光伏匯流箱監(jiān)測單元雷擊事故分析及應(yīng)對措施

胡劍生,李 嘉,王旭昊,王海明

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司,河南許昌,461000）

0 引言

光伏匯流箱是大型光伏電站最基本的電量匯集單元，監(jiān)測單元作為核心部件不僅負責(zé)采集箱內(nèi)電量、溫度及開關(guān)量，還要對匯流箱進行故障診斷，最終將這些采樣數(shù)據(jù)及故障診斷結(jié)果通過485通訊上送到后臺供用戶決策。因為受到光伏組件及匯流箱箱體的遮蔽且受到支架上接閃器的保護，所以監(jiān)測單元不會遭受直擊雷的損壞，只會受到強烈雷電電磁脈沖的侵襲。雖然箱內(nèi)具有電源防雷器及通訊防雷器來應(yīng)對雷電電磁脈沖的侵襲，但是監(jiān)測單元依然經(jīng)常發(fā)生強弱電模塊之間的絕緣被擊穿或RS485通訊模塊失效的現(xiàn)象，這種情況無論對用戶還是廠家而言都造成巨大的損失。因此本文針對光伏匯流箱監(jiān)測單元的常見雷擊事故進行詳細分析并提出相應(yīng)改進措施。

1 原因分析

1.1 絕緣擊穿事故分析

由于電壓監(jiān)測模塊用于監(jiān)測母線電壓，額定電壓值為1000 VDC，故屬于強電部分，而RS485通訊模塊則屬于弱電部分，從設(shè)計布局來看強弱電模塊之間本身具有6kV的耐壓能力。根據(jù)《CGC/GF002:2010 光伏匯流箱技術(shù)規(guī)范》要求，電源防雷標(biāo)稱放電電流In應(yīng)大于等于20kA，電壓保護水平Up小于4 kV。如圖1所示，匯流箱內(nèi)的電源防雷器由三個模塊構(gòu)成，分別為電源防雷+、電源防雷-、電源防雷PE，三個模塊形成正對負、正對地、負對地三種保護模式。如果電源防雷器起到保護作用將殘壓限制到4 kV那么電壓監(jiān)測模塊與通訊模塊之間的絕緣是不應(yīng)被擊穿的，但事實并非如此，造成強弱電模塊絕緣擊穿的原因分如下：

變量說明：

Z1：接地電阻

I：雷電電磁脈沖形成的雷電流

U1：電源防雷+和電源防雷PE之間的電壓

U2：雷電流流過Z1瞬間PE1對地電壓

U3：電壓測量模塊正極對地電壓

U4：通訊模塊對地電壓

U5：電壓測量模塊正極對通訊模塊電壓

UL1：雷電流流過導(dǎo)線L1瞬間的壓降

UL2：雷電流流過導(dǎo)線L2瞬間的壓降

在光伏電站中Z1不超過4Ω，如圖1所示，假設(shè)匯流箱正極遭受雷電電磁脈沖侵襲，此時電源防雷+和電源防雷PE動作。實際工程中，由于I一般不大于20 kA，則U1不應(yīng)超過Up（4kV）。當(dāng)雷電流流經(jīng)導(dǎo)線時，導(dǎo)線的感抗很大，相對于導(dǎo)線的直徑而言，長度對感抗則影響起著決定作用。實驗表明，8/20μs波形的10 kA電流通過截面積為16mm2、長度為2米的導(dǎo)線壓降為2500V，而導(dǎo)線L1和L2截面積為16mm2，長度一般都在0.30m左右，因此其上面的壓降UL1和UL2不容忽略。

由圖1可得：

則U3瞬時值可達到85.5 kV，相對而言，U4近似為0，故U5可達到85.5kV電壓差，因此匯流箱遭受雷電電磁脈沖侵襲后很多監(jiān)測單元上電壓測量模塊與485通訊模塊之間的絕緣被擊穿。

1.2 RS485通訊模塊故障分析

圖2 RS485通訊電路原理圖Fig.2 RS485 communication circuit schematic

如圖2所示，通訊防雷的元件選型及工作原理如下：

圖1 防雷器接線原理圖Fig.1 SPD wiring principle diagram

TVS管的擊穿電壓UZ應(yīng)高于通訊總線的信號電壓，在此前提下盡可能的低以可靠保護通信芯片。通訊總線的信號電壓正常不大于5V，故TVS管選型時UZ為6.67~7.67V，最大鉗位電壓UC為10.3V，峰值脈沖電流IS為58A。陶瓷氣體放電管的直流放電電壓Uf也應(yīng)大于通訊總線的信號電壓，故放電管選型時Uf為75 V，在上升陡度為1000V/μs的暫態(tài)電壓脈沖作用下，沖擊放電電壓US為700V。協(xié)調(diào)電阻R1和R2起到限流和協(xié)調(diào)TVS管、放電管動作的作用，其理論值的選取應(yīng)滿足

因此，R1和R2可選擇10Ω。

當(dāng)RS485總線上遭受雷擊時，由于TVS管動作時間小于等于1ps，而陶瓷氣體放電管動作時間小于等于100ns，故TVS管先于陶瓷氣體放電管動作。隨著雷電流的增大，當(dāng)雷電流流在協(xié)調(diào)電阻兩端產(chǎn)生壓降與TVS管的鉗位電壓之和達到陶瓷氣體放電管的啟動電壓時放電管動作并泄放大能量雷電流，從而達到通訊防雷的目的。如果協(xié)調(diào)電阻選為貼片電阻則由于瞬時過載能力過小則很容易燒壞電阻，同理當(dāng)連接陶瓷氣體放電管引腳的銅箔較細時也會燒斷，從而導(dǎo)致485通訊模塊故障。

2 應(yīng)對措施

2.1 絕緣擊穿應(yīng)對措施

根據(jù)上文1.1章節(jié)的分析，不難得出以下應(yīng)對措施。

a) 將圖1中信號防雷器的接地端PE2與屏蔽層接地端PE3斷開，并將信號防雷器接地端PE2與電源防雷器接地端PE1等電位連接。如此以來， U5僅為UL1、U1、UL2之和，瞬時值僅達到5.5 kV。

b) 盡可能縮短導(dǎo)線L1和L2的長度。

c) 為降低被保護對象兩端的殘壓，防雷器與被保護對象盡量使用凱文接線方式，避免T型接線方式。

采取上述措施后，可以確保雷電流不大于電源防雷器標(biāo)稱放電電流時U5值小于強弱電模塊間耐壓值6kV，從而避免絕緣擊穿的現(xiàn)象。

2.2 RS485通訊模塊故障應(yīng)對措施

a) 由于信號防雷器按照波形為8/20μs的5 kA標(biāo)稱放電電流考核，根據(jù)經(jīng)驗值厚度35μm、寬度20mil的銅箔能承受1 kA雷電流，故將氣體放電管引腳至端子的銅箔寬度設(shè)計為厚度35μm，寬度 100mil。

b) 增加協(xié)調(diào)電阻功率，協(xié)調(diào)電阻更換為功率為1w的圓晶電阻或插裝電阻。

3 結(jié)論

本文所述的雷擊事故在光伏匯流箱監(jiān)測單元工程應(yīng)用中普遍存在，對用戶的運維及供應(yīng)商的售后工作帶來很大的困擾，第2節(jié)中所述的解決方案原理簡單、易于實現(xiàn)、操作方便，經(jīng)實踐驗證能夠有效解決本文描述雷擊事故，具有廣泛推廣的現(xiàn)實意義。