪器来防直击雷。
3)利用光伏组件的金属边框作接闪器进行防直击雷;
以光伏组件的金属边框作接闪器、金属支架作引下线和接地装置相接,以实现防直击雷。
因地面光伏发电场的光伏组件总的高度除大型聚光型光伏组件外,其他均在距地面2.5m至5m之间。
光伏发电场内的光伏组件遭受雷击与设备和建筑物的高度有关,根据有关国内、外资料统计表明一个规律:
建筑物和物体遭雷击的频率或次数,是与建筑物和物体的高度H的平方成正比。
可按经验公式N≈3×
10-5H2进行简单估值1,算出年落雷次数。
光伏组件在地面安装高度,如按5m计算,N约为万分之七点五。
所以,地面光伏发电场内的建筑物和设备遭受雷击的几率和次数都是很低的。
根据雷闪电先导击物的规律1,2,凡是空气中导电微离粒子较多,地面有高耸物,土壤的电阻率较小的地带易遭雷击。
雷电流总是选取最易导电的路径,高耸物的顶端、棱角外电场强度最大,附近气体离子增多,最易击穿导电而产生闪电。
因此,宽阔的光伏发电场中,如遭雷击时,首先必定是光伏组件的金属边框的棱角。
国标GB50057中的“屋顶上永久性金属物宜作为接闪器”的规定,光伏发电场中的光伏组件金属边框也同样可以作为防直击雷的接闪器。
在雷雨时,光伏组件处于断开不工作状态,光伏组件边框一旦被雷击中,则整个光伏组件就处于同一电位下,光伏组件边框与光伏电池元件间不存在电位差。
光伏组件电位的高低将由雷电流幅值和接地电阻决定。
根据国内有关文献资料记载,雷电流的幅值累计概率曲线显示2,3,在我国境内,可按下面公式计算出雷电流的幅值:
LogP=―(Li/88),(6)
公式中;
Li——雷电流的幅值,
P——概率值,
计算得出雷电流的幅值30kA的概率为45.6%,40kA的概率为35.1%,大于50kA的不足27.0%,100kA及以上幅值的仅有7.3%的概率。
当年雷暴日少于20的我国西北地区(除陕南地区外),可按下面公式;
LogP=―(Li/44),(7)
计算得出雷电流的幅值30kA的概率为20.8%,40kA的概率为12.33%,大于50kA的不足7.305%,100kA及以上幅值的仅有0.53%的概率。
电力系统行业的过电压保护规程中,110kV及以下的架空线防雷过电压的雷电流幅值就是取为100kA。
光伏发电场地面设备,一般距地面的高度比110kV及以下的架空线低,所以地面光伏发电场所落雷的雷电流幅值,一般也可取为50~100kA来进行防雷保护与计算。
雷电流一次闪击半值时间约为0.35毫秒,一次总的持续的时间从0.5毫秒~3毫秒,一次闪击的总电荷,对于第三类防雷建筑物为150AS,根椐相关公式计算,只要光伏组的金属铝合金边框,厚度不小于1mm,截面不小于50mm2,就能满足50~100kA的雷电流的冲击和热稳定要求,不会损毁。
经过国内目前几个光伏组件生产厂家的调查和已投产的光伏发电场运行情况,尚未发现光伏组件遭受直击雷击而毁坏的。
所以,光伏地面发电场无论固定倾角支架安装式、跟踪式或聚光型安装式光伏组件采用光伏组件的金属边框作防直击雷的接闪器、其金属支架作引下线防雷接地是可行的。
光伏地面发电场内主控制楼、逆变器—升压变小室和其他辅助建筑,参照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620中相关防雷措施防雷,在各建筑物上装设避雷带(网)作为防直击雷。
光伏地面发电场内的35~110kV升压站的防雷按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620规定的防雷措施防雷。
3、光伏发电场的防感应雷和入侵雷电磁波
无论地面或屋面光伏发电场,将光伏组件接地,实现与大地的等电位联接。
把所有光伏发电场内的汇流箱、逆变器、变压器等电气设备外壳均可靠接地。
汇流箱内装防雷装置,电源进口处均装SPD过电压保护装置。
进出汇流箱、逆变器的信号线、控制线的屏蔽层均在两端可靠接地,进、出室内的电力电缆,带铠装的金属外皮应两端可靠接地。
进、出电场的各类管线,在进入电场的室内的墙外处均应可靠接地。
并网线在进入电场围墙外处,改用电缆直埋进入,直埋电缆长度不小于50m。
集控室内计算机设备与继电器室内的微机保护、通信等设备,均分别采用等电位联接,实现光伏发电场对感应雷、雷电电磁波及侵入雷电波的防范。
四、光伏发电场的接地
光伏发电场的接地包含工作接地和保护接地。
光伏发电场无论是地面或屋面型接地,与火力发电厂、变电站的接地,存在着不同处,有其固有的特点。
地面光伏发电场接地,可自成体系,但屋面光伏发电场接地,就不能完全自成体系,必须与其建筑物载体的接地系统相配合,合成一体。
1,光伏发电场内的交流系统接地,应遵循《交流电气装置的接地》DL/T621的规定。
发电场内6~35kV电压系统,中性点采用不接地运行方式,400伏光伏发电场自用电系统,采用中性点直接接地的TN-C
-S系统。
光伏发电场内的光伏组件,直流汇流箱、逆变器等设备的接地,除遵循DL/T621规定要求外,特别是防雷接地,还应符合国标《建筑物防雷设计规范》GB50057的相关要求。
地面光伏发电场内应安装以水平接地体为主、垂直接地体为辅的复合型人工接地系统。
根据场地的土壤电阻率,计算出复合型接地系统总的接地电阻值。
按全场光伏组件布置安装的方式,结合场地的地形、地貌和形状,拟定光伏发电场的复合型接地网的布置方式和接地网的形状。
可按照每一个发电子系统作为一个分区,建设一个小局域接地网,各个小局域网相互联接,全场构成一个大的局域接地网。
每一小局域接地网与另一个小局域接地网互联接不得少于两处。
在各个小局域网内,以每一串光伏组件作为一个设备单元,用符合规范要求的接地扁钢或圆钢,将其串联成一个整体,每串的两端与接地网牢固相联。
每串光伏组件必须要有两个接地点,一旦某一串组件的连线断裂时,该串光伏组件其他部分仍然与地网相联。
当一串组件长度大于20m时,中部宜增设一点接地。
一串光伏组件金属支架串接后,仅只能作为导流雷电流和设备接地故障电流的设备接地线用,不能当作为水平接地体。
因为没有埋入地下土壤中,对大地无散流功能,本身所载的雷电流,只能分别沿金属边框、支架流动,只有通过接地极才能流入地中,不能沿其长度范围内对大地迅速散流,起不到接地体的作用。
应充分利用光伏发电场内的所有设备基础内的钢筋等作自然接地体。
将光伏发电场内的地面光伏组件包括逆变—升压变小室、变配电室、升压站和集控室等各处小局域接地网相接,形成一个全场总接地网。
光伏发电场内的强电、弱电(包括通信、微机保护和计算机监控系统)接地,应合为一体,共用一套接地系统,全场总的接地电阻不大于一欧姆。
2,屋面光伏发电场中以每一栋建筑物为一个单元,分别利用其建筑物原有的接地系统共用一个接地网。
每一个单元内的每串光伏组件的金属支架、直流汇流箱和逆变器等电气设备的外露可导电部分均应分别与作接地线用基础安槽钢或工字钢牢固相连,作接地线的每一基础槽钢或工字钢不小于两处与其原建筑接地系统相连,依靠建筑物防雷接地系统的引下线引下与接地体相接实现接地。
每一栋建筑物为一个单元的接地电阻,不得大于4欧姆。
当原有接地系统的接地电阻不满足要求时,则应在地面下增设接地极。
并将光伏发电场内每一栋建筑物的接地网在地下相互连接,且应与光伏发电场内的变、配电室、升压站和集控室等各处接地网相接,形成一个屋面光伏发电场的总接地网,总的接地电阻不大于一欧姆。
每两栋建筑物接网和各个小单元接地网在地下相互连接处不得小于两处。
应充分利用原有建筑系统的地下接地网装置以节省投资。
五、结论:
雷击地面物体破坏力是巨大的,必须防范。
装于室外的光伏发电场,也必须采取防雷措施,减少或避免对光伏发电场中设备的损坏,并确保人身安全。
由于地面光伏发电场的固有特点,不宜采用大量安装独立避雷针作防直击雷接闪器。
利用光伏组件金属边框作防直击雷接闪器,光伏组件金属支架作防雷引下线与地中接地装置相接,实现防直击雷是可行的。
屋面光伏发电场在充分利用其建筑物本身已有的防雷体系同时,辅以光伏组件金属边框作接闪器,进行联合防雷。
光伏发电场应按GB50057规范和DL/T621标准要求装置可靠的接地网,总接地电阻不宜大于1欧姆,场内所有电气设备的外露可导电部分均可靠接地。
接地不仅是电气系统工作的需要,也是防雷保护的要求。
参考文献;
1,《现代防雷技术》(第二版),虞昊编著,北京,清华大学出版社,2006年10月
2,《高电压技术》方喻等编著,北京,水利电力出版社,2008年6月
3,《电气装置的过电压保护》刘继编著,北京,水利电力出版社
4,《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
5,《交流电气装置的接地》DL/T621-1997
6,《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997
电气专业肖名珍
张广培
刘宏
2010年7月7日(第三稿)
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