太阳能雷电防护技术.ppt

Welcome to 太阳能发电系统防雷 技术世界,杭州天湖智能科技有限公司,讲师介绍：李 根,1、2004年获中国气象局颁发的防雷设计、施工资格证书。 2、2005年以来，为国家电力公司下属北京、上海、天津、浙江等25个省级电力公司及关联企业做建筑物和变电所的防雷设计和施工培训，授课企业200余家。 3、2006年以来，为水电顾问集团下属华东、华北、上海、西北等8大水勘院及关联用户46家做风力发电防雷设计和施工培训。 4、2007年以来，曾为西北、华北、上海、华东等水电勘测设计院、北京电力局、赛维LDK、无锡尚德、合肥阳光等企业做太阳能防雷设计和施工培训,为什么防雷防浪涌？,1、防雷措施是一种投资、要考虑投资回报。 2、可靠的投资回报来源于：在进行防雷设计时，应将外部防雷措施和内部防雷措施协调统一，按工程整体要求，进行全面规划，做到安全可靠、技术先进、经济合理（三类防雷建筑物）。 3、防雷设计应该在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点等基础上，详细研究防雷装置的形式极其布置。 4、防雷施工应该按照国家标准进行 5、防雷维护应该纳入电场日常管理系统,可靠投资与稳定回报、生命财产安全,防雷防浪涌究竟防什么，怎么防,1、闪电的定位（定点）接受和布局雷电流泄放通道,2、雷电（浪涌）能量的泄放和均压等电位,3、防雷接地措施： 不带电金属材料直接接地 带电金属材料通过避雷器、浪涌保护器接地,防雷系统,讲座交流内容,雷电风险评估（5-10分钟） 雷电概念、雷电活动规律、雷击选择性、风险评估、管理因素 防雷设计必须掌握的三个概念和辅助概念（20-25分钟） 1、防雷分区 2、波形 3、雷电流大小和设备的耐压水平 4、其他几个概念 防雷设计和施工（15-20分钟） 1、泄放雷电流大小的选择 2、根据耐压水平选择保护电压大小的选择 3、防雷设计原则：分级保护，能量配合 4、直接雷和接地系统 防雷系统的维护与管理（3-5分钟） 相关产品（自己看书）,1、雷电的概念 a、定义：雷电是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象。 b、闪电空间位置分类： 云内放电、云际放电和云地放电 云地闪电大约占闪电总数的20% c、闪电形状分类： 线状、带状、片状、球状。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,2、雷电活动和规律 （1）、雷暴日：在一天内只要测站听到雷声则为一个雷暴日，而不论雷暴次数和持续时间。雷暴日反映局部地区的雷电活动情况。 （2）、地区雷暴日等级划分（年平均雷暴日Td) 少雷区：Td 20天；多雷区：20 Td 40天； 高雷区：40Td 60天； 强雷区：60天； 我国西北地区一般在15天以下；长江以北大部分地区在1540天；长江以南地区在40天以上；北纬23以南地区超过80天。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,3、雷击选择性（新能源防雷的直接必要性） A、与土壤的电阻率有关 a、土壤电阻率小的地方。河床、盐场等 b、土壤电阻率有突变的地点。 c、地下埋有金属矿和金属管线密集处。 B、与地面上的设施有关 有利于雷云与大地建立良好的放电通道者易受雷击。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,C、地形和地物条件 a、山中的平地较峡谷易受雷击。 b、高耸建筑物、空旷地区孤立建筑物、树木。 c、低洼潮湿地点、山口。 d、铁路枢纽、高压架空线。 D、建筑物结构及其所附属构件条件 a、结构材料所能积蓄电荷的多少影响接闪的频率。 b、建筑物内金属设备多少。,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,4、雷电风险评估（雷电对人类的影响）： 最严重的自然灾害之一:雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的自然灾害之一。 （1）直接雷击（直击雷）：雷电流的高温热效应；雷电流的冲击波效应；“激波”产生冲击作用；次声波 （几Hz ) 雷电流的电动力效应。 （2）雷电感应：静电感应；电磁感应。 （3）雷电波侵入,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,（4）其他形式：电磁脉冲辐射、反击、跨步电压、接触电压、旁侧闪络 （5）雷电破坏作用表现在：强大的电流、极高的电压、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场和强烈的电磁辐射等物理效应。 （6）雷电造成危害的类型有：雷击火灾、雷击伤亡、雷击建（构）筑物、雷击供电系统、雷击弱电电子设备等。 （7）雷电发生的特点： 随机性、局域性、分散性、突发性、瞬时性、三维性,Photovoltaik 2007,判定人: R. Schngel, Munich,07.08.07 /S4562e_d,被损坏的逆变器,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,Photovoltaik 2007,07.08.07 / S4562e_f,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,设备烧毁 ：部分或全部 设备性能不稳定 设备加速老化（投资回报）,1 雷电风险评估光伏设备的雷电环境,1 雷电风险评估参与者存在的风险因素,1、知识缺乏： 缺乏专业的雷电和雷电防护知识，不了解雷电的活动规律和雷电的危害性，在防雷方法上比较单一 2、认识缺乏： 虽然了解防雷，但思想上没有引起重视，没有系统的防雷概念 3、管理缺乏： 相关的领导或者责任人没有落实国家的相关法律法规,1 雷电风险评估法律法规和设计规范的要求,1、建筑物防雷设计规范GB50057-94（2000年版） 2、建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-94（2004年） 3、低压配电设计规范 GB50054-95 4、低压配电系统的电涌保护器（SPD）第一部分：性能要求和试验方法GB18802.1-2002 、IEC61643 5、雷电电磁脉冲的防护第二部分 建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地 IEC61312-2 6、 安全防范工程技术规范GB50348-2004 7、 建筑物防雷 IEC61024 8、 中华人民共和国气象法 9、中国气象局第8号令防雷减灾管理办法,雷电保护区域 (LPZ) LPZ0A：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；电磁场强度没有衰减。 LPZ0B：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，电磁场强度没有衰减。 LPZ1：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0A和LPZ0B要小；电磁场强度可能衰减。 Type I (Class B) SPDs 应该安装在LPZ OA 和 LPZ1 之间的界面处，阻止或泄放雷电冲击电流通过线路进入。 LPZ2：本区内流经各导体的电流比LPZ1更小，电磁场强度会进一步衰减。 Type 2 (Class C) SPDs安装在LPZ1和LPZ2之间的界面处，用于泄放剩余电涌电流和限制过电压。 LPZ3：与LPZ2相比，装有灵敏设备的区域由振荡效应产生的过电压、电磁场强度和操作过电压被减少。,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,2 防雷设计必须掌握的概念雷电分区,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,1,2,3,4,5,6,5,6,10/350波形对应的相关元器件角形放电器,火花隙的特点 1、通流能力强单片一般可以通流Iimp50KA，最大可以100KA 2、使用寿命长,与二级配合可以循环使用火花隙一般可以使用10万次以上。 3、反应时间相对较长一般在100nS内 4、Up(保护电平)比较高,1、单片一般可以通流20KA，最大可以达到40KA 2、一般可以在25nS内反应。 3、 Up(保护电平)比较低 4、在大部分情况下会因过载而引起短路，氧化锌阀片会产生热崩溃衰变，表现为热脱扣显示。如不能及时脱开容易发生以下情况： 、SPD短路：引起电源起火或跳闸 、SPD爆炸：引起停电或起火 、SPD自燃：造成火灾事故 5、高通流能力和低保护电平的矛盾(片面强调低保护电平) 6、并联使用时匹配很困难。,8/20波形对应的相关元器件压敏电阻,Tinned copper wire,sintered zinc oxide together with other metal oxide additives 氧化锌烧结物和其他杂质,Zinc oxids,Electrodes(电极）,EpoxyresIN 环氧树脂,Type 1 (Class B) SPD用于处理雷电冲击电流的波形10/350s。用于I级分类试验产品的测试波形。主要功能为泄放大的能量，国标GB50057规定安装在建筑物的进线端。其非线性元件为放电间隙。,Type 2 (Class C) SPD测试波形8/20s时间比10/350s短，用于II级分类试验产品的测试波形，释放开关操作产生的低电能和限制过电压。一般建议安装在就近的设备前端。,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,100,200,300,400,8,20,10,350,40,20,10 /350 ms,8 /20 ms,2 防雷设计必须掌握的概念波形和波形对应的能量,Q (10/350) = 20Q (8/20) E (10/350) = 200E (8/20),雷电发生概率及其电流数据,50 %,10 %,5 %, 1 %,30,80,100,200,kA,20,90,100,100,kA/ms,10,80,100,400,As,105,106,5.106,107,A2s,概率,雷电电流峰值,最大雷电流变化率,闪电电荷量,闪电电流平方脉冲,2 防雷设计必须掌握的概念雷电流大小的确定,IEC 61312-1和GB 50057-94(2000)的附表6.1,首次雷击 防雷建筑物的类别 I II III 幅值I (kA) 200 150 100 波头 T1 (ms) 10 10 10 半值时间T2 (ms) 350 350 350 电荷QS (As) 100 75 50 单位能量W/R (MJ/W) 10 5,6 2,5,90 %,50 %,10 %,I,i,T1,T2,t,I: 幅值 T1: 波头 T2: 半值时间,2 防雷设计必须掌握的概念雷电流大小的确定,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-雷电入侵途径,直击雷 雷直击于外部雷电保护系统或建筑物接地的外部传导部件 雷直击架空线,直接对地耦合（地之间的电阻耦合）：当雷电电流在设备附近放电时，流过地面的雷电电流将导致接地电压增加和PE的电压能高达几千伏。,雷击在外部保护设备上会在由电线形成的闭环上产生过电压,电感耦合 雷击产生的磁场将在任何环形配线中导致过电压，在高空电线周围的雷击将在这些线上产生过电压,附近雷击,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-雷电入侵途径,2 防雷设计必须掌握的概念雷击途径耦合类型,TT 1180 GB09.05.00,R,CK,u2(t),uR(t),uL(t),i(t),i(t),i(t),L,er,u(t),Galvanic电流,Inductive电感,Capacitive电容,操作过电压,断路器的开/关 变压器、电机或电感、电阻突变皆可产生很快的电流变化(di/dt)和产生瞬时过电压。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-浪涌入侵途径,1、瞬态概念 常态 过电压/过电流：工频（50HZ)或直流 暂态 过电压（TOV)：高压系统接地故障出现的过电压。持续时间 ms -s数量级。 瞬态 过电压：斜三角波 持续时间 s、ns 数量级 。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-基础概念,2、高频概念 过压与电感的关系:过压或浪涌涉及瞬变过程，因而放电电流频率很高（ 90%以上雷电能量分布在频率为10kHz以下），这就意味着起决定作用的不是电阻而是电感的感抗，在把冲击电流排放至地电位点的过程中： U=Ldi/dt U=沿着导线的电压（伏特） L=电感（亨利） di/dt =电流变化速率,SPD的2个功能: 释放电涌电流 限制过电压,SPD （Surge Protective Device）至少包含一个非线性元件 正常情况下，SPD对应用系统没有任何影响。它在线路中起开路作用和保持相与地之间的绝缘。 当电涌发生时，SPD将瞬间（纳秒级）降低其阻抗，同时传导电涌电流。 当电涌发生后，SPD恢复高阻抗和起开路作用。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念-浪涌保护器,冲击电流Iimp：10/350s电流波形的最大值，用来描述Type1产品 。 Type1 (class B) 产品应该耐受10/350s电流波形5次增加的冲击(0.1 Iimp, 0.25 Iimp, 0.5 Iimp, 0.75 Iimp, Iimp) 。 最大放电电流Imax：8/20s电流波形的最大值，用来描述Type2产品。 Type 2 (class C) 产品应该耐受8/20s电流波形5次增加的冲击 (0.1 Imax, 0.25 Imax, 0.5 Imax, 0.75 Imax, Imax) 。 标称放电电流 In 流通SPD（有一个8/20s电流波形）的电流峰值。 根据IEC 61643-1 7.6.4 和 IEC 61643-12 5.5.2.1标准，Type 1 (class B) 和Type 2 (class C)SPD应耐受15次8/20s波形冲击电流的幅值In。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念,最大持续工作电压 Uc 最大r.m.s(均方根值) 或直流电压可持续供电SPD，它相当于SPD的额定电压。,暂态过电压 UT 在一个指定时间tT内，SPD可耐受的最大r.m.s.（均方根值）或暂时直流过电压（TOV）。 当暂时过电压后，SPDs发生故障时，应该对人身、设备或设施没有危害。例如：对于230V的相-中性线TN电网，根据IEC 60 364-4-442标准，在5s 内，它应该比相与地之间的电压334V高。,2 防雷设计必须掌握的其他几个概念,电压保护水平Up 是当释放冲击电流到地面时，由接线端子之间的电涌保护器给定的电压。它直接由变阻器和火花间隙产生，不可超过连接在下级设备的耐受电压值。,续流 If. If是指SPD电涌电流流过（过电压消失）之后，在电力系统供电电压作用下流过SPD的电流。火花间隙或气体放电管会产生续流（电弧），非线性电阻不会产生续流。 如果电弧不被切断，此电流将达到电力系统预期的短路电流Icc。 续流切断能力Ifi (或额定断开续流值) 在Uc下SPD切断的续流If值。SPD的Ifi 应该等于或大于安装点的预期短路电流(Icc),2 防雷设计必须掌握的其他几个概念,隔离间距,接闪器,滚球半径,保护角,阴影线,s,3 防雷设计太阳能应用案例全景图,3 防雷设计-自动避雷系统处于待命状态,警示状态： 当侦测到10-25公里内有较强的雷云，且电场强度达到3 KV/M时， 系统统发出警示； 电脑主页面显示警示； 并在事件日志内进行记录保存； 这时，自动升降避雷针处于待命状态。,3 防雷设计-自动避雷系统处于保护状态,告警状态： 当系统侦测到8-10公里内有较强的雷云，且电场强度达到7 KV/M时： 给自动升降式提前预放电避雷针一个升起信号，避雷针升起。 电脑主页面显示告警； 并在事件日志内进行记录保存； 户外报警器开始报警。,3 防雷设计-自动避雷系统恢复待命状态,警报解除： 当雷电预警系统侦测到，在监测范围内，无高电场（3 KV/M以上），或近电场，雷电预警系统，在设定的时间内（如10分钟）： 解除警报； 给ILSE自动升降式提前预放电避雷针发出一个下降的信号，ILSE自动升降式提前预放电避雷针下降； 电脑显示，警报解除； 户外，报警器发出警报解除的信号。,3 防雷设计自动避雷系统的优势,自动识别雷电，自动升降； 保护角度大，防绕击性能强； 保护范围大，最大半径可达100米以上； 放电时间比富兰克林避雷针平均提前15-60us。 在模拟电场比较低时, 自动升降式提前预放电避雷针的电晕电流比富兰克林避雷针低的多,几乎处于完全抑制状态。 在模拟电场增加到能够启动ILSE自动升降式提前预放电避雷针时, ILSE自动升降式提前预放电避雷针产生的脉冲式电晕放电电流，其电晕电流幅值比富兰克林避雷针大好几十倍，但电晕电流的平均值比后者小，这有利于从电晕向先导电弧的转化。,第一步 钝形针头与接地极相连 极板与针尖之间的空气间隙 4块相对独立的极板 下导体 防雷接地,自动避雷系统的接闪器接闪原理,第二步 电容耦合 被击穿的空气间隙所形成的电弧引发上行先导 电场增强,某块极板电压升高 下导体 防雷接地,自动避雷系统的接闪器接闪原理,第三步 主放电电流的电离通道形成 4块相对独立的极板 下导体 防雷接地,自动避雷系统的接闪器接闪原理,Stormaster ESE的保护半径（Rp）可以由下面的公式计算得到，这个公式是由法国国家标准NF C 17-102（1995年7月）公布的。 (h5m)。 以下关键的参数决定了Rp的计算： T的值在测试中建立。 Stormaster-ESE-15=T（s）15 Stormaster-ESE-30=T（s）30 Stormaster-ESE-50=T（s）50 Stormaster-ESE-60=T（s）60 h：Stormaster避雷针离开受保护区域的实际距离（m）。 D（m）取决于所选择的保护水平，保护水平的定义在NF C 17-102标准的附录B中。 D=20m适用于1级保护水平（高等保护） D= 45m适用于2级保护水平（中等保护） D= 60m适用于3级保护水平（标准保护）,自动避雷系统的接闪器接闪半径,自动避雷系统的接闪器接闪半径,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 屋顶防雷防浪涌保护器安装图,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 屋顶防雷防浪涌保护器安装图,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 电源防雷防浪涌保护器安装图,Part-1_ Bangkok_2001 / ESC,应用案例 信号防雷防浪涌保护器安装图,应用案例设计图,应用案例设计图,应用案例设计图,全部雷电流I的50%流入雷电保护系统的接地装置。 剩余的50%雷电流Is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线。,3 防雷设计雷电流大小的确定,3 防雷设计保护电平的选择（低于设备耐压水平）,Type 1 (Class B) SPD用于处理雷电冲击电流的波形10/350s。用于I级分类试验产品的测试波形。主要功能为泄放大的能量，国标GB50057规定安装在建筑物的进线端。其非线性元件为放电间隙。,Type 2 (Class C) SPD测试波形8/20s时间比10/350s短，用于II级分类试验产品的测试波形，释放开关操作产生的低电能和限制过电压。一般建议安装在就近的设备前端。,3 防雷设计波形和能量的级间配合(B+C),3 防雷设计-接线要求数据,（3）消除连接引线电压降的接线方式,3 防雷设计-接线要求数据,直流侧防雷措施： 电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设