摘要：本文针对光伏发电系统防雷设计中的一个分支——防雷电波侵入，就浪涌保护器SPD在光伏系统中设计要点作个简要的分析和探讨。
关键词：光伏系统；浪涌保护器；SPD分级；设置要点
0.引言
随着国家倡导绿色环保理念，太阳能作为一种可再生的新能源正在日益兴起。无论是分布式并网光伏发电系统，还是独立型光伏发电系统，为了满足充足的日照条件，设计时光伏板阵列一般都设置在周围没有障碍物的建筑屋顶或空旷的大地上。因此，在最大化吸收太阳辐射能的同时，遭受雷电灾害的风险也随之增大，实际工程上也有不少光伏系统，因为没有采取合理的防雷措施而受到雷电灾害的案例。
由于太阳能电池组件和逆变器比较昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成的经济损失，光伏发电系统在设计防雷系统时，从太阳能电池阵列的输入端至最终用户设备，都必须采取必要的防雷措施，从而为光伏系统的稳定运行提供重要保障。雷电对光伏发电系统的危害方式一般有直击雷、雷电感应和雷电波侵入三种。防直击雷主要通过外部防雷系统保护（接闪器、引下线、接地系统等）来实现。受雷击的保护范围，可以通过滚球法，网格法，保护角法等求出。而本文着重浅析光伏系统中另一种雷电防护措施——防雷电波侵入的浪涌保护器SPD设置。
1.光伏 SPD分级参数设置
太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径， 除了太阳能电池方阵外， 还有配电线路、接地线等。
除了直击雷外，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，应该在太阳能电池板输出到控制器的线路上（在入户处）安装电源浪涌保护器，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。另外应在控制器、蓄电池和逆变器内安装第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，必要时还应在逆变器的输出端安装第3级SPD。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。以上各级SPD的参数选择和安装要求应符合IEC61643-12相关规定。
作为第一级浪涌保护应该选择开关型浪涌保护器以泄放大的雷电流，用于太阳能阵列的直流浪涌保护器的主要技术参数应满足如下要求：额定放电冲击电流Iimp ≥ 5kA（10/350μs）；在逆变器与并网点之间必须加装第二级电源防雷器，可选限压型浪涌保护器，具体型号应根据工作电压和现场情况确定。综合采用以上措施可以逐级将雷电流降低，最终控制在设备能承受的电压范围之内。
2.SPD安装位置和要求
1、在每个光伏子阵列直流防雷汇流箱内设置直流防浪涌保护装置。
2、在配电控制室的直流防雷配电柜内设置直流防浪涌保护装置。
3、在并网接入控制柜中安装浪涌保护器， 以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器，过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值。
4、当太阳能电池方阵架设在接闪器保护范围内时，太阳能电池方阵置于LPZ0B 区内（LPZ0B 区：本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，但本区内的电磁场强度没有衰减），配电设备和逆变器必须置于LPZ1 区内（LPZ1 区：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LPZ0B区更小，本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施）。为此应在逆变器的直流输入端配置直流电源浪涌保护器，直流电源浪涌保护器可选用专门用于直流配电系统的浪涌保护器，也可选用交流配电系统的浪涌保护器，并按换算公式Vdc= 1.414 Vac 计算。
3.光伏SPD过载短路及后备保护
在光伏系统中，同时有光伏直流电源和交流电源，两者对SPD有不同的要求，主要区别有以下两点：
1.如SPD过载短路，其内部的脱扣保护装置会断开，断开过程中会产生电弧。交流电源由于电压过零点，产生的电弧会自动熄灭，而直流电源电压不过零点，产生的电弧无法自动熄灭，这样可能引起SPD起火。
2.光伏系统类似于一个电流源，其短路电流和工作时的额定电流基本相等。而交流电源相当于是电压源，短路时输出电流很大。因此，在后备保护设备的选择上也不同（SPD后备保护设备通常选用熔断器，其目的是为了在SPD短路时，将其SPD从电路上断开，避免起火）。由于上述原因，对于光伏直流电源SPD，应参照GB/T 18802.31-2016采用单独的测试标准。
SPD选用时的注意点：关于适用于太阳光发电系统的DC电源的SPD，如果只使用气体放电管等电压开关型，存在续流及响应时间长的缺点，容易引发事故，所以一般可用氧化锌等电压限制型SPD。
光伏直流电源SPD的后备保护建议，在GB/T 18802.31-2016标准中，根据光伏系统电流源的特性，对SPD进行过载短路测试，使用预期短路电流分别为2.7*Iscpv（Iscpv为SPD额定短路电流）、Iscpv、10A的电源进行过载测试，要求SPD都能分断，不引起火灾。因此，光伏直流SPD在应用时，理论上可以不安装后备保护。不过，考虑到标准中采用的是模拟过载的方式，其过载特性不能完全代表实际应用中的过载情况，以及SPD产品质量良莠不齐，在实际应用中，仍有必要使用后备保护。
根据实际情况的不同，对SPD后备保护的安装建议如下：
1.汇流箱内的直流SPD可不加后备保护。汇流箱的输出电流相对较小，通常在200A左右，小于SPD的Iscpv值。而安装后备保护需要一定的空间，汇流箱体积较小，数量多，安装成本较高。
2.逆变器直流SPD，如果其Iscpv＜系统最大工作电流，应选用与In匹配的熔断器（如SPD In=20kA时，熔断器选用80A gG）。
3.逆变器直流SPD，如其声称的Iscpv≥系统最大工作电流，但未经过标准认证，应加装后备保护。
4.逆变器直流SPD，如果其声称的Iscpv≥系统最大工作电流，且通过标准认证，可不加后备保护。
综上，建议汇流箱直流SPD不安装后备保护，逆变器直流SPD安装后备保护。在选用SPD时，优先选择通过GB/T 18802.31-2016标准测试的产品。
4.SPD配电线路设计
SPD的配电线路，因为有雷电流流过时会产生过电压，配电线路长度应尽可能短（电阻小）。另外，为了使不容易因雷击而受到感应雷，配电线路尽量不要形成环状。光伏系统的配电线路的防雷设计，应留意以下几点：
1）SPD作为基准接地：关于保护对象设备（例如，逆变器）和SPD的接地基准点的选取方法，如图1.1所示，如果设备侧作为基准点，SPD的接线就较长，雷电流通过SPD流入大地时，配电线产生过电压Up/f将施加到设备的外壳上。因此，如图1.2所示，选取SPD侧作为接地基准点，使雷电流流入SPD的配电线尽可能短，从而降低电压U。
图1.1 图1.2
2）考虑电磁感应的布线方法：为了减小电磁感应的影响，根据电缆线径，采用环形面积最小的接线方式。例如在逆变器的DC线上设置SPD的情况，如图2.1所示，逆变器的接地导体和DC线分别接线，形成大的环形的话，SPD因雷击会产生很大的感应电压。但如果接地导体，如图2.2所示，沿着DC线敷设电缆，则将会大幅降低电磁感应的影响。
图2.1 图2.2
3）光伏阵列组件之间接线时，应尽量避免图3.1的布线路径，尽量不要形成环状配线。建议采用图3.2的布线路径。
图3.1 图3.2
5.结语
随着太阳能光伏产业的不断发展，光伏发电系统在各类项目上的应用也会愈加广泛。光伏系统中防雷电波侵入保护的重要性不亚于防直击雷保护，但往往容易因为忽视或没有根据实际情况进行合理的配置，因雷电波侵入用电设备而遭受不必要的损失。因此，正确选择光伏系统中SPD的配置和布线，对于防雷电波侵入有着重要的意义，将直接影响到光伏系统是否能够长期稳定运行。
参考文献
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作者简介
袁方（1985-02），男，汉族，籍贯：上海，学历：本科，研究方向：电气自动化。
论文作者:袁方
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/26
标签：光伏论文; 系统论文; 防雷论文; 逆变器论文; 雷电论文; 浪涌论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第16期论文;