光伏系统雷电防护外文翻译资料

 2022-11-22 11:11

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光伏系统雷电防护

摘要:光伏装置的雷电防护非常重要,目的是为了保证系统的不间断运行,避免设备故障和损坏。 大气放电影响光伏发电机及其装置的正常运行,也涉及敏感的电子设备。为了采取适当的防雷措施,首要步骤是确定防雷需求和利用风险管理分析确定建筑物防雷等级首要步骤。目前的工作是在考虑标准,国际文献和惯例的基础上总结基本的防雷技术。本文介绍了风险管理,外部和内部防雷系统,设备特性以及接地系统的选择。

关键词:光伏、闪电、浪涌保护装置、引起的过电压、接地

  1. 引言

光伏(光伏)系统由于其在广阔地区的扩展面及其安装位置,容易受到直接或间接的大气放电的影响,这可能会导致设备的损坏和故障以及其正常运行的中断。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),它们是能量的基本载体,同时也是电磁干扰的主要耦合通道[1]。

尽管事实上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的措施,设计人员忽略或低估了浪涌保护的需要[2]。没有意识到防雷系统可能对光伏系统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,对雷电现象的不充分保护可能增加光伏发电系统投资回报的时间[3]。因此,建议考虑技术经济均衡的保护措施[4]。由于这些原因,需要设计和建立适当的LPS,以防止过电压的发展并限制潜在的雷击的影响。然而,只有避免闪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光伏系统造成影响。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[5]。无论如何,遵守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[6]。

理论上(通过使用适当的仿真工具)[1,2,5,7-10]或实验(通过执行实验室或现场测量和测试)研究了各种研究[11-17]光伏系统的闪电性能。在[7]中,讨论了动态防雷,其重点是提高整个系统的闪电性能的预防措施。在[1]中,考虑到雷击点的影响,雷电电流振幅,建筑高度,土壤电阻率和太阳能阵列之间的距离,对屋顶光伏系统中的雷电过电压进行灵敏度分析和外部保护系统。在[2]中,已经开发了一个适当的计算机程序来决定是否需要在光伏系统中安装防雷保护;计算机程序可以通过使用保护角度方法给出如何安装避雷针的设计。在[8]中,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,并突出了降落在光伏组件上的雷电阴影的作用,从而提高太阳能电池的温度并减少发电量。 [9]的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。在[5]中,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光伏面板屋顶的空气终端系统的适当设计提供了建议。在[10]中,作者实施了广义修改网格电流法,以建立具有和不具有外部LPS的光伏电力系统的雷击瞬态仿真的细线系统的时域多端口模型。在[11]中,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的测量过程中的经验。在[17]中,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[12]规模的实验室测试和几何精确的模拟模型中,试图评估长直流电缆环路上的感应过电压。在[13]中,研究了雷电冲击电压对光伏组件功率输出的影响。在[14]中,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。在[15]中,制造了具有光伏板的混凝土基础的发光浪涌分析模型,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。 [16]讨论了雷击期间造成的光伏面板损坏。

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。根据现有的标准,同时考虑国际研究成果和惯例,提出了设计技术包括风险管理,分离到防雷区(LPZ),内部和外部LPS,选择电气特性,浪涌保护装置(SPD)和接地系统的有效布置。

  1. 光伏安装中的电压

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[18-21]。 光伏技术的应用涉及独立和并网系统[18,22]。 闪电是任何一种光伏系统故障,损坏和中断的主要原因。 直接和间接闪电可能会损坏光伏组件和设备(逆变器,电缆,电池[22],电路板等)。 直接闪电击中光伏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[19]。

后果的规模取决于:

bull;结构特点,

bull;LPS,

bull;闪电的特点,

bull;闪电击中位置。

根据[23]雷电电流的预期损坏来源如下:闪光到光伏(S1),在光伏(S2)附近闪烁,闪烁到连接到光伏(S3)的服务, 在连接到光伏(S4)的服务附近闪烁。 因此,由于雷电电磁脉冲(LEMP)引起的触电和阶跃电压(D1),物理损坏(D2)和电气和电子系统的故障导致的三种基本类型的损坏, (D3)[23]。 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)[23,24]。

  1. 风险管理

为了减少预先提及的损耗(L1,L2,L3,L4),必须对光伏防雷系统进行检查。 根据[3,24]中描述的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[24]。 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)

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[24]中提供的表选择,考虑各种情况。 LX取决于人员的数量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损害的货物的价值[19,24]

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)决定了上述区域。 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,由于共享和SPD的安装,浪涌电流受到限制; 此外,空间屏蔽可能会衰减雷电电磁场[24]。

  1. 外部和内部防雷系统

风险管理分析确定了对光伏安装的保护需求。在需要防雷保护的情况下,必须根据[24,25]确定适当的防雷等级(LPL)。这些LPL直接等同于LPS类[23]。 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 / K)和陡度(kA /mu;s)定义了四个LPL。 最大值用于设计防雷部件,因为最小值用于确定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光伏安装,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[25,26]。 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,即将所有光伏设备包括在保护体积中。 [25]分析了LPS的分类,空气终端系统的分离与否,天然组分(阁楼,沟槽,栏杆,包层)的使用[27]和接地系统的规格。

内部LPS的主要范围是避免由于雷电流在外部LPS或其他导电部件中流动而在光伏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相互连接)和部件之间的电绝缘(符合空气终端或空气终端之间的间隔距离导体和金属部件,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)[1,2,28,29]。

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。因此,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耐受能力相兼容。LEMP保护措施系统(LPMS)包括接地,接合,磁屏蔽,线路布线和协调的SPD保护。详细的接地系统(A型或B型)会将雷电流导向地线;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)屏蔽电缆具有足够横截面的屏蔽,并在任一端连接到单独的接地系统[19,27,30]。

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(被认为是3-D网格结构)来实现,该网络将所有的金属部件集成在结构的LPZ内的等电位连接导体(所有金属安装, 在混凝土增强件,光栅,电缆管道,金属粉,供给线等)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)会减弱磁场并最小化内部感应过电压。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[31,32]。

雷电防护系统的设计人员可以选择空气终端和下行导体系统,光伏系统与光伏D结合使用光伏或空气终端以及未连接光伏的下降导体系统。 这里注意到,光伏的框架接地到金属结构(光伏框架和金属结构之间存在电气连续性)。 一个非附着的防雷系统由一个桅杆组成,远离光伏,远离[25]:

图 2连接或非连接的外部LPS结合的SPD

(2)

ki是一个常数,取决于所选类别的防雷系统,

km是一个常数,取决于绝缘,和

kc是一个常数,取决于在空气终端和下导体中流动的雷电流

l是沿着空气端子或下导体,从要考虑分离距离的点到最近的等电位连接点的长度,以m为单位。

如果光伏设备受到外部LPS的雷电放电的保护,则应遵守光伏设备和LPS部件之间的上述距离,以避免通过光伏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(即,安装在屋顶上的光伏),所要求的间隔距离s不能满足。因此,光伏的帧与LPS相连,影响SPD特性的选择[32,33](图2)。

  1. 接地系统

在光伏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,低频时低于10K)[25]。将光伏安装的雷电流通过下降的电感(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,或地基接地电极。

详细情况,在A型接地系统的情况下,接地电极总数不得少于2 [25]。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[32,34]。

在[25]中有关给出了配置,接地端子系统的材料和构造的组成部分。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[30,34]。

  1. SPDs:电气特性和安装位置

SPD的基本电气特性是[35-38]:

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必须能够消除这种雷电冲击

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