光伏發(fā)電用箱變浪涌保護器損壞原因分析及其解決策略

楊利華，楊展文，袁乙專

（明珠電氣股份有限公司，廣州 514400）

0 引言

浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）是電子設(shè)備雷電防護中不可缺少的一種裝置，是為電子設(shè)備提供保護的重要元件，過去又稱避雷器或過壓保護器，可以為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通信線路提供安全防護。但在實際運行中，經(jīng)常會被雷擊損壞。雷電流流入大地引起的反向閃絡(luò)是造成浪涌保護器及其連接設(shè)備損壞的主要方式之一，通常是由雷電電流注入地面后的瞬時地電位升高引起的［1－6］。光伏系統(tǒng)通常暴露在野外、山地、沙漠、湖泊或建筑物頂部等場所，場地越開闊，頂部上方的雨云以雷電形式釋放電荷［7－12］。因此，在實際應(yīng)用中，如何解決建筑物以及電子信息系統(tǒng)雷電災害防護問題就顯得十分重要。

自然閃電的不確定性使得雷暴環(huán)境下SPD 行為的研究變得困難。相關(guān)研究大多通過高壓實驗和數(shù)值計算進行。然而，閃電包含許多不同時間尺度和電流大小的物理子過程，高壓實驗室的放電測試無法有效模擬自然閃電。Mendez Hernandez等［13］通過測量分析真實的兆瓦級光伏（PV）電站中通過浪涌發(fā)生器注入的雷擊瞬態(tài)電流對直流過電壓保護系統(tǒng)的影響，開發(fā)了計算機軟件構(gòu)造了一套仿真模型，以探索光伏電站內(nèi)的瞬態(tài)效應(yīng)對電氣裝置直流側(cè)的過壓保護（OVP）系統(tǒng)的影響。

本文針對某光伏發(fā)電項目一次浪涌保護器損壞情況，從雷擊浪涌原理出發(fā)，對其損壞原因進行了分析研究，借助雷電監(jiān)測系統(tǒng)排除雷擊的可能性，對浪涌保護器所處的線路進行排查，同步對浪涌保護器主要元器件進行進一步分析，明確事故原因并給出相應(yīng)的快速解決措施。

1 案例描述

某光伏發(fā)電項目反饋浪涌保護器發(fā)生損壞，廠家技術(shù)人員趕到現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場走訪和雷電監(jiān)測系統(tǒng)了解到，在浪涌保護器發(fā)生損毀事故期間，當?shù)責o閃電雷擊發(fā)生，也未產(chǎn)生明顯放電現(xiàn)象，因此排除雷擊等因素的影響。通過調(diào)查也同步排除了人為誤操作破壞浪涌保護器可能性。依據(jù)現(xiàn)場初步調(diào)查結(jié)果和查詢項目相關(guān)的技術(shù)文件和線路圖紙，浪涌保護器損壞原因可能為系統(tǒng)內(nèi)部過電壓。

浪涌產(chǎn)生的時間非常短，大概在皮秒級。浪涌出現(xiàn)時，電壓電流的幅值超過正常值的兩倍以上。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠遠大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。電源應(yīng)該限制AC 開關(guān)、整流橋、保險絲、EMI濾波器件能承受的浪涌水平。反復開關(guān)環(huán)路，AC輸入電壓不應(yīng)損壞電源或者導致保險絲燒斷。這種現(xiàn)象通常只持續(xù)幾納秒至幾毫秒，浪涌出現(xiàn)時的電壓和電流值超過正常值兩倍以上。

系統(tǒng)內(nèi)部過電壓又可分為操作過電壓和暫時過電壓，操作過電壓即線路故障、空載線路投切、隔離開關(guān)操作空載母線等電磁過渡過程中的瞬態(tài)過電壓，一般持續(xù)時間0.1 s以內(nèi)；暫時過電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的超過額定值的電壓，持續(xù)時間相對較長。本次事故的系統(tǒng)內(nèi)部過電壓初步判定應(yīng)屬于暫時過電壓。

2 SPD損壞原因分析

電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB／T 17626.5。標準描述了兩種不同的波形發(fā)生器：一種是雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形；另一種是在通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的波形。這兩種線路都屬于架空線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些，前沿要陡一些；而在通信線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些，但前沿要緩一些。主要以雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形來對電路進行分析，同時也兼顧對通信線路的防雷進行分析設(shè)計。

防浪涌設(shè)計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。為了利用差模電感，在設(shè)計過程中，共模與差模不應(yīng)同時進行，而應(yīng)該按照一定的順序來做。首先，應(yīng)該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。

該浪涌保護器技術(shù)選型指標如下：（1）型號為LAC80－420／3P；（2）系統(tǒng)工作電壓為400 V；（3）雷電保護水平為2.5 kV；（4）瀉放電流保護水平為2.0 kV；（5）操作沖擊電流保護水平為1.4 kV；（6）標稱放電電流為80 kA；（7）最大放電電流為150 kA；（8）雷電沖擊電流為35 kA。

共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波，流過電感的電流為：

流過電感的最大電流為：

在2τ期間流過電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L 和電容CY參數(shù)的計算公式，式中：Uc為CY 電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓；ΔUc為CY 電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長，占空比很小，可以認為Uc＝ΔUc；Up為共模浪涌脈沖的峰值；q為CY電容存儲的電荷；τ為共模浪涌脈沖的寬度；L 為電感；C為電容。

根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up＝1 000 V，電容C ＝2 500 pF，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc＝500 V，則需要電感L 的數(shù)值為1.25 H。顯然這個數(shù)值非常大，在實際中很難實現(xiàn)，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限。

根據(jù)現(xiàn)場線路排查和技術(shù)文件對比，發(fā)現(xiàn)該項目箱變采用如圖1 所示的3 級接地模式，根據(jù)計算可知，浪涌保護器耐壓＝594 V。根據(jù)光伏組件負極是否接地分為負極不地系統(tǒng)和負極接地系統(tǒng)，當采用負極接地系統(tǒng)時，由于光伏逆變采用空間矢量脈寬調(diào)制策略（SVPWM）來提高母線利用率，減小機器諧波，負極接地后，相當于輸入負極接地，那么輸出交流對地中心點被抬高，而光伏陣列對大地存在著對地電容，電容產(chǎn)生的共模電壓因此被抬高。通過測量并網(wǎng)時對地電壓波形可知，交流對地電壓峰值已經(jīng)超過1 kV，如圖2 所示。

圖1 箱變3 極接地模式

圖2 并網(wǎng)時對地電壓波形

綜上可知，浪涌保護器耐壓極限值低于交流側(cè)對地電壓值，如圖3 所示，此時交流電不斷對地短路，由于光伏組件為負極接地系統(tǒng)，交流電壓直接經(jīng)過地流入負極，從而導致熔斷器被燒壞。

圖3 交流經(jīng)過地流入負極導致熔斷器損壞

綜上原因分析可知，由于光伏組件的負極接地系統(tǒng)中交流側(cè)對地電壓所固有的特性，導致浪涌保護器耐壓極限值低于交流側(cè)對地電壓值，且逆變器無變壓器隔離功能［14－15］，從而造成光伏系統(tǒng)接地后逆變器輸出電壓升高達800～1 000 V；項目選用的浪涌保護器最大持續(xù)工作電壓為420 V，動作電壓為680 V。當系統(tǒng)電壓高于最大持續(xù)工作電壓1.5 倍時浪涌保護器會被擊穿燒毀。

3 解決策略

為了解決光伏組件接地故障對浪涌保護器的影響，依照實際情況，現(xiàn)場給出兩種方案。第一種方案即采用4P防雷“3 ＋1”模式，型號為LAC100－420／3 ＋1。接線如圖4所示，將電源的三相分別接浪涌保護器的三相端，三相電涌模塊的輸出端短接經(jīng)過一片電涌模塊到PE線，通過計算可知，浪涌保護器耐壓為2×420 V×＝1 188 V，相對地電壓提高了1 倍，其動作電壓也提升到1 360 V，都高于機器三相對地電壓峰值1 060 V，從而避免輸出電壓升高對浪涌保護器的影響。

圖4 3P ＋1防雷接地模式

第二種方案是更換浪涌器型號，型號規(guī)格替換為LAC100－1000／3P，同時采用3P 防雷模式，型號為LAC100－1000／3P。接線如之前圖1 所示，不作變更，但是將浪涌保護器最大持續(xù)工作電壓提高到1 000 V，其動作電壓為1 500 V左右，也高于1 060 V。

現(xiàn)有方案和兩種改善方案的選型和接線方式浪涌保護器耐壓（相對地）和動作電壓（相對地）對比如表1所示。通過對比，采用第一種方案即采用4P 防雷“3 ＋1”模式，可以避免輸出電壓升高對浪涌保護器的影響，有效解決了SPD的在運行過程中損壞的問題。

表1 3 種方案的選型比較

4 結(jié)束語

由于浪涌保護器（SPD）設(shè)計和施工存在有多方面的不確定性因素，導致SPD 保護失效。本文針對實際案例中的一次光伏發(fā)電用箱變浪涌保護器損壞情況出發(fā)，對其損壞原因進行了分析研究，綜合以上分析可以明確，此次浪涌保護器損壞的原因為：光伏組件采用3 級接地方式以及逆變器無變壓器隔離功能，造成光伏系統(tǒng)接地后逆變器輸出電壓升高達800～1 000 V，高于本項目選用的浪涌保護器最大持續(xù)工作電壓420 V以及動作電壓680 V，因此導致系統(tǒng)電壓高于最大持續(xù)工作電壓1.5倍，浪涌保護器被擊穿燒毀。為了解決光伏組件接地故障對浪涌保護器的影響，依照實際情況，采用4P 防雷“3 ＋1”模式，即將電源的三相分別接浪涌保護器的三相端，三相電涌模塊的輸出端短接經(jīng)過一片電涌模塊到PE線，通過計算可知，浪涌保護器耐壓為1 188 V，相對地電壓提高了1 倍，其動作電壓也提升到1 360 V，都高于機器三相對地電壓峰值1 060 V，從而避免輸出電壓升高對浪涌保護器的影響，有效避免了SPD 在運行過程中的損壞。