大型地面光伏电站过电压产生原因探讨

王超柱

摘要：大型地面光伏电站的设备如光伏组件、逆变器和厢式升压变等一旦遭受过电压的破坏，将严重影响光伏电站的正常运行，同时也也会对工作人员的生命安全造成很大影响。本文对地面光伏电站可能引起过电压的几个方面进行了探讨，并提出了相关的防范措施。

关键词：地面光伏；过电压；光伏接地

引言

一般大型地面光伏电站（30MWp以上）占地面积在1000亩左右，送入电网电压一般升至110kV。发电区域地面上整齐排列着的光伏组件、逆变器房和35kV箱式变、地面下直埋的大量的交直流电缆，还有110kV升压站的各种电气设备，使得光伏电站很容易产生各种过电压，如直击雷过电压、侵入雷电波过电压、和内部过电压。

1.雷电过电压

1.1直击雷过电压

根据雷电活动的规律性，大片土壤电阻率较大时，局部土壤电阻率小的地方容易遭受雷击。地面光伏电站一般建设在大片空旷的荒漠戈壁，自然状态下，其土壤电阻率一般可以达到500Ω·m以上。光伏电站场址经过大规模的接地工程后，土壤电阻率与整个区域内的其他低端差值非常明显，在雷暴日内，因此该地区相对于其他地方，光伏电站较易遭受雷击。

为了防止光伏组件遭受雷击，早期地面光伏电站一般在每排光伏板的最上沿通长敷一条镀锌圆钢，圆钢2边分别于钢支架焊接，以此与主接地网电气可靠连接，这样，当发电站区遭受雷击时，雷电流可以迅速地泄入到大地中。有些电站采取在每个发电单元（一般以1MWp为1个发电单元）设置一定数目的雷电预警式可升降避雷针，雷雨日自动升起，雷雨过后自动降落。

另外一些电站，则未采取专门的光伏组件防直击雷措施，地面光伏电站的接地网一般都采用水平接地极为主、垂直接地极为辅的复合接地网，根据规范GB50065《交流电气装置的接地设计规范》公式，一般发电站区的接地电阻较容易满足<4Ω的要求，雷电流可以迅速的经接地网泄入到大地中。光伏组件的铝合金边框通过支架和地线与接地网联成一体，一般一串电池组件中的最高点均为铝合金边框，直击雷往往会打到铝合金边框上，然后经接地网散流。

近年来，根据实际运行经验、落雷次数、及相关的计算，从光伏电站全寿命周期下创造最大收益率考虑，发电站区的光伏组件不设立防直击雷保护为最佳方案。

以往发电站区的逆变器和升压变都放置在逆变器室里，逆变器室按照三类防雷建筑物措施，即需要在屋面敷设避雷带，再设置相应数量的引下线。近来，大部分电站采用成品逆变器房和箱式升压变，这些一般采用金属板屋面，可以直接作为雷电接闪器。

1.2侵入雷电波过电压

侵入雷电波过电压与直击雷相比要弱一些，但发生的可能性很大。与其他类型的发电不同，光伏电站场址上敷设着数目庞大的交直流电缆，一旦发生雷击，都可能对其连接的汇流箱、汇流柜、逆变器和变压器产生破坏。

一般防侵入雷电波过电压措施主要是等电位连接、屏蔽或者是加装的的电涌保护器等。

目前许多地面光伏电站每个支架的每片光伏组件之间都通过2.5mm2的接地线相连，每个支架的最两侧的光伏组件分别通过6mm2的接地线与支架连接，支架又与水平接地极焊接。通过这些措施，保证光伏组件的边框的与大地等电位。

对于电站的高压设备，如开关柜、变压器等，可以采用避雷器或者过电压保护器进行保护，对于低压设备，如汇流箱、汇流柜和低压开关柜等，可以采用浪涌保护器，同时，这些避雷器或者浪涌保护器使用上要注意绝缘配合。电力电缆铠装层、控制电缆的结束屏蔽层都需要接地。另外，电气设备外壳、开关柜、电缆支架、穿线的钢管等可能事故带电的金属物都应接地。

2内部过电压

2.1工频过电压

地面光伏电站35kV系统一般采用经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障时，健全相的电压对地电压升高为相电压的倍，长期运行会给设备带来绝缘的破坏。几年来，电网为了安全，一般都要求光伏发电企业采用小电阻接地系统，一旦发生单相接地，接地电流可以达到数百安培，保护装置可以在最短时间内切掉发生故障的集电回路，保证电站安全。

目前大多数光伏电站的箱式升压变，变压器的高压侧保护一般采用空气式的负荷开关加熔断器，这种保护配置对于容量为1000kVA的变压器，因为开关切断转移电流能力不足，而使得变压器因故障两相运行时不能及时切除故障，此时变压器的励磁电感与对地电容产生铁磁谐振，能产生1.6~2.5倍UM（系统最高电压），对发电设备有较大的隐患，针对这种情况，可以采用真空式、SF6负荷开关进行高压侧的保护。

2.2谐振过电压

地面电站的35kv母线，接有中性点接地的电磁式电压互感器，因合闸充电或线路空载等原因，也可能产生铁磁过电压，一般都采用在互感器的开口三角形加装适合阻值的电阻或专用的消谐器。

2.3操作过电压

目前有些光伏电站运营中发现，因某些原因使得逆变器突然停机后，逆变器的交流侧会出现瞬时过电压，从而对与其共交流母线的设备如低压开关柜、UPS等造成绝缘破坏。这是因为逆变器内的电容和电感等储能元件，在突然断电时，其工作状态发生突变，产生的能量转换的过渡过程，电压的强制分量叠加以暂态分量形成操作过电压，其作用在几毫秒到数十毫秒之间，过电压倍数可以达到4倍Uxg（最高相电压有效值）。

这种情况可以根据情况改造逆变器，使得尽量避免逆变器突然停机的状况，同时也可以适当提高用电设备的耐压值，以保证在输入电压提高的情况下，设备器件不被被高压击穿。

3总结

地面光伏电站因其占地面积广阔、设备数量众多，可能产生多种形式的过电压，分析这些产生的原因并制定出合理的预防限制措施，可以极大地提高光伏电站的运行效率，减少不必要的发电时数损失。

参考文献：

[1]孙燕光伏电场区域防雷接地研究《华东电力》2012年第12期

[2]GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范

[3]IEEEStd80-2000交流变电站接地安全指南

[4]电力工程电气设计手册---电气一次部分