光伏發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）是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，是為電子設備提供保護的重要元件，過去又稱避雷器或過壓保護器，可以為各種電子設備、儀器儀表、通信線路提供安全防護。但在實際運行中，經常會被雷擊損壞。雷電流流入大地引起的反向閃絡是造成浪涌保護器及其連接設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，在實際應用中，如何解決建筑物以及電子信息系統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境下SPD 行為的研究變得困難。相關研究大多通過高壓實驗和數值計算進行。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）電站中通過浪涌發生器注入的雷擊瞬態電流對直流過電壓保護系統的影響，開發了計算機軟件構造了一套仿真模型，以探索光伏電站內的瞬態效應對電氣裝置直流側的過壓保護（OVP）系統的影響。

本文針對某光伏發電項目一次浪涌保護器損壞情況，從雷擊浪涌原理出發，對其損壞原因進行了分析研究，借助雷電監測系統排除雷擊的可能性，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的快速解決措施。

1 案例描述

某光伏發電項目反饋浪涌保護器發生損壞，廠家技術人員趕到現場，根據現場走訪和雷電監測系統了解到，在浪涌保護器發生損毀事故期間，當地無閃電雷擊發生，也未產生明顯放電現象，因此排除雷擊等因素的影響。通過調查也同步排除了人為誤操作破壞浪涌保護器可能性。依據現場初步調查結果和查詢項目相關的技術文件和線路圖紙，浪涌保護器損壞原因可能為系統內部過電壓。

浪涌產生的時間非常短，大概在皮秒級。浪涌出現時，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態輸入電流。電源應該限制AC 開關、整流橋、保險絲、EMI濾波器件能承受的浪涌水平。反復開關環路，AC輸入電壓不應損壞電源或者導致保險絲燒斷。這種現象通常只持續幾納秒至幾毫秒，浪涌出現時的電壓和電流值超過正常值兩倍以上。

系統內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、隔離開關操作空載母線等電磁過渡過程中的瞬態過電壓，一般持續時間0.1 s以內；暫時過電壓是由于斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩定的情況下所出現的超過額定值的電壓，持續時間相對較長。本次事故的系統內部過電壓初步判定應屬于暫時過電壓。

2 SPD損壞原因分析

電子設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生器：一種是雷擊在電源線上感應生產的波形；另一種是在通信線路上感應產生的波形。這兩種線路都屬于架空線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應產生的浪涌波形比較窄一些，前沿要陡一些；而在通信線上感應產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生產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計。

防浪涌設計時，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，在設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網絡可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。

該浪涌保護器技術選型指標如下：（1）型號為LAC80－420／3P；（2）系統工作電壓為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。

根據上面公式，假設浪涌峰值電壓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 的數值為1.25 H。顯然這個數值非常大，在實際中很難實現，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限。

根據現場線路排查和技術文件對比，發現該項目箱變采用如圖1 所示的3 級接地模式，根據計算可知，浪涌保護器耐壓＝594 V。根據光伏組件負極是否接地分為負極不地系統和負極接地系統，當采用負極接地系統時，由于光伏逆變采用空間矢量脈寬調制策略（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，電容產生的共模電壓因此被抬高。通過測量并網時對地電壓波形可知，交流對地電壓峰值已經超過1 kV，如圖2 所示。

圖1 箱變3 極接地模式

圖2 并網時對地電壓波形

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，交流電壓直接經過地流入負極，從而導致熔斷器被燒壞。

圖3 交流經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中交流側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工作電壓為420 V，動作電壓為680 V。當系統電壓高于最大持續工作電壓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 結束語

由于浪涌保護器（SPD）設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電用箱變浪涌保護器損壞情況出發，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工作電壓420 V以及動作電壓680 V，因此導致系統電壓高于最大持續工作電壓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。