光伏电站直流设备安全距离的研究

国家电网有限公司 ■ 张洋

鲁能新能源（集团）有限公司 ■ 钱海

中国电力科学研究院有限公司 ■ 郑秋玮* 刘庭 刘凯 余光凯

0 引言

随着可再生能源的大力发展，光伏电站的建设和运维成为热点。光伏电站主要由光伏组件串、直流汇流箱、逆变器、升压变压器等组成，包含了大量的低压直流设备。为了保障光伏电站生产作业人员的人身安全，在日常的运维工作中，作业人员需要与带电设备保持相应的安全距离。

GB/T 35694-2017《光伏发电站安全规程》[1]中规定了光伏电站运行、维护、检修和调试安全的技术要求，但未涉及与设备安全距离相关的内容。GB 50061-2010《66 kV及以下架空电力线路设计规范》[2]中给出了10 kV及以下架空电力线路的导线与杆塔构件、拉线之间的最小间隙，其中，3～10 kV的最小间隙为0.2 m，3 kV以下的最小间隙为0.05 m。DL/T 5220-2005《10 kV及以下架空配电线路设计技术规程》[3]中给出了配电线路的导线与拉线、电杆或构架间的净空距离，其中，1～10 kV的净空距离为0.2 m，1 kV以下的净空距离为0.1 m。但以上安全距离仅适用于交流设备，并不适用于光伏电站的低压直流设备。

目前，国内外研究机构对高压直流和低压交流设备的安全距离研究较多，但暂未有对低压直流设备安全距离的研究。《国家电网公司电力安全工作规程(光伏电站部分)》正在制订中，各单位作业人员暂时按照自定规章制度或经验进行作业，存在一定安全风险。因此，为填补光伏电站直流设备安全距离规定的空白，给安全工作规程的制定提供依据，保障光伏电站作业人员的人身安全，需要对光伏电站直流设备的安全距离进行分析研究。

本文总结了Q/GDW 1799.1-2013《国家电网公司电力安全工作规程(变电部分)》[4](下文简称“《国网变电安规》”)中关于10 kV安全距离的取值原则，分析计算了光伏电站直流设备过电压及安全净距，并结合现场调研，提出了光伏电站直流设备安全距离及安全注意事项。

1 《国网变电安规》关于10 kV安全距离的要求

1.1 安全距离的取值原则

安全距离的取值不仅要考虑放电击穿，还要考虑作业中的人身安全[5]，因此，安全距离的取值是在安全净距的基础上，加上一定的人体活动范围，并考虑一定安全裕度而确定的。

确定安全距离的公式为：

式中，D为安全距离；A为安全净距；S为人体或物体的活动范围及一定安全裕度。

安全净距是指无论在正常工作电压还是在出现内、外部过电压时，空气间隙都不被击穿所需要满足的最小电气距离[5]。若空气间隙小于安全净距，则空气间隙有可能被放电击穿。安全净距一般根据设备的过电压水平和空气间隙放电特性，按照绝缘配合方法来确定。

1.2 《国网变电安规》中10 kV安全距离的规定

《国网变电安规》中规定了工作人员在电气设备上工作时应遵守的安全要求，其中关于10 kV安全距离的规定如下[4]：

1)第5.1.4条：10 kV及以下配电装置，在有人监护但无遮拦的情况下，作业人员与带电设备之间的安全距离应满足0.7 m。

2)第5.1.5条：无护网等隔离措施时，10 kV户外配电装置的带电部分与人行过道地面之间的安全距离应满足2.7 m，户内配电装置的带电部分与人行过道地面之间的安全距离应满足2.5 m。

3)第5.1.6条：无遮拦等隔离措施时，10 kV户外配电装置的带电部分与车辆外廓之间的安全距离应满足0.95 m。

4)第7.2.1条：10 kV及以下配电装置，当作业人员与设备之间的距离小于0.35 m时，应将设备停电；当作业人员与带电设备之间的距离大于0.35 m，但小于0.7 m时，应设置遮拦或绝缘隔板。

1.3 《国网变电安规》中10 kV安全距离的取值原则

《电力工程电气设计手册(电气一次部分)》[6]中提出，3～10 kV配电装置带电部分至接地部分的安全净距A应为0.2 m。该值是根据10 kV系统过电压水平和空气间隙放电特性，按照绝缘配合惯用法确定的[7]。

根据式(1)，《国网变电安规》中10 kV安全距离的取值是在安全净距A的基础上，考虑一定人体或物体活动范围及安全裕度来确定的，具体如表1所示。

表1 《国网变电安规》中10 kV安全距离的取值原则

2 光伏电站直流设备的安全净距

2.1 直流设备的电压等级

经调研，光伏电站直流设备的电压等级包括：±110 V、±200 V、±300 V、±400 V、±500 V、±600 V、±750 V。

2.2 直流设备过电压水平

光伏电站直流设备过电压分为暂时过电压、瞬时过电压。其中，暂时过电压为直流设备的最大工作电压，瞬时过电压包括操作及雷电过电压。

根据直流设备厂商提供的设备技术参数，确定±110 ～±750 V电压等级的直流设备运行的最大工作电压为额定电压的1.4倍。不同电压等级直流设备的暂时过电压水平如表2所示。

表2 不同电压等级直流设备的暂时过电压水平

GB/T 16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》[8]给出了直流±1000 V及以下电压等级设备的额定冲击电压水平(包括操作及雷电冲击电压)，如表3所示，可用设备的额定冲击电压水平表征设备的瞬时过电压水平(包括操作及雷电过电压)，表中未列出的电压等级按高一档电压等级来确定瞬时过电压。不同电压等级直流设备瞬时过电压参照表2。

表3 低压电网供电设备的额定冲击电压水平

2.3 直流设备安全净距的确定

直流设备安全净距是根据其过电压水平和空气间隙放电特性，按照绝缘配合方法确定的。对于220 kV及以下的自恢复绝缘，通常采用惯用法进行绝缘配合，因此，本文采用绝缘配合惯用法确定直流设备的安全净距。在绝缘配合惯用法中，系统最大过电压U0max、绝缘耐受电压UW与安全裕度A0三者之间的关系为[9]：

本文需要同时计算耐受暂时过电压与耐受瞬时过电压下的空气间隙，并取较大值作为安全净距。GB/T 16935.1-2008[8]中给出了海拔2000 m及以下地区耐受不同暂时过电压、瞬时过电压时的最小电气间隙推荐值；再根据表2直流设备的过电压水平，取安全裕度A0为1.2，可以得到海拔2000 m及以下地区不同电压等级直流设备的最小空气间隙，具体如表4所示。

根据表4，取最大值作为安全净距，即直流±750 V及以下电压等级的安全净距为18 mm，考虑一定安全裕度后，取整为20 mm。

表4 直流设备的最小空气间隙

3 光伏电站现场调研情况

前文得到了光伏电站直流设备的安全净距，有必要对光伏电站进行现场调研，为安全距离的确定提供依据。本文选取了国网张家口风光储示范电站进行现场调研。

3.1 直流设备的情况

光伏电站的直流部分主要集中在光伏发电单元内，光伏发电单元是一定数量的光伏组件串，通过直流汇流箱汇集，经过整流、逆变和升压，输出符合电网电压、频率和电能质量要求的电源，其结构图如图1所示。

图1 光伏发电单元结构图

1)光伏组件。光伏组件的输出电压为35.2 V，绝缘线缆在组件背面，如图2所示。组件铝框和支架均接地。

图2 光伏组件正面及组件背面输出端

2)直流汇流箱。直流汇流箱内接线如图3所示，断路器闭合时，直流输出端与输入端子排均带电；断路器断开时，若光伏组件仍在运行，输入端子排上则会有±350～±400 V的运行电压。关上柜门后，带电体距离柜体约10 cm。

图3 直流汇流箱内接线图

3)直流配电柜。直流配电柜内接线如图4所示。柜体正面设有网状金属隔板，反面输出端子排电压最大为±500 V；若未设置隔板，带电体距离柜门约40 cm，距离柜体两侧约20 cm。

图4 直流配电柜内接线图

4)逆变器柜。逆变器柜门打开后均设有金属隔板，如图5所示。

图5 逆变器柜

由以上调研情况可知，光伏电站直流设备的带电体均布置在金属柜内，柜门打开后，有以下2种情况：1)有网状金属隔板，工作人员打开柜门后可通过隔板看见带电体，带电体最高电压为±750 V；2)无隔板，带电体直接裸露在柜内，工作人员打开柜门后可直接接触带电体，带电体最高电压为±750 V。

3.2 运维工作情况

光伏电站的运维工作主要包括日常巡检、半年检、设备检修及故障检测等。

1)日常巡检。光伏电站的日常巡检包括对高低压箱变、逆变器、汇流箱等设备的日常巡检，每周的日常巡检以目测检查为主。

2)半年检。半年检工作需要对直流配电柜中的IGBT模块进行带电红外测温检查，如图6所示。测温前通常需要先停电，拆除隔板，然后再带电测量。

图6 直流配电柜内需要带电红外测温的位置

3)设备检修及故障检测。在设备停电后，首先需要用万用表进行验电；设备检修或更换重要元件后，也需要在带电时测量直流端子排电压，现场采用万用表直流档测量；设备(主要为直流汇流箱)出现故障时，需要用万用表直流档逐一测量各支路直流极间电压及直流端子对地电压(故障电压最大为DC1500 V)，从而判断故障位置。

通过现场调研，光伏电站中与直流设备带电接触的危险点包括：

1)光伏组件串或汇流支路故障后，需要通过测量汇流箱内接线板各支路电压判断故障支路的位置(故障电压最大为DC1500 V)。

2)停电检修前，需要进行验电，采用万用表测量直流汇流箱或直流配电柜内直流端子排的电压。

3)需要对直流配电柜IGBT模块进行带电红外测温。测温前需要先停电，然后拆除柜门内金属网状隔板，再进行带电测试；测试结束后再停电将隔板还原，最后带电投运。测温过程中，工作人员可在柜门外距离带电体1 m左右的位置持红外装置进行测量。

4 光伏电站直流设备的安全距离

通过对光伏电站的现场调研可知，直流汇流箱、直流配电柜可以在设备带电的情况下打开，柜内存在裸露的带电部分，运维工作中也需要对直流设备进行直接或间接检测、维修。因此，结合直流设备安全净距和现场实际情况，提出光伏电站直流设备的安全距离及安全注意事项。

4.1 对于柜内有固定式网状隔板的直流设备

网状隔板与带电体的安全距离应不小于10 cm(即2 cm+7 cm+1 cm)。其中，2 cm为安全净距，一般运行人员手指误入网状隔板时的指长不大于7 cm，另外考虑1 cm的误差。

4.2 对于柜内无固定式网状隔板的直流设备

1)需要在停电的直流设备上进行工作时，应首先对设备进行停电，作业人员应穿戴低压绝缘安全手套(或带电作业用绝缘手套)、绝缘鞋打开柜门，并对设备进行验电及接地。

2)需要在柜门打开的情况下，对停电后的设备送电进行带电检测时，应在有人监护的情况下进行，作业人员与设备的安全距离应不小于60 cm(即2 cm+50 cm+8 cm)。其中，2 cm为安全净距，50 cm为在有人监护的情况下的人体活动范围，另外考虑8 cm的误差。

4.3 光伏电站直流设备安全距离取值的建议

综上所述，类比《国网变电安规》中10 kV安全距离的规定，提出光伏电站直流设备安全距离取值建议：

1)在直流设备不停电的情况下，作业人员与裸露的带电体之间应符合0.6 m的安全距离。此建议对应《国网变电安规》的第5.1.4条。

2)在直流设备处工作时，当作业人员与设备之间的距离小于0.1 m时，应将设备停电；当作业人员与带电设备之间的距离大于0.1 m但小于0.6 m时，应设置固定隔板。此建设对应《国网变电安规》的第7.2.1条。

3)由于光伏电站直流设备均带有外壳，不存在裸露的带电体跨越人行过道或行车道的情况，因此，《国网变电安规》第5.1.5条、第5.1.6条的安全距离不涉及光伏电站直流设备。

5 结论

本文首先总结了《国网变电安规》中关于10 kV安全距离的取值原则，然后分析计算了光伏电站直流设备过电压及安全净距，同时现场调研了光伏电站直流设备及运维工作情况，最后结合安全净距和现场设备运维情况，类比《国网变电安规》，提出了光伏电站直流设备的安全距离及安全注意事项。对于光伏电站直流设备：

1)若柜内有固定式网状隔板，网状隔板与带电体的安全距离应不小于0.1 m；

2)若柜内无固定式网状隔板，在有人监护情况下，作业人员与带电体的安全距离应不小于0.6 m；

3)在停电设备上工作时，作业人员应穿戴低压绝缘安全手套、绝缘鞋打开柜门，并对设备验电及接地。