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光伏系统防雷
摘要：光伏装置的防雷非常重要，以保证系统的不间断运行，避免设备的故障和损坏。 大气排放影响光伏发电机及其安装的正常运行，也涉及敏感的电子设备。 确定防雷需要和评估风险管理分析的绩效是首要步骤，以采取适当的防雷措施。 目前的工作范围是总结基本的防雷技术，考虑到标准，国际文献和惯例。 本文介绍了风险管理，外部和内部防雷系统，设备特性和接地系统的选择。
关键词：光伏·闪电·浪涌保护装置·感应过电压·接地
1.简介
光伏（PV）系统由于其广泛的开放面积，其安装位置易受直接或间接的大气放电的影响，导致设备损坏和故障，以及其正常运行中断。与常规电力系统相比，典型光伏组件的布局更大，因此雷击的概率较高。光伏安装包括许多导线的小截面（接点输入输出电缆，太阳能模块的金属框架和支架，接地系统，建筑物的避雷针等），这些都是能量的基本载体，同时也是主要电磁干扰的耦合通道。
尽管光伏系统面临雷电损坏的风险，但许多光伏电站都没有防雷击，设计人员忽视或低估了浪涌保护的需要。缺乏防雷系统可能对PV安装关键机电部件造成严重破坏和损坏;请注意，损害成本有时会超过雷电保护系统（LPS）实施的成本。此外，对闪电现象的保护不足可以增加光伏发电系统投资回报的时间。因此，建议考虑到技术经济平衡的保护措施。由于这些原因，设计和建立适当的LPS是必要的，以防止过电压的发展，并限制潜在的雷击的影响。然而，只有避免雷电附着到安装的未受保护的部分是不够的，因为通过LPS部件的雷电电流可能由于感应耦合而对PV系统造成影响。因此推荐光伏系统的战略布局和导电系统的屏蔽在可能的地方。无论如何，符合国家和国际标准是重要的，以保证保护措施的有效性，从而确保安装的安全运行和供应能源的质量。
理论上（通过使用适当的仿真工具）或实验（通过执行实验室或现场测量和测试）研究了各种光伏系统的闪电性能。在动态防雷中，侧重于改进轻型轻便系统的性能预防措施。为了发展屋顶光伏系统中的雷电过电压，考虑到雷击点的影响，雷电电流振幅，建筑物高度，土壤电阻率和太阳能阵列与外部保护系统之间的距离。已经开发了一个适当的计算机程序来做出关于在伏安系统中安装防雷的需要的决定;计算机程序通过使用保护角方法来安装照明棒。将两个不同的外部LPS安装到两个不同的光伏技术电厂系统中进行了比较。在总能量产生和能量产出方面对各自的系统性能进行了比较。作者强调发电厂通过安装LPS来最大限度地减少光伏系统雷击的重要性，并强调闪电的影响，以提高电池温度和减少发电量。 研究人员估计雷电放电引起的过电压，并根据风险分析和保护成本的结果评估雷电防护措施的实际需要。闪电对光伏系统的影响与该地区的等离子体水平和建筑物的高程直接相关，同时为高层次太阳能区域的PV面板屋顶的空气终端系统的适当设计提供了建议。作者实施了广义修正网格电流法，为了建立具有无外部LPS的电力系统雷击瞬态仿真的薄线系统的时域多端口模型。研究人员介绍了通过浪涌发生器注入的雷电瞬态电流对实际MW级光伏电站的直流过电压保护系统的影响测量过程中的经验。考虑到光伏阵列中的雷电感应电压瞬变，监测两个光伏阵列端子处的电压。在实验室测试和几何精确的仿真模型中，试图评估长直流布线环路上的感应过电压。研究了雷电冲击电压对光伏组件功率输出的影响。对一种多晶硅光伏组件进行了标准雷电冲击电压的实验，并对其暗I-V特性曲线和I-V特性进行了比较。制造了具有PV板的具体基础的雷电浪涌分析模型，并经过实验验证。基础模型用于对全系统光伏系统中的直流配电系统进行建模，并使用有限差分时域（FDTD）方法评估浪涌保护装置（SPD）所需的电流耐受能力。在雷击期间造成的PV面板损坏已被讨论 。
目前的工作涉及光伏装置防雷保护系统的设计。 它强调了各种浪涌保护部件的协调，总结了充分有效研究光伏发电性能的基本步骤。 所提出的设计技术包括风险管理，分离防雷区（LPZ），内外LPS，电特性选择，浪涌保护装置（SPD）和接地系统的有效布置，根据 现有的标准，同时考虑到国际研究成果和普遍做法。
- 光伏电站的过电压
光伏系统在可再生能源技术方面发挥重要作用，因为它们是环保、无污染和可靠的电源。光伏技术应用于独立和电网连接的系统，光伏电池的损坏可能会导致光伏组件和设备（逆变器、电缆、电池、电路板等）的损坏。直接闪电击中PV的基本元件或外部防雷系统（LPS），导致绝缘击穿和接地电位上升。此外，雷击会在闪光通道周围产生磁场或/和导体，从而在安装的所有接线环中引起激波。
后果的规模取决于：
bull;结构特点，
bull;LPS，
bull;闪电的特点，
bull;闪电位置击中。
根据雷电电流的预期损坏来源如下：闪光到PV（S1），在PV（S2）附近闪烁，闪烁到连接到PV（S3）的服务，在连接到PV（S4）的服务附近闪烁。因此，发展中的过电压可能导致三种基本类型的损害，即由于触摸和阶梯电压（D1），物理损伤（D2）和电气和电子系统暴露电磁脉冲（LEMP）（D3）而导致的乘员受伤。上述每种类型的单独或与其他组合的损害可能会产生不同的后果性损失，即人命损失（L1），对公众的损失（L2），文化遗产损失（L3）和丧失经济价值（L4）
- 风险管理
为了减少预先提及的损失（L1，L2，L3，L4），必须对PV防雷系统进行检查。根据风险管理程序进行防雷需求的确定和防雷系统的设计。风险R是可能的平均年损失的价值。对于每种类型的损失（L1 - L4）对应一种类型的风险，即人身丧失风险（R1），丧失服务风险（R2），文化遗产风险（R3）和风险经济价值损失（R4）。每个风险是不同风险分量RX（其中X = A，B，C，M，U，V，W，Z）的总和，它们根据损害的来源和类型进行分组。每个风险成分RA，RB，RC，RM，RU，RV，RW和RZ根据下式计算：
RX = NX·PX·LX （1）
在这里：
NX是每年危险事件的数量，PX是结构损坏的可能性，LX是随之而来的损失。
NX取决于地面闪光密度和物体的等效收集面积，考虑到物体物理特性的校正因子。 PX由提供的表选择，考虑各种情况。 LX取决于人数和他们在危险地方留下的时间，向公众提供的服务的类型和重要性以及受到损害的货物的价值。
图1 住宅光伏装置的防雷区：
图1给出了住宅光伏中的防雷区（LPZ）; 保护措施如LPS，磁屏蔽和浪涌保护装置（SPD）确定上述区域。 LPZ0A受到直接雷击和全电磁场的侵害，而LPZ0B被保护不受直接撞击，只有非衰减电场才有风险。 在LPZ1,2中，由于屏蔽和SPD的安装，浪涌电流受到限制; 此外，空间屏蔽可能会使雷电电磁场衰减。
- 外部和内部防雷系统
风险管理分析确定了对PV安装的保护需求。在需要防雷保护的情况下，必须根据标准确定适当的防雷等级（LPL）。这些LPL直接等同于LPS类。IEC 62305-1根据可能的最小和最大雷电电流参数，即峰值电流（kA），短冲程电荷（C），比能（MJ /）和陡度（kA /mu;s）定义了四个LPL。最大值用于设计防雷部件，因为最小值用于空气终端系统的位置。
LPS包括外部和内部部分：外部LPS旨在拦截直接的闪电到PV安装，并将雷电流分散到地球中，不会导致热或机械损坏，也不会引起火花或爆炸的危险火花。外部LPS由空气终端系统，下行导体系统和接地终端系统组成。保护角度，滚动球体和网格方法是外部LPS设计的常用做法，即将所有PV设备包括在保护体积中。 分析了LPS的分类，空气终端系统的隔离与否，天然成分（阁楼，排水沟，栏杆，包层）的使用和地理系统的分析。
内部LPS是为了避免由于雷电流在外部LPS或其他导电部件中流动而在PV系统内发生危险的火花。内部LPS包括等电位连接（LPS与结构金属部件，金属装置，内部系统，外部导电部件和连接到结构的线路的互连）和部件之间的电绝缘（符合空气端接或下降之间的间隔距离导体和安装的金属部分，这取决于LPS的类别，导体的长度，绝缘材料和雷电电流的共享）。
所述LPS不保证光伏组件的电气和电子设备免受由LEMP开发的传导或引起的浪涌的影响。为此，将要保护的设备划分为LPZ，其方式是对于每个区域，LEMP严重性与设备的绝缘兼容性相一致.一个LEMP保护措施系统（LPMS）包括接地，接合，磁屏蔽，线路布线和协调SPD保护。详细地，接地系统（TypeAorType B）将雷电流导向地线;在两个内部系统的情况下，以分离的接地系统为参考，为了限制电位差，必须采用以下方法：（a）在与电缆相同的路径中运行的若干并联接合导体，或封闭在格栅状钢筋混凝土管道（或连续接合的金属管道）中的电缆已被集成到两个接地端系统中; （b）屏蔽电缆，屏蔽板具有足够的横截面，并在两端分别连接到单独的接地系统。
等电位联结网络可以减少内部LPZ中所有设备之间的危险电位下降以及限制磁场。低阻抗接合系统的实现通过网状接合网络（考虑为3-d网格结构）实现，该网络将所有金属部件与结构的LPZ内的等电位连接导体（所有金属装置，混凝土中的增强物） ，光栅，电缆导管，金属粉，电源线等）直接或通过浪涌保护装置（SPD）。磁屏蔽（内部线路的空间屏蔽或屏蔽）使磁场衰减并最小化内部引起的过电压。内部线路的合适布线使感应回路最小化并减少内部浪涌。空间屏蔽和线路布线可以单独使用。
SPD安装在相和地之间，以保护电气和电子设备免受过电压; SPD呈现非线性电压电流特性，在额定电流下表现为绝缘体，在入潮的情况下表现为导体。 SPD通过低阻抗路径将雷电电流引导到接地系统，并同时保持发展中的过电压低于设备绝缘耐受性。雷电防护系统的设计人员可以选择与PV或空气终端连接的空气终端和下行导体系统，以及与PV不连接的下导体系统，与SPD组合。这里注意到，PV的框架接地到金属结构（PV框架和金属结构之间有电连续性）。一个非附着的防雷系统由天线组成：
图2 附加或非附着的外部LPS与SPD组合
s =ki·kc·l （2）
在这里：
ki是一个常数，取决于雷电保护系统的选定类别，km是一个取决于绝缘的常数，以及
kc是一个常数，取决于在空气终端中流动的雷电流下导体l是沿着空气端子或下导体，从分离距离被考虑的点到最近的等电位连接点的长度，以m为单位。
如果PV设备受到外部LPS的雷电放电的保护，则应遵守PV设备和LPS部件之间的上述距离，以避免通过PV系统的金属部件共享放电电流。然而，由于缺乏足够的空间，在某些情况下（即，安装在屋顶上的PV），所要求的间隔距离s不能满足。因此，PV的框架与LPS相连，影响SPD特性的选择（图2）。
- 接地系统
在PV安装中实现低接地电阻值是非常重要的，以便尽可能减少任何潜在的危险过电压。一般来说，推荐使用低接地电阻（如果可能低于10欧姆，则在低频时测量）。击中PV安装的雷电流通过下导体（和SPD）转移到接地系统。根据[25]应用两种基本类型的接地电极布置，即A型和B型布置。 A型布置包括安装在要被保护的结构外部的水平或垂直接地电极连接到每个下导体，因为B型布置包括被保护结构外部的环形导体，与土壤接触至少80％的总长度，或基础接地电极。
详细地说，在A型接地系统中，接地电极总数不得少于2。此外，在具有环形导体的B型系统中，当环形电极的半径小于A型系统规定的长度时，应添加附加的水平或垂直电极。
在关于配置的细节中，给出了材料和接地终端系统的构造的组件。在任何情况下，不同性质的金属之间的成本，寿命和电偶腐蚀是在设计和安装接地系统期间应考虑的参数。
- 浪涌保护器：电气特性及安装位置
SPD的基本电气特性是：
最大连续电压（Uc）：可以施加到浪涌保护装置的端子的最大电压的有效值。 Uc的值应根据受保护系统的额定电压进行选择。
闪电脉冲电流（Iimp）：它是一个10/350mu;s的脉冲电流波形，模拟雷电浪涌。 SPD必须能够多次排出雷电冲击电流，而不会对设备造成损害。
额定放电电流（In）：额定放电电流In是流过SPD的8/20mu;s脉冲电流的峰值。
电压保护等级（Up）：表示SPD端子上的电压的最大瞬时值，同时表征其将浪涌限制到剩余电平的能力。
短路耐受能力：配备上游备用保险丝（备用保护）时，由浪涌保护装置控制的预期功率短路电流的价值。
设备端子上的极限电压（图3）由下式给出：
Ut = Ures U1 Delta;U2 （3）
在这里：
Ut是终端设备的极限电压，
U1是SPD相侧连接上的感应电压降，U2是SPD接地侧连接处的感应电压降。
图 3 终端设备上的极限电压：
电感电压降取决于连接导体的电阻（R）和电感（L）分量，脉冲注入电流（i）和电流变化率（di / dt）：
Delta;U2=U R i L·（di / dt） (4)
为了保持这个动态电压降低，电工进行工作必须保持连接电缆的电感，从而使其长度尽可能的低。 SPD的安装应采用短连接线进行，因为特别是通过PE导电体进行疏通;通过使用足够横截面积的最短和最直接的导线，将其安装在靠近设备端子处。如果上述标准未得到满足，则发达电涌将超过要保护的设备的绝缘水平。
浪涌保护装置（SPD）分为三类：
类型I：主要安装在LPZ 0-LPZ 1或LPZ 0-LPZ 1之间边界安装入口处的I型SPD，并提供10 /350mu;s雷电电流的初级保护。
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