光伏电气常识.pdf

1/15 光伏电气应用常识1. 光电效应又称光生伏特效应， 这是物理学在十九世纪末一个重要而伟大的发现。 简单的说在光的照射下， 物质内部的电子会被光子激发出来形成电流。 具体到光伏行业所用的光伏组件的解释是： 组件的核心是硅片，它是半导体元件，有着 PN结。当太阳光照射在 PN结上，光子激发 P区生成电子流带正电，同时 N区形成了空穴流带负电。这样，电子和空穴在硅片中形成了运动的电荷， 产生了电动势。 由于半导体具有单向导通的特性， 在外电路的作用下就形成了电流， 生成了直流电。2. 光伏组件主要技术参数1.1 开路电压： 在一定温度和辐照条件下， 光伏组件正负极在空载（开路）情况下的端电压，通常用 Voc。1.2 短路电流： 在一定温度和辐照条件下， 光伏组件正负极短路时流过的电流，通常用 Isc 。1.3 最大输出工作电压： 输出功率最大时的工作电压， 通常用 Vpm。1.4 最大输出工作电流： 输出功率最大时的工作电压， 通常用 Ipm。1.5 最大输出功率（ Pm):最大输出的工作电压（ Vpm）×最大输出工作电流（ Ipm） 。注： pm瞬时最大值。1.6 光伏电池组件在标准状态下最佳输出功率：光伏组件电池温度在 25℃，光谱分布 AM1.5，辐射照度 1000W/㎡。3. 直流电字母标识是 DC。是指电压和电流方向不随时间作周期性变化的电能。直流电的电压、电流波形基本是平稳的，在试波器上显示成矩2 / 17 形。 其中电流方向、 大小不变， 称其为恒流源； 电压方向、 大小不变，称其为恒压源； 电压的大小随时间变化的叫脉动直流。 由于它不能产生交变的磁场，则不能进行电压电流的变换，监测其电压、电流的大小只能用分压器和分流器。4. 交流电字母标识是 AC。 交流电大小和方向都是随时间变化的一种电能。我们所用的交流电的电压和电流是按正弦曲线作周期变化的。 这是由于交流发电机的多对磁极是按一定的角度均匀分布在定子圆周上， 在它发电的过程中 , 各个磁极切割磁力线的时候具有互补性，能不断的产生稳定的电压和电流。交流电的频率一般是 50 赫兹，即每秒变化50 次。也有其它频率如美国和欧洲少数国家是 60 赫兹。交流电能使铁磁物质产生交变的磁场， 这是交流电的一个重要特性。 这一特性使得交流电能进行电压的升降， 可以远距离地传输电能。 其电压电流的大小，可以借助于由铁磁物质制造出互感器来监测。5. 逆变器逆变器是一种以半导体器件为主要元件组成的电力调整装置。 能把直流电转换成交流电， 由直流调控电路和逆变桥式电路构成。 这些电路由晶体管开关元件构成，开关元件有规则地让其重复开 - —关，使直流输入变成交流输出。 单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用，需要采用高频脉宽调制，形成一个正弦波脉冲波列，正弦脉冲波再通过滤波形成标准的正弦波。 晶体管开关电路和脉宽调制是逆变器的核心技术。如此同时，功率因数模块将其调制到最佳值0.98 左右， 这说明逆变器在输出有功的同时也可以调节无功的输出。3 / 17 并网光伏电站所用的逆变器还有一个重要的特性是先要摄取待并电网的电能特性，即频率、波形、初相位等。其逆变流程大致是：取样（电网特性） ——记忆——逆变——比对——输出。 这就是并网光伏电站为什么先要倒送电才能并网发电的原因所在。逆变器在各项保护功能中最主要有低电压穿越和防孤岛运行功能， 其中低电压穿越功能是在电网电压发生变化时， 逆变器能始终保持并网状态， 且能够限制输出电流不超过逆变器额定电流幅值。 防孤岛运行功能是为了防止光伏发电系统处于并网状态时在系统侧发生停电时，光伏系统会继续供电，这会给维护检修人员带来危害。为了防止这种孤岛运行，逆变器会自动解列，以保证系统安全。6. 变电站规程定义： 电力系统的一部分， 它集中在一个指定的地方，主要包括输电或配电线路的终端、开关及控制设备、建筑物和变压器。通常包括电力系统安全和控制所需的设备（例如保护装置） 。定义注释：可在变电站这个词前加一个前缀来界定。例如 110kV振阳变电站。变电站是接受电能、变换电压、进行分配电能的枢纽，是发电系统和输电网络及电力用户之间的重要桥梁， 也是中、 大型并网光伏电站核心所在。变电站的效能是需要由室内外配电装置、继电保护、自动装置及监控系统相互配合而产生。 变电站有升压和降压之分， 光伏电站属升压式。其形式通常有户外式、户内式、地下式、箱式等。仅有配电装置用来接受和分配电能而无变压器进行电压变换的， 叫配电所或开闭所。 光伏工程中常见的是 110kV升压式变电站和 35kV、 10kV4 / 17 配电所。7. 输变电输电工程是将交流电电能用高压输电线路进行远距离输送的线路工程，电压等级为 35kV 及以上；变电工程是用变压器进行电压转换的工程；输变电工程是指不仅有输电线路，还有变电工程。8. 电压高低等级划分规程定义：8.1 低 ［电］ 压 Iow voltage ； LV： 用于配电的交流系统中 1000V及其以下的电压等级。8.2 高［电］压 igeh voltage ； HV： （ 1）通常指超过低压的电压等级。 （ 2）特定情况下，指电力系统中输电的电压等级。9. 配电系统分高压配电系统和低压配电系统。 高压配电系统电压等级为 10kV及以上， 低压配电系统电压等级为 380/220V。 330kV及以上电压等级为特高压系统，它不属于配电系统， 。10. 电气一次设备一次设备是指直接生产、 输送和分配电能的电气设备。 如发电机、变压器、电力电缆、开关柜、断路器（俗称开关） 、隔离开关（俗称刀闸） 、负荷开关、熔断器、母线、避雷器、电流互感器、电压互感器、消弧线圈、电抗器、电容器等。由这些设备连接在一起构成的电路称为一次接线， 又称为主接线。 描述一次接线的图纸称为一次主接线图。11. 电气二次设备5 / 17 二次设备是指对一次设备的工作状况进行监视、测量、控制、保护、调度等所需要的电气设备。如继电保护、测量监控、调度管理、远动通讯、直流系统、温控测试、综合自动化等装置。还包括电流互感器、 电压互感器的二次绕组的引线。 这些二次设备按照一定的功能连接在一起构成的电路称为二次接线或二次回路， 描述二次接线的图纸称为二次接线图或二次回路图。 二次回路有单元功能之分， 一般分控制、 信号、 测量、 绝缘监察、 继电保护、 自动装置、 操作系统等等。关于站用交流低压电源系统是否属于二次设备说法不一， 我主张另存一脉。12. 防雷接地是指为防止雷电和雷电波的侵袭， 以防击穿电气设备的绝缘所设置的接地保护装置。通常由避雷器、避雷针、接地引下线、水平接地线、垂直接地极、接地模块等器件组成。需要说明是避雷针的接地装置必须是独立的， 与其它接地装置在地下水平距离需五米以上， 距主变压器中心处需 15 米以上。这是为了防止遭雷击时因避雷针导引的雷电高电压强电流， 在向大地泄放时传递到其它设备的接地装置， 由反窜而损坏设备绝缘。13. 工作接地又称系统接地。 是电力系统中因设备运行需要而设置的接地。 如变压器中性点、避雷器接地端、电流互感器的接地点、消弧线圈接地端、光伏支架、太阳电池组件外框等等。14. 保护接地为防止因电气设备绝缘损坏时， 有可能造成设备的金属外壳、 配6 / 17 电装置的构支架和线路杆塔带电， 危及人身和设备的安全而设置的接地装置。 这种接地装置在变电站里通常与工作接地合为一体， 在家用电器中是单独设置的即为“ E”线。15. 自然接地体是指施工前已埋入在大地中并与大地紧密接触可以兼作接地极用的各金属构件。如电池组件支架的螺旋桩、金属管道、钢筋混凝土基础的钢筋等。 禁用燃气管道和供水管道作自然接地体 。16. 接地电阻接地装置中由垂直接地极，包括自然接地体、接地引下线、水平接地线等组成的接地网对地的电阻值。 简称为接地设备与接地网之间的电阻值。17. 接地线是指电气设备与接地网连接用的导线或镀锌扁铁。导线为铜质，其截面拟 25 平方毫米为宜， 色标为黄绿 10 公分相间； 镀锌扁铁截面按图纸设计标注，一般不小于 40 x 4( 毫米 ) ，外露部分的色标为黄绿相间 10 公分。18. 中性线与低压系统电源中性点连接，用以传输电能的导线，俗称“ N”线或零线，其截面通常与相线截面相等，至少不应小于相线截面的2/3 ，色标为深灰色或黑色。19. 小电流接地系统在高压系统中， 35kV 及以下电压等级的变压器中性点不引出或引出经消弧线圈接地，以及中性点引出不接地（ 8000kVA及以上的变7 / 17 压器在空载投运时需将中性点经避雷器接地，正常后退出） 。这类运行方式的变电系统称小电流接地系统。20. 大电流接地系统在高压系统中， 110kV及以上电压等级的变压器中性点直接接地运行。这种运行方式的变电系统称为大电流接地系统。21. 低压系统接地型式低压系统接地型式有许多种， 我们常用的是三相四线制中的 “ TT系统” ，即低压系统中性点直接接地并引出兼做“ N”线。电气设备和家用电器的外壳应另行接地。如图：22. 变压器变压器是电力系统的主要器件， 有着升压或降压的作用， 它是利用交流电在铁磁物质里能建立起交变的磁场这一特性而制造出来的，起作变换电压、传输功率的作用。功率取决于电压与电流之积，功率恒定时电压高电流就小， 输电线路损耗就少。 因而电力经变压器升压后输送，可以大大地减少线路损耗，提高经济效益，达到远距离输送电能的目的。 在用户端多属降压型变压器， 其中越过一个电压等级的降压变压器俗称直变， 如 35kV直接变 0.4kV 的称 35kV直变 （不需经8 / 17 10kV） ，变电站里常用这种变压器提供站用电源。23. 断路器规程定义是： 能关合、承载、开断运行回路的正常电流，也能在规定时间内关合、 承载及开断规定的过载电流 （包括短路电流） 的开关设备， 也称开关。 即正常情况下它能关合分断各种负载电路，故障情况下能开断故障电流， 它具有较强的熄灭电弧的能力。 高压断路器运行中都是釆电动操作， 由于它的遮断容量较大， 在二次保护元件作用下能断开短路电流和自动重合。24. 高压熔断器俗称高压保险。 它配有能通过额定电流的熔丝。 当运行电流超过熔丝额定电流或出现短路故障时，熔丝熔断，开断高压电路，从而保护了运行中的电器。常见有配电变压器高压侧所装的跌落式熔断器，电压互感器柜中白色瓷质熔管。25. 高压负荷开关高压负荷开关只能在正常工作情况下， 关合分断不超过其额定流值的负载电路，灭弧能力不强，不易开断短路电流，因而常常与熔丝配合使用。箱式变压器高压室内配有这类高压负荷开关。26. 高压隔离开关规程定义是： 在分位置时， 触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志； 在合位置时， 能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。 俗称刀闸，是配合高压断路器用的。 在电路中起着接通和隔离电源的作用， 设备停电或检修时起作电路中有明显断开点的作用。由于它没有灭弧装置，9 / 17 不能合、分负载电路，即不能带负荷合闸和分闸，否则造成误操作事故。它能开断较小的电流，如较短母线的空载电流、容量 5000kVA以下 35kV变压器的空载电流等。27. 接地开关也就是接地刀闸。为确保人身安全，在电气设备检修时，用接地开关将被检修设备接地， 相当于挂接地线。 操作接地开关一定要慎而又慎，严防误合，尤其是靠近电源侧的接地开关。28. 电流互感电流互感是监测运行中的电气设备流通电流的大小而设置的， 将大电流以一定的比例缩小而显示（即变比如： 400／ 5 等） ，配合仪器仪表供测量、计量、保护所用。运行中的电流互感器二次侧绝对不能开路，开路时二次侧会有很高的电压，损害设备绝缘，危及人身和设备安全。 因此在电流互感器二次电流端子处工作时， 先要将电流端子对地短接。29. 电压互感器电压互感是监测运行中的电气设备承载电压的大小而设置的， 将高电压以一定的比例缩小而显示（即变比如： 35kV／ 100V等） ，配合仪器仪表供测量、计量、保护所用。运行中的电压互感器二次侧绝对不能短路，短路时二次侧会有很大的电流，损害设备绝缘，危及人身和设备安全。因此在电压互感器二次端子处都装有保险丝。30. 避雷器其作用是保护电气设备不遭受雷电和操作过电压的伤害。 这是在电气线路上或设备接线处， 人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置， 通常10 / 17 所用的材料是氧化锌。 在正常电压下运行时， 间隙处于隔离绝缘状态；超过正常电压的一定值时，间隙被击穿接地 , 迅速地对地泄放电流而降低电压，使电压稳定在额定值上，这就保护了线路和设备，系统能正常运行。 这一特性显示出氧化锌避雷器是一个非线性电气元件。 避雷器有电站型、线路型和配电型之分，分别用“ Z” 、 “ X”和“ S”标记，选择设备时应注意这点。31. 放电计数器是用来监测避雷器放电动作次数的一种电器， 其构造由非线性电阻、电磁计数器和一些电子元件组成。正常运行电压下，流过计数器的电流非常小， 计数器不动作。 当避雷器通过雷电波、 工频过电压时，较大的电流从计数器中非线性电阻通过， 经过直流变换后， 对电磁线圈放电而使计数器吸动一次并拨动指针， 以此来实现记忆避雷器动作的次数，为设备运行的防雷提供分析依据。32. 泄漏电流监测仪泄漏电流监测仪是用来监测运行中避雷器的泄漏电流， 它由非线性电阻、电磁计数器、毫安表和电子元器件组成。泄露电流指的是避雷器接入系统后， 流过避雷器氧化锌阀片芯体内的电流。 正常情况下避雷器类似于绝缘体， 流经阀片芯体内的电流是相当小的， 大约不超过 1 毫安。如果变大了，说明避雷器芯体内阀片性能下降，或者是遭受到过电压的毁坏而使避雷器不能正常工作。 泄漏电流监测仪盘面上有个电流表，表盘上有绿色、黄色和红色的范围，指针在绿色范围内说明避雷器性能良好； 在黄色范围内说明避雷器泄露电流略大点， 但还可以用； 在红色范围内表示需要更换避雷器了。 避雷器是全封闭整11 / 17 体设备，不存在维修，只能更换新的。33. 电容器光伏电站里安装的电容器都是并联电容器， 又叫移相电容器。 它主要由芯子、 外壳和出线等几个部分组成。 芯子是用金属箔作为极板与绝缘纸或塑料薄膜叠起来一起卷绕并浸渍绝缘油； 极板的引线经串联、 并联后接至出线瓷套管下端而引出。 电容器的金属外壳内充满绝缘介质油（多为硅油） 。并联电容器主要用于补偿电力系统因感性负荷而消耗的无功，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗。由于电容器具有其端电压不能突变的特性， 在电气设计中不可设置重合闸回路，运行操作中从分到合需间隔一定的时间。34. 电抗器是一个无导磁材料的空心线圈， 也有带铁芯的， 如无功补偿设备中的磁性电抗器（外型类似变压器） 。串联在电路中起作利用感抗增大电路阻抗，限制短路电流的作用；并联在电路中常用于无功补偿，限制高次谐波进行滤波的作用。 由于电抗器是电感元件， 具有电流不能突变的特性， 即电流不会在开关断开的瞬间突然消失， 在电气设计中不宜设置重合闸，运行操作中从分到合需间隔一定的时间。35. SVG 是具有动态无功补偿装置的组合电器， 由降压式变压器、 电容器、电抗器、开关柜、自动调节及测量控制系统筹组成。其工作原理是：利用可关断大功率电力的电子器件， 组成自换相桥式电路， 适时地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位， 或者是直接控制交流侧电流， 使该电路及时地吸收或发出满足要求的无功电流， 实现动态无功12 / 17 补偿。用以提高功率因数，稳定电压，降损节能；还可以阻尼系统振荡，提高送变电系统的稳定性。正因为如此，在中、大型并网光伏电站中，供电部门对 SVG的要求很严格。36. 中性点接地装置110kV、 220kV 是供电网络的主要电压等级，电压很高 , 中性点一般采用直接接地的运行方式。但是，由于继电保护整定配置，防止通讯干扰， 限制单相短路电流等方面的要求， 部分变压器需要采用中性点接地的运行方式。 这种运行方式在遭受雷击或发生单相接地等故障时会使中性点过电压， 对变压器的绝缘造成很大威胁， 因而设置了中性点接地保护装置。它由中性点套管内电流互感器、铜棒间隙、间隙电流互感器、避雷器、隔离开关、端子箱及支架等组成。在中性点受到雷击和单相接地过电压的威协时， 釆用避雷器和放电间隙并联接线相互配合进行保护。 其原理是利用避雷器无放电延时的特点， 防止雷击过电压和操作过电压； 利用间隙放电有延时的特点， 防止单相接地短路造成的过电压。 正因为如此， 在投运空载变压器时为防止操作过电压和励磁涌流， 必须先投入中性点接地装置。 釆用隔离开关可以根据调度指令， 灵活地切換中性点接地或不接地的运行方式以及是否投入间隙保护。37. 小电流选线装置小电流选线全称小电流接地选线装置， 适用于 10kV和 35kV中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的运行系统。 当系统发生单相接地时，能够准确地显示发生单相接地的故障线路。其原理大致是：发生接地故障时， 非故障线路的零序电流为该线路本身对地电容电流之和，13 / 17 其方向从母线指向线路。 而故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和， 其方向是从线路流向母线的。 因而可以利用故障线路零序电流大的特点， 实现有选择性的作用于信号报警或跳闸， 直接指出故障线路。 正因为如此， 我们要求在线路柜的电缆进线处安装零序电流互感器。还有采用“首半波” 、 “无功功率方向” 、 “谐波电流的方向和大小” 、 “小波分析法”等多种原理和方法来选线。38. 单相接地运行小电流接地系统线路发生单相接地故障时， 故障电流的数值往往较负荷电流小的多； 故障相电压降为零， 非故障相电压升高为相电压的√ 3 倍， 但三相线电压仍然保持对称， 对供电负荷没有多大的影响。因此规程规定：在小电流接地系统中，出现单相接地故障时，允许系统继续运行 1～ 2 小时。但要尽快处理，以免扩大故障范围。这也是小电流选线装置在系统线路发生单相接地故障时， 只作用于信号告警而不需跳闸的依据所在。39.KYN型高压开关柜它是手车式高压开关柜， “ KYN-28-40.5 ”解释是： K—金属铠装封闭式， Y—移开式即手车式， N—户内式， 28—设计序号， 40.5 —额定电压。 它由手车室、 电缆室、 母线室、 二次室 （继电仪表室） 组成。具体分为断路器柜、计量柜、避雷器柜、电压互感器柜、隔离柜、所用变柜和母线接地柜。各类开关柜都配有相应的联锁装置。例如：断路器柜只有断路器处于分闸位置， 手车才能摇进摇出， 接地开关才能合闸，其它类型的开关柜手车的摇进摇出是受闭锁机构的限制。40. 断路器手车的三个位置14 / 17 40.1 工作位置：一次隔离触头和长形方盒带有波纹软管二次线的二次触头均接通， 二次开关都在闭合位， 断路器柜内的断路器可合分闸。40.2 试验位置：一次隔离触头断开，二次触头接通，断路器柜内的断路器在分闸时，可进行继保、自动装置及二次回路传动试验。40.3 检修位置：一、二次回路均断开，手车拉出柜体进行检修和测试。41. 电气五防41.1 防止误拉、误合断路器。41.2 防止带负荷误拉、误合隔离开关。41.3 防止带电合接地隔离开关。41.4 防止带接地线合闸。41.5 防止误入带电间隔。42. 电气设备运行的几种状态42.1 冷备用：连接设备两侧的开关和刀闸都在断开位置。42.2 热备用：连接设备两侧的刀闸在合闸位置，开关在断开位置。即开关一经合闸设备就可带电运行。42.3 检修位：连接设备两侧的开关和刀闸都在断开位置，设备两侧的接地刀闸在合闸位置或者是设备两侧装有接地线。42.4 设备退役位：连接设备两侧的导线（含铜牌、铝牌）完全拆除并清出现场。43. 保证安全生产的组织措施43.1 工作票制度。15 / 17 43.2 工作许可制度。43.3 操作票制度。43.4 工作间断、转移和终结制度。44. 保证安全生产的技术措施44.1 停电。44.2 验电。44.3 接地。44.4 悬挂标志牌和装设遮拦（围栏） 。45. 设备不停电时的安全距离：电压等级（ kV） 安全距离（ M）10 及以下 0.7 20、 35 1.00 63（ 66） 、 110 1.5 220 3.00 330 4.00 500 5.00 46. 有功功率字母是标识为 P。 是电能供给用电设备正常运行的有功功率，是指将电能转换成机械能、光能、热能等其他形式的那部分能量。计量单位是千瓦（ KW）或兆瓦（ MW） 。47. 无功功率字母标识为 Q。 是电能供给用电设备建立和维持电场与磁场进交换的功率，俗称无功功率。如变压器内的交链磁场、电动机的旋转磁16 / 17 场、电感元件的感性磁场和电容元件的容性磁场等。它对外不做功，但不是无用功率， 而是电气设备不可缺少的功率， 否则电机不能运转，变压器不能工作等等。计量单位是千乏（ Kvar）或兆乏（ Mvar） 。48. 视在功率字母标识为 S。 是电能有功功率与无功功率的总称，但不是两者简单的代数和，而是矢量之和。数学表达式为： S=√（ P2+Q2）计量单位是千伏安（ kVA）或兆伏安（ MVA） 。49. 功率因数字母标识为 COSФ。又称“力率” ，是有功功率与视在功率的比值。 COSФ＝有功功率 P／视在功率 S ；另一种数学表达式是 CosФ＝ P/√ 3× U× I 。它无计量单位，是纯数字。强调一点：功率因数是电力部门考核的一个重要指标， 要求用户和发电部门不低于 0.9 甚至更高但又不要超过 1.0 。从功率三角形去分折，这就需要我们适时地增加无功设备的投运，减少无功功率的消耗。50. 无功补偿电力负荷如电动机、变压器、金属熔炉等，属于感性负荷，这些设备运行时， 电网在提供有功功率的同时还需要提供无功功率。 这类无功功率不可能全部由电网中的发电设备提供， 否则就会大大地降低发电设备的出率而得不偿失。 这就需要用电单位安装并联电容器等设备进行无功补偿， 减少电网无功功率的输送， 降低线路和变压器因输送无功功率而造成的电能损耗，提高了电网的功率因数和供电效率，同时也遏制了高次谐波的增加，保证了电能质量，改善了供电环境。51. 电力计算的基本公式17 / 17 51.1 有功功率 P = √ 3× U× I × CosФ。51.2 无功功率 Q = √ 3× U× I × Sin Ф。51.3 视在功率 S = √ 3× U× I 。52. 值得记忆的数据有功率为 1 兆瓦时， 也就是光伏组件安装容量为 1 兆瓦时， 利用公式 I = P/√ 3× U× CosФ可以计算出电流值。由于逆变器输送出来的交流电功率因数很高，有 0.98 以上， CosФ值可以近似为 1，当电压为 10.5kV（ 10kV 的标称电压值）时，计算出 1 兆瓦的电流 I 是 55A（安） ；当电压为 35kV 时，计算出电流 I 是 16.5A（安） ；当电压为110kV时，计算出电流 I 是 5.25A（安） 。一般来说导线截面为 240 或者是 300 平方毫米时，在一定的输送距离内 , 其输送电流 500 安左右为宜， 且也利于开关的选用。 这就告知我们 : 光伏电站釆 10kV并网时最大容量可以做到 10 兆瓦（ 55A× 10=550A）较为经济合算。同理推算出釆用 35kV并网时最大容量可以做到 30 兆瓦 （ 16.5A× 30=495A） ；釆用 110kV并网时最大容量可以做到 100 兆瓦（ 5.25A× 10=525A） 。因而 55、 16.5 、 5.25 是值得记忆的数据。