光伏系统的防雷击保护和电涌保护

由于光伏设备暴露在户外， 并且逆变器的电子元件又非常敏感， 为确保其 20 年的使用寿命，有效的雷击和电涌保护是必不可少的。不仅房屋的业主决定在他们的屋顶上安装光伏设备，而且一些私人企业在社区中对此类设备的投资也越来越大， 通常这些设备被架设在大面积的屋顶、 公共建筑或未使用的开阔区域上。 由于光伏设备占用大量户外空间， 因此在雷暴发生时极易受到雷电的威胁。 光伏设备中产生电涌的原因主要是： 由于雷电放电和上游电源系统的开关操作引起感性或容性的耦合电压。 雷电引起的电涌可能会损坏光伏模块和逆变器， 这将给设备的运转造成严重后果： 首先，逆变器的修理费高昂； 其次，系统故障可能会大幅削减电厂运营商的利润。防雷的必要性通常， 在建立光伏系统时必须明确区分所设立的建筑上是否具有防雷系统。 出于安全原因，对于集会场所、学校、医院等公共建筑，在德国建筑条例中是要求配备防雷系统的。其中， 对于建筑物， 还要根据它们的位置、 建筑结构或使用情况判断是否易受雷击或雷击是否可能造成严重的后果。 对于那些需要保护的建筑物， 必须配备长效的防雷系统。 私人建筑物常常因未采取雷电保护措施而被雷击。 发生这种情况， 部分是由于财力的原因， 也有是由于对此类风险缺乏敏感性。 如果为光伏系统选择了没有外部防雷的建筑物， 那么， 就出现了一个问题， 即在屋顶上安装太阳能发电板时， 是否应该为整个建筑物提供防雷保护？根据最新的科技理论， 在建筑物上安装光伏模块不会增加发生雷击的风险， 因此不能仅仅根据现有的光伏设备就直接得出需要防雷的结论。 但是， 在发生雷击时， 建筑物上的电气设备遭到损坏的危险会增加。 这是基于以下事实： 由于将光伏系统的电缆被引入建筑物内， 由雷电流引起的电磁干扰 （传导干扰和辐射干扰） 可耦合到现有的插座和电缆。 因此必要评估遭受雷击的风险，并且在设计时将得到的结果考虑在内。 IEC 62305-2 （给出了如何计算雷击建筑物的风险，以及选择防雷系统的规程和数据。为此， DEHN+S? HNE 公司提供了软件DEHNsupport 。该软件给出的风险分析可确保得出有关各方面都认同的防雷保护概念，并且满足最优的技术和经济要求，即以最小的花费提供必要的保护。德 国 保 险 协 会 已 在 其 指 导 原 则 VdS 2010“ Risikoorientierter Blitz -und ü berspannungsschutz f ü r Objekte ” （中译 “ 面向风险的防雷和电涌保护 ” ）引入 IEC 62305-2 （ EN 62305-2 ）的风险分析，并从保险行业的角度出发提出为建筑物采取防雷措施。在 “ 表 3” 中照此指导原则，以简化方式将保护等级及其对应的防雷措施进行了划分。此外，该指导原则还适用于具有备用供电设备的建筑物，例如：配有光伏设备（＞ 10KW ）的建筑物。根据这些标准，对此类物体必须考虑采用 III 级防雷等级（ LPL）进行保护。此外，还要求具有其它的电涌保护措施。针对 III 级设计的雷电保护系统（ LPS ）满足光伏 / 太阳能系统的常规要求： “ 建筑物上的光伏 / 太阳能系统不得对现有的防雷保护措施造成影响。根据 IEC 62305-3 （ EN 62305-3 ）的 5.2 和 6.3 ，光伏 / 太阳能系统应该由隔离的接闪装置提供保护，以防遭到直接雷击。如果无法避免直接连接，则必须顾及部分雷电流进入建筑物产生的后果。直接雷击时，光伏逆变器的雷击保护如果光伏系统安装在具有外部防雷系统的建筑物上， 则对其基本要求之一是： 光伏设备要在隔离接闪装置的保护区域内。 此外， 必须保持光伏设备支架和外部防雷系统之间的隔离距离，以防止发生失控的闪弧。否则，可能会有大量的雷电流进入建筑物内部。运营商常常希望整个层顶都铺上光伏板， 以便获得尽可能高的经济利润。 在这些情况下，常常无法实现所要求的隔离距离，不得不将光伏设备的支架整合到外部防雷电保护系统中。在此， 必须考虑耦合到建筑物内的雷电流所带来的后果， 因而必须提供等电位连接。 这意味着，直流电缆中也将有可能流过雷电流，所以必须实施等电位连接。按照 IEC 62305-3 ，该直流电缆必须由 1 级电涌保护器（ SPD ）保护。目前，基于火花间隙、用于直流电压侧的 1 级电涌保护器还无法提供。这个问题在于，一旦火花间隙被击穿，便无法熄灭，因此电弧仍会持续存在。DEHN+S? HNE 公司已成功地开发了可以遮断直流电弧的火花间隙型的电涌保护器 -复合型雷电流和电涌保护器 DEHNlimit PV 1000 （ 图 9.18.1.1 ） 。这样， DEHNlimit PV 1000 成为用于光伏电站的理想的电涌保护器。 在发生直接雷击的情况下， 密封的爬电火花间隙技术也能为光伏设备的发电机和逆变器提供安全保护。 DEHNlimit PV 1000 的雷电流泄放能力高达 50KA 10/350μs 。图 9.18.1.1 1 级复合型电涌保护器 DEHNlimit PV ，在发生直接雷击的情况下，能保护光伏逆变器免遭雷击冲击电流的损坏2 级单极光伏电涌保护器，带内置短路装置在 2 级电涌保护器 DEHNguard PV 500 SCP 的内部构造中，设定了新的安全模式。在此 SPD 中具有双监控和动态热脱扣装置，并结合一个额外的短路装置。即使设备过载，如： 在光伏发电机回路中发生绝缘故障， 该电涌保护器仍能确保安全而不会出现火灾的危险。以下示例用来解释 DEHNguard PV 500 SCP 中的短路装置的作用：1. 图 9.18.1.3 ：在光伏设备运转期间光伏发电机上出现绝缘故障。2. 图 9.18.1.4 ：这导致电涌保护器因超过允许的最大连续电压 UC 而过载。3. 图 9.18.1.5 ： DEHNguard PV 500 SCP 的脱扣和短路组合装置动作。短路电流可达50A 直至光伏设备处于自动修复状态。这样，即使在光伏发电机的电路中出现绝缘故障，也能确保安全隔离而没有火灾危险。应用示例无外部防雷系统的建筑物图 9.18.1.6 无外部防雷系统的建筑物上光伏设备的防雷保护概念图 9.18.1.6 所示，是在无外部防雷系统的建筑物上为光伏设备设立的电涌保护概念。电涌保护器的可能的安装位置是：→ 逆变器的直流输入端→ 逆变器的交流输出端→ 供电系统的低压侧2 级电涌保护器 DEHNguard 安装在建筑物的低压供电系统中。 DEHNguard M 具有一个完整的预接线装置，针对每一个低压系统（ TN-C 、 TN-S 、 TT ） ，都有相应的产品（表9.18.1.1 ） 。如果光伏逆变器和 DEHNguard （低压电源侧）的安装位置之间的距离不大于5 米， 则逆变器的交流输出便得到了足够的保护。 如果导线较长， 则需要在逆变器的交流输入端的上游安装额外 2 级电涌保护器（表 9.18.1.1 ） 。表 9.18.1.1 在无外部防雷系统的建筑物上光伏系统电涌保护器选型表在逆变器的直流输入端， 在每个进线端的正极和负极之间都必须安装 “ DEHNguard PV 500 SCP” 电涌保护器。采用这个保护装置，即使发电机的直流电压高达 1000V ，也能为光伏设备提供安全的电涌保护。所选的电涌保护器的工作电压应该比在寒冷冬日的最强日晒期间太阳能发电机预期开路电压约高 10% 。具有外部防雷系统并且保持隔离距离的建筑物防雷系统的正常工作状态须经已有的试验报告或维护检查来证实。 如果在检查时发现外部防雷系统存在缺陷（例如：严重腐蚀、松动和端子脱落） ，则光伏设备的建设者有责任将这些缺陷书面通知建筑物的所有者。在屋顶表面上搭建光伏设备时， 应该考虑到现有的外部防雷系统。 为此， 光伏设备必须安装在外部防雷系统的保护分区内防止被直接雷击。 举例来说， 通过使用适当的接闪装置 （如：避雷针） ，可以防止光伏板遭到直接雷击。避雷针的布置必须使在形成的保护空间内放置的光伏模块可以避免遭到直接雷击，其次， 必须防止任何阴影投射到光伏板上。务必注意，在光伏组件和金属部件（如：防雷装置、雨水槽、天窗、太阳能电池或天线系统）之间必须依据 IEC 62305-3 （ EN 62305-3 ）保持隔离距离 S。隔离距离按照 IEC 62305-3 （ EN 62305-3 ） 3 进行计算。图 9.18.1.7 中所示的光伏设备位于外部防雷系统的保护区域内。图 9.18.1.7 具有外部防雷系统并且保持隔离距离 s 的建筑物上光伏设备的防雷概念图 9.18.1.7 展示了具有外部防雷系统的建筑物上的光伏设备的电涌保护概念，其中，光伏板与外部防雷系统保持足够的隔离距离。防雷系统的关键部分是要对所有从外部进入建筑物的导电部件进行等电位连接。 完成等电位连接要求的办法是： 正常情况下不带电的金属构件直接接到等电位系统上， 带电电缆或导体通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。 等电位连接应尽可能靠近系统的入口或建筑 物 的 进 线 处 ， 以 便 防 止 部 分 雷 电 流 以 侵 入 建 筑 物 。 建 筑 物 的 低 压 供 电 系 统 可 由DEHNventil ZP 保护，它是采用了火花间隙技术的多极复合型雷电流和电涌保护器。它是为电表中 40mm DIN 轨安装而专门设计的。 SPD 必须根据电源系统的接地方式进行选择。（表 9.18.1.2 ）表 9.18.1.2 在具有外部防雷系统并且保持隔离距离 s 的建筑物上光伏系统电涌保护器选型表此复合型 SPD 将雷电流和电涌保护功能整合在一个装置内，无需去耦，并具备完整预接线装置，可用于各种低压系统（ TN-C 、 TNS 、 TT） 。若 DEHNventil 和终端设备之间的距离＜ 5m ，则其保护能力已经足够，不需要额外安装保护装置。对于更长的电缆，必须加装 2 级或 3 级 SPD 如果逆变器的交流输出端和 DEHNventil 的安装位置之间的距离不大于5m ，则交流侧不需要加装额外的保护装置。在逆变器的直流输入端，每条进线正极和负极对地之间都必须安装 PV 500 SCP 电涌保护器。