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第6章太陽能光伏發電系統的整體配置與相關設計6.2.4防雷與接地系統的設計由于光伏發電系統的主要局部都安裝在露天狀態下，且分布的面積較大，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。光伏發電系統與相關電器設備及建筑物有著直接的連接，因此對光伏系統的雷擊還會涉及相關的設備和建筑物及用電負載等。為了防止雷擊對光伏發電系統的損害，就需要設置防雷與接地系統進行防護。1．關于雷電及開關浪涌的有關知識雷電是一種大氣中的放電現象。在云雨形成的過程中，它的某些局部積聚起正電荷，另一局部積聚起負電荷，當這些電荷積聚到一定程度時，就會產生放電現象，形成雷電。4.5.1關于雷電直擊雷雷電分為直擊雷和感應雷，直擊雷是指直接落到太陽能方陣、直流配電系統、電氣設備及其配線等處，以及近旁周圍的雷擊。直擊雷的侵入途徑有兩條，一條是上述所說的直接對太陽能方陣等放電，使大局部高能雷電流被引入到建筑物或設備、線路上；另一條途徑是雷電直接通過避雷針等可以直接傳輸雷電流入地的裝置放電，使得地電位瞬時升高，一大局部雷電流通過保護按地線反串入到設備、線路上。感應雷

感應雷是指在相關建筑物、設備和線路的附近及更遠些的地方產生的雷擊，引起相關建筑物、設備和線路的過電壓，這個浪涌過電壓通過靜電感應或電磁感應的形式串入到相關電子設備和線路上，對設備線路造成危害。除了雷電能夠產生浪涌電壓和電流外，在大功率電路的閉合與斷開的瞬間、感性負載和容性負載的接通或斷開的瞬間、大型用電系統或變壓器等斷開等也都會產生較大的開關浪涌電壓和電流，同樣會對相關設備、線路等造成危害。對于較大型的或安裝在空曠田野、高山上的光伏發電系統，特別是雷電多發地區，必須配備防雷接地裝置。2．太陽能光伏發電系統的防雷措施和設計要求(1)太陽能光伏發電系統或發電站建設地址選擇，要盡量防止放置在容易遭受雷擊的位置和場合。(2)盡量防止避雷針的投影落在太陽能電池方陣組件上。(3)根據現場狀況，可采用避雷針、避雷帶和避雷網等不同防護措施對直擊雷進行防護，減少雷擊概率。并應盡量采用多根均勻布置的引下線將雷擊電流引入地下。多根引下線的分流作用可降低引下線的引線壓降，減少側擊的危險，并使引下線泄流產生的磁場強度減小。(4)為防止雷電感應，要將整個光伏發電系統的所有金屬物，包括電池組件外框、設備、機箱機柜外殼、金屬線管等與聯合接地體等電位連接，并且做到各自獨立接地，圖6-26是光伏發電系統等電值連接示意圖。(5)在系統回路上逐級加裝防雷器件，實行多級保護，使雷擊或開關浪涌電流經過多級防雷器件泄流。一般在光伏發電系統直流線路局部采用直流電源防雷器，在逆變后的交流線路局部，使用交流電源防雷器。防雷器在太陽能光伏發電系統中的應用如圖6-27所示(6)光伏發電系統的接地類型和要求①防雷接地。包括避雷針〔帶〕、引下線、接地體等，要求接地電阻小于10Ω，并最好考慮單獨設置接地體。②平安保護接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏電池組件外框、支架，控制器、逆變器、配電柜外殼，蓄電池支架、金屬穿線管外皮及蓄電池、逆變器的中性點等，要求接地電阻≤4Ω。⑧當平安保護接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地等四種接地共用一組接地裝置時，其接地電阻按其中最小值確定；假設防雷已單獨設置接地裝置時，其余三種接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻不應大于其中最小值。④條件許可時，防雷接地系統應盡量單獨設置，不與其他接地系統共用。并保證防雷接地系統的接地體與公用接地體在地下的距離保持3m以上。3．接地系統的材料選用避雷針一般選用直徑12～16mm的圓鋼，如果采用避雷帶，那么使用直徑8mm的圓鋼或厚度4mm的扁鋼。避雷針高出被保護物的高度，應大于等于避雷針到被保護物的水平距離，避雷針越高保護范圍越大。接地體宜采用熱鍍鋅鋼材，其規格一般為：直徑為50mm的鋼管，壁厚不小于3.5mm：50mm×50mm×5mm角鋼或40mm×4mm的扁鋼，長度一般為1.5～2.5m。接地體的埋設深度為上端離地面0.7m以上。引下線一般使用直徑為8mm的圓鋼。要求較高的要使用截面積為35mm2的多股銅線。專用降阻劑接地模塊與降阻劑的用量計算4．防雷器的選型防雷器也叫電涌保護器〔SurgeProtectionDevice〕，形如圖6-28所示。

防雷器內部主要有熱感斷路器和金屬氧化物壓敏電阻組成，另外還可以根據需要同NPE火花放電間隙模塊配合使用。其結構示意圖如圖6-29所示。光伏發電系統常用防雷器品牌有080、DEHN(德和盛)等。其中常用的型號為OBO的V25-B+C/3、V25-B+C/4、V25-B+C/3+NPE、V20-C/3，V20-C/3+NPE交流電源防雷器和V20-C/3-PH直流電源防雷器，DEHN的DLGPV1000、DGPV500SCP、DGPV500SCPFM、DGMTN275和DVMTNC255等。表6-9是080的V25-B+C和V20-C防雷器模塊的技術參數，供選型時參考。光伏發電系統常用防雷器主要技術參數的具體說明(1)最大持續工作電壓〔Uc〕：該電壓值表示可允許加在防雷器兩端的最大工頻交流電壓有效值。在這個電壓下，防雷器必須能夠正常工作．不可出現故障。同時該電壓連續加載在防雷器上，不會改變防雷器的工作特性。(2)額定電壓〔Un〕：是指防雷器正常工作下的電壓。這個電壓可以用直流電壓表示，也可以用正弦交流電壓的有效值來表示。(3)最大沖擊通流量(Imax):是指防雷器在不發生實質性破壞的前提下，每線或單模塊對地，通過規定次數、規定波形的最大限度的電流峰值數。最大沖擊通流量一般大于額定放電電流的2.5倍。(4)額定放電電流(In)：額定放電電流也叫標稱放電電流，是指防雷器所能承受的8/20us雷電流波形的電流峰值。(5)脈沖沖擊電流(Iimp)：是指在模擬自然界直接雷擊的波形電流〔標準的10/350us雷電流模擬波形〕下，防雷器能承受的雷電流的屢次沖擊而不發生損壞的電流值。(6)殘壓〔Ures〕：是指雷電放電電流通過防雷器時，其端子間呈現出的電壓值。(7)額定頻率〔fn：是指防雷器的正常工作頻率。在防雷器的具體選型時要特別考慮的幾個參數和功能的選擇。(1)最大持續工作電壓〔Uc〕的選擇。氧化鋅壓敏電阻防雷器的最大持續工作電壓值〔Uc〕，是關系到防雷器運行穩定性的關鍵參數。在選擇防雷器的最大持續工作電壓值時，除了符合相關標準要求外，還應考慮到安裝電網可能出現的正常波動及可能出現的最高持續故障電壓。例如在三相交流電源系統中，相線對地線的最高持續故障電壓，有可能到達額定工作電壓交流220V的1.5倍，即有可能到達330V。因此在電流不穩定的地方，建議選擇電源防雷器的最大持續工作電壓值大于330V的模塊。在直流電源系統中，最大持續工作電壓值與正常工作電壓的比例，根據經驗一般取1.5倍到2倍。(2)殘壓〔Ures〕的選擇。在確定選擇防雷器的殘壓時，單純考慮殘壓值越低越好并不全面，并且容易引起誤導。首先不同產品標注的殘壓數值，必須注明測試電流的大小和波形，才能有一個共同比較的根底。一般都是以20kA(8/20us)的測試電流條件下記錄的殘壓值作為防雷器的標注值，并進行比較。其次，對于壓敏電阻防雷器選用殘壓越低時，將意味著最大持續工作電壓也越低。因此，過分強調低殘壓，需要付出降低最大持續工作電壓的代價，其后果是在電壓不穩定地區，防雷器客易因長時間持續過電壓而頻繁損壞。在壓敏電阻型防雷器中，選擇最適宜的最大持續工作電壓和最適宜的殘壓值，就如同天平的兩側，不可傾向任何一邊。根據經驗，殘壓在2kV以下〔20kA、8/20us〕，就能對用戶設備提供足夠的保護。(3)報警功能的選擇。為了監測防雷器的運行狀態，當防雷器出現損壞時，能夠通知用戶及時更換損壞的防雷器模塊，防雷器一般都附帶各種方式的損壞指示和報警功能，以適應不同環境的不同要求。①窗口色塊指示功能：該功能適合有人值守且天天巡查的場所。所謂窗口色塊指示功能就是在每組防雷器上都有一個指示窗口，防雷器正常時，該窗口是綠色，當防雷器損壞時，該窗口變為紅色，提示用戶及時更換。②聲光信號報警功能：該功能適合用在有人值守的環境中使用。聲光信號報警裝置是用來檢查防雷模塊工作狀況，并通過聲光信號顯示狀態的。裝有聲光報警裝置的防雷器始終處于自檢測狀態，防雷器模塊一旦損壞，控制模塊立刻發出一個高音高頻報警聲，監控模塊上的狀態顯示燈由綠色變為閃爍的紅燈。當將損壞的模塊更換后，狀態顯示燈顯示為綠色，表示防雷模塊正常工作，同時報警聲音關閉。⑧遙信報警功能：該遙信報警裝置主要用于對安裝在無人值守成難以檢查位置的防雷器進行集中監控。帶遙信功能的防雷器都裝有一個監控模塊，持續不斷檢查所有被連接的防雷模塊的工作狀況，如果某個防雷模塊出現故障，機械裝置將向監控模塊發出指令，使監控模塊內的常開和常閉觸點分別轉換為常閉和常開，并將此故障開關信息發送到遠程有相應的顯示或聲音裝置上，觸發這些裝置工作。④遙信及電壓監控報警功能：該遙信及電壓監控報警裝置除了上述功能外，還能在防雷器運行中對加在防雷器上的電壓進行監控，當系統有任意的電源電壓下降或防雷器后備保護空氣開關〔或保險絲〕動作以及防雷器模塊損壞等，遠距離信號系統均會立即記錄并報告。該裝置主要用于三相電源供電系統。避雷元件的選擇作為防雷措施所使用的部件，大致分為避雷元件和防雷變壓器。在PV系統中一般使用作為避雷元件的避雷針〔器〕或者浪涌吸收器。①避雷針〔器〕。對于因雷電產生的沖擊性過電壓，將電氣設備的端子電壓降低在規定值以內，不引起停電，系統可復原狀的裝置。②浪涌吸收器〔防雷器也叫浪涌保護器〕。緩和從線路侵入的異常電壓的嚴重程度，且降低雷電浪涌峰值的裝置。③防雷變壓器。以屏蔽絕緣變壓器為主體，附加避雷器和電容器的裝置。在雷電浪涌侵入的場合，因內置的避雷器一次側和二次側間的高度絕緣以及屏蔽作用，雷電浪涌完全被阻斷。避雷器避雷元件的選擇方法作為在接線箱內及配電盤內安裝的避雷元件，一般選擇避雷器〔放電電流額定值大的〕，作為在陣列的主回路內安裝的避雷元件，選擇浪涌吸收器〔放電電流額定值小的〕(1)避雷器的具體選擇方法①在接線箱內選擇廠商產品目錄中避雷器的最大允許電壓〔可連續使用的電壓最大值〕欄或者額定電壓欄中記載的電壓比要安裝端子間的最大電壓大且接近的型號。在配電盤內那么選擇與廠商產品目錄中的額定電壓欄中記載的電壓符合的型號，或者廠商推薦的電壓的型號。②避雷器的電流為1000A(8/20us)時，選擇控制電壓〔浪涌電流流過時浪涌電壓被限制而殘留在避雷器兩端子之間的電壓〕為2000V以下的避雷器。報道說，作為感應雷的浪涌電流，最大有1000A。還有，太陽能電池陣列的脈沖耐電壓〔將標準雷脈沖電壓波形1.2/50us正負各3次施加時沒有引起絕緣破壞的最大電壓〕為4500V，考慮到避雷器接地線引起浪涌阻抗〔雷電電流流過時的阻抗〕的增大，所以把控制電壓限制在2000V以下。接地線要盡量短。③感應產生的波形不僅有8/20us的，還有比這個更長的能量大的波形，所以避雷器的放電電流額定值(浪涌電流額定值是指沒有引起實質上的障礙，5分鐘間隔2次流過規定波形(8/20us或者4/10us)的放電電流波峰值的最大限度〕為最低4000A以上，如果可能20kA為理想值。④避雷器希望有從電路易脫開的結構。測絕緣電阻時，操作性提高。⑤避雷器〔氧化鋅系列〕由于雷電流的沖擊性能劣化，最壞的情況是處于短路狀態，所以選擇性能劣化時具有能從電路自動脫離功能的產品，且容易維修檢查。選擇避雷器的舉例列于表4.5中將避雷器安裝在接線箱內的舉例示于圖4.2，安裝在配電盤內的舉例示于圖4.12

(2)浪涌吸收器的具體選擇方法①首先確認要安裝的端子間的最大電壓，然后從廠商產品目錄中的最大允許電路電壓DC(V)欄中選擇高于該電壓的型號。②感應雷的浪涌電流為1000A(8/20us)時，選擇控制電壓值在2000V以下的浪涌吸吸器。③放電電流額定值最低4kA以上的浪涌吸收器。④選擇具有能從電路中容易脫離結構的浪涌吸收器。防雷變壓器的選擇方法如果在功率調節器的交流側安裝了防雷變壓器，那么太陽能光伏發電系統不僅與商用系統保持絕緣，而且幾乎完全切斷雷電浪涌。這種方法在避雷器和浪涌吸收器不起保護作用的場合推薦使用。選擇變壓器時根據以下方法進行；①確定一次側和二次側電壓及容量，再由產品目錄參數選定型號。②選擇電氣性能〔電壓變動率、效率、沖擊波〔雷電脈沖〕、絕緣強度、浪涌衰減量〕良好的產品。③一次側和二次側有屏蔽板，且屏蔽板的數量愈多對雷電浪涌的抑制效果愈好，因此選用屏蔽板多的變壓器。光伏設備的防雷和接地措施1：架設避雷針防止低空直擊雷措施2:太陽電池方陣支架可靠接地；措施3：太陽電池方陣接線箱內，輸入、輸出處加裝防雷器，各機 殼均可靠接地； 選擇氧化鋅避雷器時，要計算或實測避雷器安裝處長 期的最大工作電壓。應使避雷器的額定電壓大于或等于避 雷器安裝點的最高電壓幅值(取1.1~1.15倍)。注意殘壓與 被保護設備絕緣水平的配合。 試驗研究說明：當氧化鋅避雷器閥片受潮或老化時， 阻性電流幅值增加很快，因此監測阻性電流可以有效地監 測避雷器絕緣狀況。措施4：機房設備需可靠接地。措施5：控制室進、出線處均增設防雷隔離箱，防止感應雷；并網逆變器的防雷和接地太陽電池方陣的線路防雷逆變器交流側和直流側的線路防雷光伏設備接地和系統接地SJ/T11127-1997光伏〔PV〕發電系統過電壓保護-導那么與建筑結合的光伏系統的防雷和接地依據：?建筑物防雷設計標準GB50057-94?建筑物的防雷和接地已經有標準，也已經很完善。因此，在建筑物上安裝的光伏系統一般不單獨安裝避雷裝置。GB50057-94中規定：突出屋面的金屬物體可不裝接閃器，但應和屋面防雷裝置相連；需要保護的突出屋面的飛金屬物體那么需要裝接閃器。建筑物等級：一類建筑：儲存爆炸物、易燃物和其它受雷擊易造成巨大損失或傷亡的建筑；二類建筑：重要的政府機構、博物館、檔案館、計算中心、通信中心等；三類建筑：一般公共建筑、辦公建筑、民居等。

大型并網光伏電站的防雷和接地接地裝置示意圖：1-接地體2-接地干線3-接地支線4-電氣設備34當地平均年雷暴日：25天以下屬于少雷區，接地電阻允許≤10歐姆。與土壤電阻率相關：土壤電阻率≤100歐姆.米，接地電阻≤5歐姆；土壤電阻率100-700歐姆.米，接地電阻≤10歐姆；土壤電阻率≤700歐姆.米，需增加10-20米輻射地網。其它結構、電氣系統設計配電室結構設計電氣連接設計6.3太陽能光伏發電系統配置設計實例下面介紹兩個太陽能光伏發電系統的整體設計配置〔技術方案〕實例，供大家設計、選型和配置時參考。6.3.1某大廈采光廊架離網光伏發電系統設計方案1．工程簡介某大廈采光廊架獨立光伏發電系統是太陽能光伏建筑一體化(BIPV)和太陽能光伏發電的具體示范和應用。該采光廊架屋頂共有36塊1200mmx1200mm的玻璃構成，總面積約為52mm2，擬全部采用夾膠玻璃太陽能光伏組件構成，形成光電采光屋頂，到達即可以采光又能進行光伏發電的目的。根據使用方要求，系統模式為帶蓄電池儲能的離網型光伏發電系統，所發電量主要供地下停車場及大廈周圍夜間照明使用。2．方案設計原那么及依據(1)設計原那么。本光伏發電系統設計配置以先進性、合理性、可靠性和高性價比為原那么。大功率控制器、交流逆變器采用國產優質產品，蓄電池組選用國優產品或合資企業產品，太陽能電池組件采用優質原材料及晶體硅電池片定制生產。(2)設計依據。①使用方提供的技術要求、圖紙及施工現場考察情況。②?民用建筑電氣設計標準?(JGJ16-2021)。⑨?電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收標準?(GB50254-1996)和?電氣裝置安裝工程電力變流設備施工及驗收標準?(GB50255-1996)。④?建筑玻璃應用技術規程?(JGJ113-2003)。⑤?玻璃幕墻工程技術標準?(JGJ102-2003)。⑥?地面用晶體硅光伏組件設計鑒定與定型?(GB/T9535-1998)。3．系統配置構成及設計選型說明該系統由夾膠玻璃太陽能電池組件、蓄電池組、大功率光伏控制器及離網交流逆變器等組成。(1)太陽能電池組件的設計。本工程太陽能電池組件容量確實定不是根據方案用電量來計算，而是根據現有玻璃屋頂的面積，在不影響采光的前提下，看看能排布多少電池片，然后根據排布的電池片數量及其轉換效率來確定整個電池方陣的總容量〔功率〕。排布電池片時還要考慮圖案的美觀和整體的協調，電池片的遮蓋面積不能超過總面積的50%。經過設計和計算，決定采用夾膠玻璃太陽能電池組件，由厚度為5mm的低鐵超白鋼化玻璃和厚度為8mm的普通鋼化玻璃及125mm×125mm單晶硅太陽能電池片采用特殊工藝壓合制作而成，其中Smm玻璃放在電池片的受光面。這種組件具有強度高、抗老化、壽命長、功率衰減小等特點。根據使用方要求設計了太陽能電池片排布方式，每塊組件排布36片電池片，排布如圖6-30所示。每塊組件的設計功率為約80W：峰值輸出電壓8.5V。設計36塊組件18塊串聯2串并聯連接組成方陣計算最大輸出功率為80W×36〔塊〕=2880W因采光屋頂與地平面平行，傾斜角為零，故實際最大輸出功率為2880Wx0.93≈2.68kW，方陣峰值輸出電壓為8.5Vx18〔塊〕=153V．根本滿足直流110V逆變器允許輸入電壓的范圍要求，當這個電壓不符合逆變器輸入電壓范圍要求時，要重新考慮方陣組件的串并聯方式，或重新選擇輸出功率適宜的24V、48V逆變器進行設計計算。方陣峰值輸出電流為2680W/153V～17.5A。(2)大功率光伏控制器的選型根據光伏電池方陣的技術參數，需要選擇一款額定直流工作電壓110V，額定輸入電流大于17.5A，且電池方陣輸入路數≥2的光伏控制器，在這里選用了合肥陽光的大功率控制器SD11050，該控制器額定工作電壓110V，額定輸入電流50A，電池方陣輸入路數6路，符合使用要求。(3)離網型交流逆變器的選型離網型交流逆變器需要選擇一款額定直流輸入電壓110V，額定輸入電流大于17.5A，交流額定容量大于組件最大發電容量，即大于2.68kW。根據產品手冊提供的參數，選用合肥陽光的SN1103KS型離網逆變器符合設計要求。該逆變器的額定直流輸入電壓為110V，額定直流輸入電流為30A，允許輸入電壓范圍為99～150V，交流輸出額定容量為3kVA，交流額定輸出功率為2.4kW。(4)蓄電池組的容量計算及組合根據光伏方陣的實際最大輸出功率，和建設地的峰值日照時數可以計算出光伏方陣的日平均發電量。以峰值日照時數為4.8h為例，該系統日平均發電量為2.68kWx4.8=12.86kWh。可以供500W負載連續工作24h，1000W的負載連續工作12h或2000W負載連續工作6h。考慮到該系統主要是為地下停車場及大廈周圍夜間照明使用，按照1000W負載連續工作12h，并保證連續3個陰雨天正常工作來計算蓄電池容量蓄電池容量計算公式計算：在此選用放電深度50%的鉛酸蓄電池，放電率修正系數選0.95，由于蓄電池使用環境溫度最低為0℃，所以低溫修正系數也選0.95，計算：負載日平均用電(Ah)=(1000Wx12h)/220V=54.5Ah蓄電池容量=54.5x3x0.95/(0.5x0.95)=327Ah根據計算結果，直接選用2V/400Ah蓄電池55塊，串聯后得到110V/400Ah蓄電池組，可以滿足系統要求。(5)系統的主要配置一覽表因為這個光伏發電系統功率較小，配置和連接都不復雜，可以免去直流接線箱，將兩路輸入直接接到光伏控制器上。變流配電柜也很簡單，可以考慮加裝一級交流防雷器。因該采光廊架緊靠大廈，所以不需要考慮避雷的問題。6.3.2100kW并網光伏發電系統設計方案

1．系統的主要構成100kW太陽能光伏并網發電系統的主要構成如下：(1)太陽能電池組件方陣；(2)太陽能電池方陣支架及根底；(3)直流側匯流箱及直流防雷配電箱；(4)光伏并網逆變器；(5)交流防雷配電系統〔配電柜、配電室〕；(6)監控測量和計量系統；(7)整個系統的連接線以及防雷接地裝置等。2．系統的主要配置說明(1)太陽能電池組件。系統選用功率為180W的太陽能電池組件，其峰值輸出電壓為34.5V，開路電壓為42V，共配置576塊，采用16塊電池組件一組進行串聯為一個光伏方陣，共配置36個光伏方陣〔要求方陣朝向一致〕，電池組件總功率為103.68kW。(2)光伏并網逆變器。系統設計分成2個50kW并網發電單元，總設計功率100kW。選用合肥陽光電源SG50K3并網逆變器2臺。(3)直流側匯流箱及直流防雷配電箱。為了減少電池組件與逆變器之間連接線，以及日后的維護方便，建議在直流側配光伏方陣防雷匯流箱〔簡稱“匯流箱〞〕，該匯流箱為6進1出，即將6路光伏陣列匯流成1路直流輸出，每個50kW逆變囂需要配置匯流箱3臺。光伏陣列經過匯流箱匯流輸出后通過電纜接至配電房，經直流防雷配電箱分別輸入到SG50K3逆變器中，系統需要配置2臺直流防雷配電柜，每個配電柜按照1個50kW直流配電系統進行設計，直流輸出分別接至SG50K3逆變器。2臺逆變器的交流輸出再經交流開關配電柜接至電網，實現并網發電功能。(4)監控測量和計量系統。此外，該系統應配置1套通信監控測量裝置，通過RS