CN220754781U - 应用于光伏发电系统中的防雷结构及其光伏发电场站 - Google Patents
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Abstract
应用于光伏发电系统中的防雷结构及其光伏发电场站，外部防雷装置包括设置在太阳能光伏场站周围的避雷针以及设置在太阳能光伏组件上的法拉第笼；内部防雷装置包括对直流配电柜中控制器的防雷保护是在太阳能光伏组件的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器，对逆变器的保护是在逆变器的输出端安装过电压保护器，直流配电柜内设备均可靠接地，与太阳能光伏组件阵列、外架线路的接地体保持同一电位；交流配电柜的防雷设置是在交流配电柜的输出端安装过电压保护器；直流配电柜、交流配电柜等通过接地汇流排与接地装置连接。本实用新型在光伏发电系统中采取多极防护措施，达到使光伏并网发电系统有效和安全运行的目的。
Description
技术领域
本实用新型公开一种防雷结构，特别是涉及一种应用于光伏发电系统中的防雷结构及其应用于该防雷结构的光伏发电场站，属于光伏发电技术领域。
背景技术
近年来我国太阳能发电产业迅速增长，其中普及较广的是光伏发电系统。光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统其中独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源极易遭受雷击造成设备损坏和停电故障，甚至威胁人身安全。因此对独立太阳能光伏发电系统采取防雷保护措施是十分必要的。
现有技术，如CN116387858A公开了一种光伏电站防雷接地方法，包括凸字座通过缺口插在光伏方阵框架的侧边上，利用螺纹锁止结构将凸字座同光伏方阵框架进行锁止连接，手动转动避雷针，使得避雷针带动支撑座、螺栓、连接头等部件以转轴为圆心进行翻转，使得避雷针竖直朝上，其避雷角度可调；将引下线连接至地面的防雷接地装置，遭受雷击时，雷电流从避雷针、引下线传导至接地装置的导体上，从而将雷电流流散入大地中，进而完成防雷接地操作，可有效避免雷电引流至太阳能电池板上，有效保证了太阳能电池板在雷雨天气中的使用安全性。CN210468155U公开一种适用于农光互补光伏电站的可测量防雷接地系统，包括至少一个大棚、多个光伏阵列和埋在大棚外周围的多个接地检查井，多个接地检查井间隔埋入地面之下，多个大棚呈横向纵向并排设置，多个光伏阵列布置在大棚的棚顶上。
CN217335026U公开了灾害防范技术领域的屋顶分布式光伏电站避雷装置，包括绝缘底座，绝缘底座的顶端设置避雷针，避雷针靠近绝缘底座一端的外壁设置中空环，中空环包括导电内层和绝缘外层，导电内层设置于绝缘外层的内壁，中空环顶端与底端贯穿开设中空腔，避雷针与中空腔贯穿连接，中空环的内壁均匀设置有多个连接杆，多个连接杆远离中空环的一端均与避雷针的外壁固定连接，绝缘底座的一端设置接地线。CN101950956A公开了一种光伏发电系统防雷电控制装置，设置于所述光伏发电系统内，包括：设置于光伏电池组件支架、控制器和逆变器的非导电屋顶上的避雷器；连接系统内金属器件与接地干线的专用接地线；设置于太阳能电池方阵接线箱、控制器和逆变器内的防雷器；设置于交流输出端的浪涌保护器。
然而，上述现有技术基本上都是采用接闪器、引下线和接地装置组成，主要来预防直击雷，但是避雷针受到避雷保护范围的限制，不能有效地阻止雷击电磁脉冲造成的危害，同时没有从光伏发电整个系统考虑防雷、避雷，从而有可能造成不必要的设备损坏。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种应用于光伏发电系统中的防雷结构，其技术方案如下：
应用于光伏发电系统中的防雷结构，包括外部防雷装置、内部防雷装置以及接地装置；其特征为：所述外部防雷装置包括设置在太阳能光伏场站周围的避雷针以及设置在太阳能光伏组件上的法拉第笼；所述内部防雷装置包括直流配电柜、交流配电柜的防雷设置，其中，对直流配电柜中控制器的防雷保护是在太阳能光伏组件的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器；对逆变器的保护是在逆变器的输出端安装过电压保护器，同时，直流配电柜内设备均可靠接地，并与太阳能光伏组件阵列、外架线路的接地体保持同一电位；所述交流配电柜的防雷设置是在交流配电柜的输出端安装过电压保护器；所述直流配电柜、交流配电柜、逆变器、太阳能光伏组件阵列通过接地汇流排与接地装置连接。
优选为：每块所述太阳能光伏组件放置于法拉第笼屏蔽网的格栅内，同时把法拉第笼与光伏组件的金属边框共同连接到所述接地汇流排上。
优选为：所述太阳能光伏组件阵列至直流配电柜控制器的直流电缆采用铠装电缆，其金属外皮均同太阳能光伏组件阵列支架连接，并可靠接地，同时在控制器的直流输入端同样将铠装电缆的金属外皮可靠接地。
优选为：所述控制器内被保护的器件为I GBT，采用两级防护：太阳能光伏组件阵列后面的汇线箱内进行一级防雷保护，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；在控制器内的输入端，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器；光伏组件阵列背后的汇线箱与控制器间距应大于10m。
优选为：逆变器的输出端，即在火线与地间、零线与地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；在火线与零线间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体。
优选为：交流配电柜附近设置架空线杆；交流配电柜的输出端，即架空线的火线与地间、零线与地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；火线与零线间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体。
优选为：接地装置的接地电阻Rg≤4Ω；接地装置的布局类型按照IEC62305-3规定的A型装置或B型装置进行设置。
优选为：所述接地装置设计为环形水平接地极和垂直接地极相结合的接地网；沿太阳能光伏组件阵列四周采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地极；采用热镀锌角钢设置垂直接地极，垂直接地极埋设深度不小于2.5m。
本实用新型还公开一种光伏发电场站，包括光伏发电系统，其特征为：所述光伏发电系统中设置上述的防雷结构。
有益效果
采取多极防护措施，达到使光伏并网发电系统有效和安全运行的目的。
附图说明
图1为本实用新型应用于光伏发电系统中的避雷结构整体示意图；
图2为本实用新型避雷针设计的原理图；
图3为安装有法拉第笼的太阳能电池板光伏组件；
其中，1为金属边框；2为法拉第笼；3为电池片。
具体实施方式
参见图1所示，应用于光伏发电系统中的防雷结构，包括外部防雷装置、内部防雷装置以及接地装置；其特征为：所述外部防雷装置包括设置在太阳能光伏场站周围的避雷针以及设置在太阳能光伏组件上的法拉第笼；所述内部防雷装置包括直流配电柜、交流配电柜的防雷设置，其中，对直流配电柜中控制器的防雷保护是在太阳能光伏组件的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器；对逆变器的保护是在逆变器的输出端安装过电压保护器，同时，直流配电柜内设备均可靠接地，并与太阳能光伏组件阵列、外架线路的接地体保持同一电位；所述交流配电柜的防雷设置是在交流配电柜的输出端安装过电压保护器；所述直流配电柜、交流配电柜、逆变器、太阳能光伏组件阵列通过接地汇流排与接地装置连接。
避雷针主要是把雷电导入大地，起到保护光伏组件的目的。避雷针有效的保护范围是保证系统正常运行的重要指标，根据新颁国家标准，通常采用“滚球法”来确定避雷针的保护范围。如图2所示，其中，hr为滚球半径；h为避雷针的高度；hx为XX′连线出距离参考地的高度。当光伏方阵的高度低于hx，并且占地范围小于以避雷针为中心、以rx为半径的圆圈域时，光伏方阵能够免受直击雷的破坏。
保护半径rx计算公式为：
太阳能电池板光伏组件上设置了法拉第笼，笼体本身构成了一个等电位体，笼内电势为零，因为电荷都均匀分布在笼体的表面，内部没有电场，笼体通过阻断电磁场来达到屏蔽雷电作用的目的。此外，法拉第笼还有分流和均流作用。由于雷电流对称地流过法拉第笼的金属屏蔽层入地，笼内的电磁场相互抵消削弱，从而降低了电磁场的干扰强度，参见图3所示。
法拉第笼对雷击电磁脉冲的屏蔽作用是显而易见的，屏蔽网格有效地削弱了雷电流产生的磁感应强度，并且网格越小，效果越好。同时，法拉第笼形成的屏蔽空间也有效地削弱了雷电磁场强度。但是实际的笼体由于输出线等缘故，并不能使光伏组件完全与外界隔离，因此利用法拉第笼减小雷电危害的同时，还应结合避雷针对光伏组件进行双重防护。为了不影响电池板的采光效果，避免电池片被金属网遮挡光线，应使每块电池片刚好放置于屏蔽网的格栅内，同时把法拉第笼与光伏组件的金属边框共同连接到系统的接地汇流排上，既能达到防雷的效果，又能使电池板免受物理损害。
太阳能光伏组件背面引出的导线采用BV-1×6mm2型电缆线，导线的脉冲绝缘耐压大于30kV，与供电系统设备达到绝缘配合。同时在太阳电池阵列后面的汇线箱内加装了过电压保护器，即分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-385/40与浪涌保护器MYS8-FD2串联组合体。光伏阵列至直流配电柜控制器的直流电缆采用铠装电缆，其金属外皮均同太阳能光伏组件阵列支架连接，并可靠接地，同时在控制器的直流输入端同样将铠装电缆的金属外皮可靠接地，这样就避免了雷电波通过直流输入、输出线进入直流配电柜，从而避免了控制器等电气设备遭受感应雷的侵袭。
直流配电柜中控制器的保护是在太阳能光伏组件的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器。逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端相连接，因此对逆变器的保护是在逆变器的输出端(即在火线与地间、零线与地间和火线与零线间)安装过电压保护器。同时，直流配电柜内各设备均可靠接地，并与阵列、外架线路的接地体，保持同一电位，以防止雷电波的侵入和感应雷。
交流配电柜的保护是在交流配电柜的输出端，即架空线路的火线与地间、零线与地间和火线与零线间安装过电压保护器。此防雷器件全部安装于防雨防尘的避雷箱内，固定在架空线杆上，固定位置距架空线接地处越近越好。
控制器内被保护的器件主要是IGBT，其正负极间直流耐压一般大于500V，其脉冲耐压预计是1300V，光伏组件正负极间正常工作电压为直流260V(但在很长时间达到390V)，要达到此雷电防护目的，在控制器进行一级保护是不可能的，必须采用两级防护。两级防护方案：太阳能光伏组件阵列后面的汇线箱内进行一级防雷保护，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS8-385/40与浪涌保护器MYS8-FD2串联组合体；在控制器内的输入端，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-275/20；光伏组件背后的汇线箱与控制器间距应大于10m。
逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端连接，逆变器的对地脉冲绝缘耐压2.5kV。根据感应雷分配原则，在逆变器的输出端须进行纵横向全模保护，即在火线与地间、零线与地间安装过电压保护器MYS5-385/20与浪涌保护器MYS5-FD2串联组合体；在火线与零线间安装过电压保护器MYS5-320/20与浪涌保护器MYS5-FD2串联组合体。
交流配电柜附近设置有8m高的220V架空线杆，对架空线进行防雷保护即可保护配电柜。交流配电柜的输出电压为220V，为防止感应雷电流从外界直接进入供电系统，分别在交流配电柜输出端，即架空线的火线与地间、零线与地间安装过电压保护器MYS8-385/40与浪涌保护器MYS8-FD2串联组合体；火线与零线间安装过电压保护器MYS5-320/20与浪涌保护器MYS5-FD2串联组合体。此防雷器件全部安装于防雨防尘的避雷箱内，固定在架空线杆上，距架空线接地处越近越好，避雷箱距逆变器的输出端应大于10m。在架空线路的火线与零线间安装防雷器件(电压保护器MYS5-320/20与浪涌保护器MYS5-FD2串联组合体)，此防雷器件安装在防尘防雨的避雷箱内，固定在架空线路出线杆上，防止雷电波通过输出线进入机房，避免交流配电柜等电气设备遭受雷电波的侵袭。
接地装置的接地电阻Rg≤4Ω；接地装置的布局类型按照IEC62305-3规定的A型装置或B型装置进行设置。
光伏发电系统的接地设计为环形水平接地极和垂直接地极相结合的接地网。沿太阳能光伏组件阵列四周采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地极，接地体埋设深度不小于0.5～0.8m。根据现场土壤情况，选择合适的位置，采用热镀锌角钢或其他导电性能良好的材料设置垂直接地极，垂直接地极埋设深度不小于2.5m。接地电阻、接触电压和跨步电压满足规程要求，尽可能使电气设备所在地点附近对地电压分布均匀。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.应用于光伏发电系统中的防雷结构，包括外部防雷装置、内部防雷装置以及接地装置；其特征为：所述外部防雷装置包括设置在太阳能光伏场站周围的避雷针以及设置在太阳能光伏组件上的法拉第笼；所述内部防雷装置包括直流配电柜、交流配电柜的防雷设置，其中，对直流配电柜中控制器的防雷保护是在太阳能光伏组件的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器；对逆变器的保护是在逆变器的输出端安装过电压保护器，同时，直流配电柜内设备均可靠接地，并与太阳能光伏组件阵列、外架线路的接地体保持同一电位；所述交流配电柜的防雷设置是在交流配电柜的输出端安装过电压保护器；所述直流配电柜、交流配电柜、逆变器、太阳能光伏组件阵列通过接地汇流排与接地装置连接。
2.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：每块所述太阳能光伏组件放置于法拉第笼屏蔽网的格栅内，同时把法拉第笼与光伏组件的金属边框共同连接到所述接地汇流排上。
3.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：所述太阳能光伏组件阵列至直流配电柜控制器的直流电缆采用铠装电缆，其金属外皮均同太阳能光伏组件阵列支架连接，并可靠接地，同时在控制器的直流输入端同样将铠装电缆的金属外皮可靠接地。
4.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：所述控制器内被保护的器件为IGBT，采用两级防护：太阳能光伏组件阵列后面的汇线箱内进行一级防雷保护，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；在控制器内的输入端，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器；光伏组件阵列背后的汇线箱与控制器间距应大于10m。
5.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：逆变器的输出端，即在火线与地间、零线与地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；在火线与零线间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体。
6.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：交流配电柜附近设置架空线杆；交流配电柜的输出端，即架空线的火线与地间、零线与地间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体；火线与零线间安装过电压保护器与浪涌保护器串联组合体。
7.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：接地装置的接地电阻Rg≤4Ω；接地装置的布局类型按照IEC62305-3规定的A型装置或B型装置进行设置。
8.根据权利要求1所述的应用于光伏发电系统中的防雷结构，其特征为：所述接地装置设计为环形水平接地极和垂直接地极相结合的接地网；沿太阳能光伏组件阵列四周采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地极；采用热镀锌角钢设置垂直接地极，垂直接地极埋设深度不小于2.5m。
9.光伏发电场站，包括光伏发电系统，其特征为：所述光伏发电系统中设置权利要求1-8任一所述的防雷结构。
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