光伏发电用箱变浪涌保护器损坏原因分析及其解决策略

杨利华，杨展文，袁乙专

（明珠电气股份有限公司，广州 514400）

0 引言

浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，是为电子设备提供保护的重要元件，过去又称避雷器或过压保护器，可以为各种电子设备、仪器仪表、通信线路提供安全防护。但在实际运行中，经常会被雷击损坏。雷电流流入大地引起的反向闪络是造成浪涌保护器及其连接设备损坏的主要方式之一，通常是由雷电电流注入地面后的瞬时地电位升高引起的［1－6］。光伏系统通常暴露在野外、山地、沙漠、湖泊或建筑物顶部等场所，场地越开阔，顶部上方的雨云以雷电形式释放电荷［7－12］。因此，在实际应用中，如何解决建筑物以及电子信息系统雷电灾害防护问题就显得十分重要。

自然闪电的不确定性使得雷暴环境下SPD 行为的研究变得困难。相关研究大多通过高压实验和数值计算进行。然而，闪电包含许多不同时间尺度和电流大小的物理子过程，高压实验室的放电测试无法有效模拟自然闪电。Mendez Hernandez等［13］通过测量分析真实的兆瓦级光伏（PV）电站中通过浪涌发生器注入的雷击瞬态电流对直流过电压保护系统的影响，开发了计算机软件构造了一套仿真模型，以探索光伏电站内的瞬态效应对电气装置直流侧的过压保护（OVP）系统的影响。

本文针对某光伏发电项目一次浪涌保护器损坏情况，从雷击浪涌原理出发，对其损坏原因进行了分析研究，借助雷电监测系统排除雷击的可能性，对浪涌保护器所处的线路进行排查，同步对浪涌保护器主要元器件进行进一步分析，明确事故原因并给出相应的快速解决措施。

1 案例描述

某光伏发电项目反馈浪涌保护器发生损坏，厂家技术人员赶到现场，根据现场走访和雷电监测系统了解到，在浪涌保护器发生损毁事故期间，当地无闪电雷击发生，也未产生明显放电现象，因此排除雷击等因素的影响。通过调查也同步排除了人为误操作破坏浪涌保护器可能性。依据现场初步调查结果和查询项目相关的技术文件和线路图纸，浪涌保护器损坏原因可能为系统内部过电压。

浪涌产生的时间非常短，大概在皮秒级。浪涌出现时，电压电流的幅值超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。电源应该限制AC 开关、整流桥、保险丝、EMI滤波器件能承受的浪涌水平。反复开关环路，AC输入电压不应损坏电源或者导致保险丝烧断。这种现象通常只持续几纳秒至几毫秒，浪涌出现时的电压和电流值超过正常值两倍以上。

系统内部过电压又可分为操作过电压和暂时过电压，操作过电压即线路故障、空载线路投切、隔离开关操作空载母线等电磁过渡过程中的瞬态过电压，一般持续时间0.1 s以内；暂时过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的超过额定值的电压，持续时间相对较长。本次事故的系统内部过电压初步判定应属于暂时过电压。

2 SPD损坏原因分析

电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB／T 17626.5。标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电源线上感应生产的波形；另一种是在通信线路上感应产生的波形。这两种线路都属于架空线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些，前沿要陡一些；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也兼顾对通信线路的防雷进行分析设计。

防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。

该浪涌保护器技术选型指标如下：（1）型号为LAC80－420／3P；（2）系统工作电压为400 V；（3）雷电保护水平为2.5 kV；（4）泻放电流保护水平为2.0 kV；（5）操作冲击电流保护水平为1.4 kV；（6）标称放电电流为80 kA；（7）最大放电电流为150 kA；（8）雷电冲击电流为35 kA。

共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波，以及CY电容两端的电压为Uc，测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波，流过电感的电流为：

流过电感的最大电流为：

在2τ期间流过电感的平均电流为：

由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为：

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L 和电容CY参数的计算公式，式中：Uc为CY 电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压；ΔUc为CY 电容两端的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc＝ΔUc；Up为共模浪涌脉冲的峰值；q为CY电容存储的电荷；τ为共模浪涌脉冲的宽度；L 为电感；C为电容。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up＝1 000 V，电容C ＝2 500 pF，浪涌抑制电路的输出电压Uc＝500 V，则需要电感L 的数值为1.25 H。显然这个数值非常大，在实际中很难实现，所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限。

根据现场线路排查和技术文件对比，发现该项目箱变采用如图1 所示的3 级接地模式，根据计算可知，浪涌保护器耐压＝594 V。根据光伏组件负极是否接地分为负极不地系统和负极接地系统，当采用负极接地系统时，由于光伏逆变采用空间矢量脉宽调制策略（SVPWM）来提高母线利用率，减小机器谐波，负极接地后，相当于输入负极接地，那么输出交流对地中心点被抬高，而光伏阵列对大地存在着对地电容，电容产生的共模电压因此被抬高。通过测量并网时对地电压波形可知，交流对地电压峰值已经超过1 kV，如图2 所示。

图1 箱变3 极接地模式

图2 并网时对地电压波形

综上可知，浪涌保护器耐压极限值低于交流侧对地电压值，如图3 所示，此时交流电不断对地短路，由于光伏组件为负极接地系统，交流电压直接经过地流入负极，从而导致熔断器被烧坏。

图3 交流经过地流入负极导致熔断器损坏

综上原因分析可知，由于光伏组件的负极接地系统中交流侧对地电压所固有的特性，导致浪涌保护器耐压极限值低于交流侧对地电压值，且逆变器无变压器隔离功能［14－15］，从而造成光伏系统接地后逆变器输出电压升高达800～1 000 V；项目选用的浪涌保护器最大持续工作电压为420 V，动作电压为680 V。当系统电压高于最大持续工作电压1.5 倍时浪涌保护器会被击穿烧毁。

3 解决策略

为了解决光伏组件接地故障对浪涌保护器的影响，依照实际情况，现场给出两种方案。第一种方案即采用4P防雷“3 ＋1”模式，型号为LAC100－420／3 ＋1。接线如图4所示，将电源的三相分别接浪涌保护器的三相端，三相电涌模块的输出端短接经过一片电涌模块到PE线，通过计算可知，浪涌保护器耐压为2×420 V×＝1 188 V，相对地电压提高了1 倍，其动作电压也提升到1 360 V，都高于机器三相对地电压峰值1 060 V，从而避免输出电压升高对浪涌保护器的影响。

图4 3P ＋1防雷接地模式

第二种方案是更换浪涌器型号，型号规格替换为LAC100－1000／3P，同时采用3P 防雷模式，型号为LAC100－1000／3P。接线如之前图1 所示，不作变更，但是将浪涌保护器最大持续工作电压提高到1 000 V，其动作电压为1 500 V左右，也高于1 060 V。

现有方案和两种改善方案的选型和接线方式浪涌保护器耐压（相对地）和动作电压（相对地）对比如表1所示。通过对比，采用第一种方案即采用4P 防雷“3 ＋1”模式，可以避免输出电压升高对浪涌保护器的影响，有效解决了SPD的在运行过程中损坏的问题。

表1 3 种方案的选型比较

4 结束语

由于浪涌保护器（SPD）设计和施工存在有多方面的不确定性因素，导致SPD 保护失效。本文针对实际案例中的一次光伏发电用箱变浪涌保护器损坏情况出发，对其损坏原因进行了分析研究，综合以上分析可以明确，此次浪涌保护器损坏的原因为：光伏组件采用3 级接地方式以及逆变器无变压器隔离功能，造成光伏系统接地后逆变器输出电压升高达800～1 000 V，高于本项目选用的浪涌保护器最大持续工作电压420 V以及动作电压680 V，因此导致系统电压高于最大持续工作电压1.5倍，浪涌保护器被击穿烧毁。为了解决光伏组件接地故障对浪涌保护器的影响，依照实际情况，采用4P 防雷“3 ＋1”模式，即将电源的三相分别接浪涌保护器的三相端，三相电涌模块的输出端短接经过一片电涌模块到PE线，通过计算可知，浪涌保护器耐压为1 188 V，相对地电压提高了1 倍，其动作电压也提升到1 360 V，都高于机器三相对地电压峰值1 060 V，从而避免输出电压升高对浪涌保护器的影响，有效避免了SPD 在运行过程中的损坏。