太阳能雷电防护技术

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1、光伏发电系统介绍,系统防雷和防雷系统,系统防雷： 从全局和整体上把握。每个环节都不可少，只是有相对更重要的地方（妥协）。,有机会或可以从系统上操作：总承包商、设计院、系统集成商,木桶原理与乘法关系： 1.1x1.1x1.11.1 =3 0.9x0.9x0.90.9=0.3,防雷系统,防雷设计和施工的基本原则: 投资与回报,1、电站/防雷是一种投资、要考虑投资回报。 2、可靠的投资回报来源于：在进行防雷设计时，应将外部防雷措施和内部防雷措施协调统一，按工程整体要求，进行全面规划，做到安全可靠、技术先进、经济合理（三类防雷建筑物）。 3、防雷设计应该在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷

2、电活动规律以及被保护物的特点等基础上，详细研究防雷装置的形式极其布置。 4、不带电部分直接接地，带电部分通过非线性原件(SPD)接地。从而建立电压均衡系统和电流泄放系统,讲座交流内容,雷电风险评估（5-10分钟） 防雷设计必须掌握的三个概念和辅助概念（20-25分钟） 1、防雷分区 2、波形 3、雷电流大小和设备的耐压水平 4、其他几个概念 防雷设计和施工（15-20分钟） 1、泄放雷电流大小的选择 2、根据耐压水平选择保护电压大小的选择 3、防雷设计原则：分级保护，能量配合 4、直接雷和接地系统 防雷系统的维护与管理（3-5分钟） 相关产品（自己看书）,1、雷电的概念 a、定义：雷电是雷雨云

3、之间或云地之间产生的放电现象。 b、闪电空间位置分类： 云内放电、云际放电和云地放电 云地闪电大约占闪电总数的20% c、闪电形状分类： 线状、带状、片状、球状。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,2、雷电活动和规律 （1）、雷暴日：在一天内只要测站听到雷声则为一个雷暴日，而不论雷暴次数和持续时间。雷暴日反映局部地区的雷电活动情况。 （2）、地区雷暴日等级划分（年平均雷暴日Td) 少雷区：Td 20天；多雷区：20 Td 40天； 高雷区：40Td 60天； 强雷区：60天； 我国西北地区一般在15天以下；长江以北大部分地区在1540天；长江以南地区在40天以上；北纬23以南地区超过80天。

4、,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,3、雷击选择性（新能源防雷的直接必要性） A、与土壤的电阻率有关 a、土壤电阻率小的地方。河床、盐场等 b、土壤电阻率有突变的地点。 c、地下埋有金属矿和金属管线密集处。 B、与地面上的设施有关 有利于雷云与大地建立良好的放电通道者易受雷击。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,C、地形和地物条件 a、山中的平地较峡谷易受雷击。 b、高耸建筑物、空旷地区孤立建筑物、树木。 c、低洼潮湿地点、山口。 d、铁路枢纽、高压架空线。 D、建筑物结构及其所附属构件条件 a、结构材料所能积蓄电荷的多少影响接闪的频率。 b、建筑物内金属设备多少。,1 雷电风险评估光伏设

5、备的雷电环境,4、雷电风险评估（雷电对人类的影响）： 最严重的自然灾害之一:雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的自然灾害之一。 （1）、直接雷击（直击雷）：雷电流的高温热效应；雷电流的冲击波效应；“激波”产生冲击作用；次声波 （几Hz ) 雷电流的电动力效应。 （2）、雷电感应：静电感应；电磁感应。 （3）、雷电波侵入,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,（4）、其他形式：电磁脉冲辐射、反击、跨步电压、接触电压、旁侧闪络 （5）雷电破坏作用表现在：强大的电流、极高的电压、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场和强烈的电磁辐射等物理效应。 （6）雷电造成危害的类型有：雷击火灾、雷击伤亡

6、、雷击建（构）筑物、雷击供电系统、雷击弱电电子设备等。 （7）雷电发生的特点： 随机性、局域性、分散性、突发性、瞬时性、三维性,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,Photovoltaik 2007,判定人: R. Schngel, Munich,07.08.07 /S4562e_d,被损坏的逆变器,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,Photovoltaik 2007,07.08.07 / S4562e_f,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,设备烧毁 ：部分或全部 设备性能不稳定 设备加速老化（投资回报）,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,1 雷电风险评估统计显示各种灾害造成的损害比例,

7、0,5,10,15,20,25,30,35,过电压/间接雷击,摔损,破门盗窃,过失，失职,短路,水害,火灾,偷窃机动车,其它,11.1 %,9.3 %,8.7 %,4.3 %,3.6 %,3.4 %,2.2 %,23.6 %,33.8 %,1 雷电风险评估参与者存在的风险因素,1、知识缺乏： 缺乏专业的雷电和雷电防护知识，不了解雷电的活动规律和雷电的危害性，在防雷方法上比较单一 2、认识缺乏： 虽然了解防雷，但思想上没有引起重视，没有系统的防雷概念 3、管理缺乏： 相关的领导或者责任人没有落实国家的相关法律法规,1 雷电风险评估法律法规和设计规范的要求,1、建筑物防雷设计规范GB50057-9

8、4（2000年版） 2、建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-94（2004年） 3、低压配电设计规范 GB50054-95 4、低压配电系统的电涌保护器（SPD）第一部分：性能要求和试验方法GB18802.1-2002 5、雷电电磁脉冲的防护第二部分 建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地 IEC61312-2 6、 安全防范工程技术规范GB50348-2004 7、 建筑物防雷 IEC61024 8、 中华人民共和国气象法 9、中国气象局第8号令防雷减灾管理办法,雷电保护区域 (LPZ) LPZ0A：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；电磁场强度没有衰减。 LPZ0B：本

9、区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，电磁场强度没有衰减。 LPZ1：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0A和LPZ0B要小；电磁场强度可能衰减。 Type I (Class B) SPDs 应该安装在LPZ OA 和 LPZ1 之间的界面处，阻止或泄放雷电冲击电流通过线路进入。 LPZ2：本区内流经各导体的电流比LPZ1更小，电磁场强度会进一步衰减。 Type 2 (Class C) SPDs安装在LPZ1和LPZ2之间的界面处，用于泄放剩余电涌电流和限制过电压。 LPZ3：与LPZ2相比，装有灵敏设备的区域由振荡效应产生的过电压、电磁场强度和操

10、作过电压被减少。,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,feeder,Building,LPZ 0A,LPZ 0B,LPZ 01,DC/AC converter,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,1,2,3,4,5,6,5,6,10/350波形对应的相关元器件角形放电器,火花隙的特点 1、通流能力强单片一般可以通流Iimp50KA，最大可以100KA 2、使用寿命长,与二级配合可以循环使用火花隙一般可以使用10万次以上。 3、反应时间相对较长一般在100nS内 4、Up(保护电平)比较高,1、单片一般可以通流2

11、0KA，最大可以达到40KA2、一般可以在25nS内反应。3、 Up(保护电平)比较低4、在大部分情况下会因过载而引起短路，氧化锌阀片会产生热崩溃衰变，表现为热脱扣显示。如不能及时脱开容易发生以下情况： 、SPD短路：引起电源起火或跳闸 、SPD爆炸：引起停电或起火 、SPD自燃：造成火灾事故5、高通流能力和低保护电平的矛盾(片面强调低保护电平) 6、并联使用时匹配很困难。,8/20波形对应的相关元器件压敏电阻,Tinned copper wire,sintered zinc oxide together with other metal oxide additives 氧化锌烧结物和其他杂质

12、,Zinc oxids,Electrodes(电极）,EpoxyresIN 环氧树脂,Type 1 (Class B) SPD用于处理雷电冲击电流的波形10/350s。用于I级分类试验产品的测试波形。主要功能为泄放大的能量，国标GB50057规定安装在建筑物的进线端。其非线性元件为放电间隙。,Type 2 (Class C) SPD测试波形8/20s时间比10/350s短，用于II级分类试验产品的测试波形，释放开关操作产生的低电能和限制过电压。一般建议安装在就近的设备前端。,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,100,200,300,400,8,20,10,350,40,20,10

13、 /350 ms,8 /20 ms,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,Q (10/350) = 20Q (8/20) E (10/350) = 200E (8/20),雷电流的组成和首次雷电参量,1095e,1095e.ppt / 16.11.99 / ESC,首次雷击电流 200 kA 10/350 s,后续雷击电流 50 kA 0.25/100 s,长时间雷击电流 400 A 0.5 s,t, i,t,- i, i,t,2 防雷设计必须掌握的概念雷电流,雷电发生概率及其电流数据,50 %,10 %,5 %, 1 %,30,80,100,200,kA,20,90,100,100

14、,kA/ms,10,80,100,400,As,105,106,5.106,107,A2s,概率,雷电电流峰值,最大雷电流变化率,闪电电荷量,闪电电流平方脉冲,2 防雷设计必须掌握的概念雷电流大小的确定,IEC 61312-1和GB 50057-94(2000)的附表6.1,首次雷击 防雷建筑物的类别 III III 幅值I (kA)200150 100 波头 T1 (ms)101010 半值时间T2 (ms)350350 350 电荷QS (As)10075 50 单位能量W/R (MJ/W)105,6 2,5,90 %,50 %,10 %,I,i,T1,T2,t,I: 幅值 T1:波头 T

15、2:半值时间,2 防雷设计必须掌握的概念雷电流大小的确定,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-雷电入侵途径,直击雷 雷直击于外部雷电保护系统或建筑物接地的外部传导部件 雷直击架空线,直接对地耦合（地之间的电阻耦合）：当雷电电流在设备附近放电时，流过地面的雷电电流将导致接地电压增加和PE的电压能高达几千伏。,雷击在外部保护设备上会在由电线形成的闭环上产生过电压,电感耦合 雷击产生的磁场将在任何环形配线中导致过电压，在高空电线周围的雷击将在这些线上产生过电压,附近雷击,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-雷电入侵途径,操作过电压,断路器的开/关 变压器、电机或电感、电阻突变皆可产生很快的电流变化(

16、di/dt)和产生瞬时过电压。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-浪涌入侵途径,1、瞬态概念 常态 过电压/过电流：工频（50HZ)或直流 暂态 过电压（TOV)：高压系统接地故障出现的过电压。持续时间 ms -s数量级。 瞬态 过电压：斜三角波 持续时间 s、ns 数量级 。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-基础概念,2、高频概念 过压与电感的关系:过压或浪涌涉及瞬变过程，因而放电电流频率很高（ 90%以上雷电能量分布在频率为10kHz以下），这就意味着起决定作用的不是电阻而是电感的感抗，在把冲击电流排放至地电位点的过程中： U=Ldi/dt U=沿着导线的电压（伏特） L=电感（亨利

17、） di/dt =电流变化速率,SPD的2个功能: 释放电涌电流 限制过电压,SPD （Surge Protective Device）至少包含一个非线性元件 正常情况下，SPD对应用系统没有任何影响。它在线路中起开路作用和保持相与地之间的绝缘。 当电涌发生时，SPD将瞬间（纳秒级）降低其阻抗，同时传导电涌电流。 当电涌发生后，SPD恢复高阻抗和起开路作用。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-浪涌保护器,最大持续工作电压 Uc 最大r.m.s(均方根值) 或直流电压可持续供电SPD，它相当于SPD的额定电压。,暂态过电压 UT 在一个指定时间tT内，SPD可耐受的最大r.m.s.（均方根值）

18、或暂时直流过电压（TOV）。 当暂时过电压后，SPDs发生故障时，应该对人身、设备或设施没有危害。例如：对于230V的相-中性线TN电网，根据IEC 60 364-4-442标准，在5s 内，它应该比相与地之间的电压334V高。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念,电压保护水平Up 是当释放冲击电流到地面时，由接线端子之间的电涌保护器给定的电压。它直接由变阻器和火花间隙产生，不可超过连接在下级设备的耐受电压值。,续流 If. If是指SPD电涌电流流过（过电压消失）之后，在电力系统供电电压作用下流过SPD的电流。火花间隙或气体放电管会产生续流（电弧），非线性电阻不会产生续流。 如果电弧不被切断

19、，此电流将达到电力系统预期的短路电流Icc。 续流切断能力Ifi (或额定断开续流值) 在Uc下SPD切断的续流If值。SPD的Ifi 应该等于或大于安装点的预期短路电流(Icc),2 防雷设计必须掌握的其他几个概念,隔离间距,接闪器,滚球半径,保护角,阴影线,s,3 防雷设计太阳能应用案例全景图,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 屋顶防雷防浪涌保护器安装图,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 屋顶防雷防浪涌保护器安装图,应用案例设计图,应用案例设计图,应用案例设计图,全部雷电流I的50%流入雷电保护系统的接地装置。 剩余的50%雷电流

20、Is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线。,3 防雷设计雷电流大小的确定,3 防雷设计保护电平的选择（低于设备耐压水平）,3 防雷设计-接线要求数据,（3）消除连接引线电压降的接线方式,3 防雷设计-接线要求数据,直流侧防雷措施： 电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。,交流侧防雷措施： 每台逆变器的交流输出经交流防雷柜（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。,3 防雷设计-接地

21、系统,4、无人管理的雷电防御系统（交流产品详见样本）,1、B+C级防雷器，具有防雷和防浪涌功能 2、工作状态远程监控功能 3、故障指示和报警功能 4、雷击计数功能 5、支持Modbus通讯协议,5、防雷系统的维护与管理,1、防雷装置的维护分为周期性维护和日常性维护两类。 2、周期性维护的周期为一年，每年在雷雨季节到来之前，应进行一次全面检测。 3、日常性维护，应在每次雷击之后进行。在雷电活动强烈的地区，对防雷装置应随时进行目测检查。 4、检测外部防雷装置的电气连续性，若发现有脱焊、松动和锈蚀等，应进行相应的处理，特别是在断接卡或接地测试点处，应进行电气连续性测量。 5、检查避雷针、避雷带（网、

22、线）、杆塔和引下线的腐蚀情况及机械损伤，包括由雷击放电所造成的损伤情况。若有损伤，应及时修复；当锈蚀部位超过截面的三分之一时，应更换。 6、测试接地装置的接地电阻值，若测试值大于规定值，应检查接地装置和土壤条件，找出变化原因，采取有效的整改措施。,5、防雷系统的维护与管理,7、检测内部防雷装置和设备（金属外壳、机架）等电位连接的电气连续性，若发现连接处松动或断路，应及时修复。 8、检查各类浪涌保护器的运行情况：有无接触不良、漏电流是否过大、发热、绝缘是否良好、积尘是否过多等，出现故障，应及时排除。 9、防雷装置，应由熟悉雷电防护技术的专职或兼职人员负责管理。 10、防雷装置投入使用后，应建立管理制度。对防雷装置的设计、安装、隐蔽工程图纸资料、年检测试记录等，均应及时归档，妥善保管。 11、当发生雷击事故后，应及时调查分析原因和雷害损失，提出改进防护措施。,HC_0048,新 能 源, 安 全 稳 定 的 能 源,