大型光伏发电站防雷研究

肖遵林

摘要：我国的光伏发电站多为大型地面发电站。而随着大型光伏发电站防雷设计标准的公布，大型光伏发电站的防雷也日趋完善。基于此，本文主要研究了大型光伏发电站的一些防雷措施。

关键词：大型光伏发电站；防雷；研究

随着能源需求的快速增长及低碳经济的深入发展，作为可再生能源之一，大型光伏发电完全适应了当下能源市场的要求。由于大型光伏发电站中的太阳能光伏组件所占户外场地面积较大，且多位于空旷多雷区，光伏组件的边框及支架也都采用的金属材料，所以，较易被雷击中，这严重威胁着大型光伏发电站的安全。

1项目简介

笔者以广东省阳江市阳西县20MWp地面光伏电站为例，电站2016年并网发电，电站由15个方阵构成，采用310Wp的多晶硅光伏组件，组件倾斜角20度，每组串由18块组件构成，占地约500亩荒地。

2大型光伏发电站的一些防雷措施

2.1接地

一般情况下，接地装置主要用于传导雷电流，同时使其流散入大地。接地装置直接决定着整个防雷系统的质量。位于地面的光伏系统，其金属支架需要和主接地网进行可靠连接。光伏电站的接地一般都在光伏阵列密集区域内挖沟，再人工加装接地网，然而，针对面积巨大的光伏阵列，这无疑属于一个耗资巨大的工程。按照设计施工，每组光伏组串以8根立柱支撑支架，并通过螺旋桩，在地面上固定每根立柱光伏支架，螺旋桩参数是76mm钢管外径，3mm壁厚，1.6m长，这种钢制桩基础的下部配带螺旋叶片。借助螺旋桩机，能够方便地在地下打入螺旋桩，并直接将其作为桩体。鉴于以上情况，首先宜考虑将螺旋桩基础作为垂直接地极，并利用镀锌扁钢在立柱底部，焊接邻近光伏支架。与此同时，将环形人工接地体设置在光伏阵列外围，它由50mm×4mm镀锌扁钢构成，且接地体埋深0.8m。而且利用镀锌扁钢可靠焊接每排支架两端和外围环形接地体。由人工环形接地体与螺旋桩基础组成一个复合式接地网络。

复合式接地网络的参数：每个方阵256组，每组8根螺旋桩分成前后2排，前后排距离是2.1m，每排间距是2.8m。组与组之间用镀锌扁钢焊接，并且和外围环形接地体焊接。

每个光伏方阵接地网约33亩，经测量得出光伏发电站平均土壤电阻率值ρ=151.3Ω•m，再根据相关复合式接地网接地电阻公式R≈0.5ρ/，算得R≈0.51Ω。符合规范要求，单独接地体电阻小于4Ω，共用接地体电阻小于1Ω。

进一步推算后，得出在相同土壤电阻率中，如果大型光伏发电站中的单块接地网络比5723㎡大，则其地网中的工频接地的实际电阻可达1Ω以下。

2.2直击雷防护

一般采用避雷针、带、线来防护直击雷。而且也可采用提前放电式避雷针，这是一种主动型避雷系统，且带连锁反应装置。它基于传统的避雷针，添加了主动触发系统。相较于普通避雷针，提前出现上行迎面先导以引下雷电，进而可以将避雷针保护范围扩大，而且安装高度也可适当降低。利用这种提前放电避雷针可以大幅减少所需避雷针量，而且能减小安装高度，从而还可将对方阵组件的遮挡减小。

在对接闪器的安装高度和位置进行确定时，首先应确定太阳能光伏发电站的防雷等级，结合具体的防雷等级，通过滚球法进行设计。与此同时，还应全面考虑遮挡组件方阵阳光的问题，避雷针不可以影响组件对阳光的接收。此外，光伏阵列通常会占用较大的面积，专门安装防直击雷设施会增大成本。相关规范指出，对于有边框的光伏组件，其边框应可靠接地。而本电站光伏组件周围都是铝合金框架，组件倾斜角θ=20°，则坡度i=tanθ≈0.36，倾斜角和坡度较小，因而可以将光伏组件视为建筑物屋面。因为坡度大于1/2的屋面，其屋角、屋脊或檐角极易被雷击，也就是说光伏组件的4角、2侧边及上边极易被雷击。而光伏组件的铝合金边框比较厚，所以，在其可靠接地的前提下，能将其兼作接闪器。同时采用去氧化方法处理连接光伏组件边框与光伏组串支架的部位，并通过铝合金压块进行紧固连接，以提高电气导通效果。为此，可以在安装专用接闪器不便的情况下，用铝合金框架代替接闪器能保护光伏组件。

对于逆变器室，需要将接闪带敷设在屋顶周围，进而进行防直击雷保护。应可靠焊接室外爬梯和接闪带，将建筑物4角结构柱中存在的2根Φ12钢筋当作引下线，并可靠焊接上部与屋顶接闪带以及下部与接地装置。逆变器室将基础内钢筋网用作接地体，并和光伏阵列内接地网可靠连接两处以上，一起组成共用接地网，进而将二者的电位差消除。

2.3防侵入闪电电涌

为了有效防止光伏发电站中电气设备相互反击电位，除了利用接地系统外，等电位连接也是一种关键的防雷技术。采用等电位连接金属光伏组件支架和汇流箱外壳，并在总等电位连接端子接入逆变器室中的逆变器风机以及逆变器、直流柜与通讯柜的外壳。而且采用可靠电气连接全部的等电位连接及光伏发电站接地网。

为了避免在线缆中，产生闪电感应电涌电流侵入和损害设备，必须对线缆采取屏蔽处理。而本项目中光伏组件和汇流箱电源采用的线缆均属于带铠装线缆，所以，应等电位连接线缆2端的铠装层与光伏支架和汇流箱。采用等电位连接金属铠装层其中一端和汇流箱，并将金属铠装层在逆变器室的入户线缆处，连接到建筑内的总等电位端子。应将建筑内的光伏设备电源线与信号控制线在2端接地金属管中进行平行敷设。而且2种线缆间距应比150mm大，这不仅能确保线路互不干扰，而且也能减小线缆所产生的电磁感应环路范围。

为了避免雷电感应或操作过电压侵害光伏发电站中的设备，则需要针对光伏发电站的设备线路，专门安装用于防护光伏电涌的装置。根据相关光伏汇流箱规范可知，需要将电涌保护器设置在光伏汇流箱处，而且对于电涌保护器，其最大放电电流，即Imax（8/20）必须不小于40kA，而标称放电电流，即In（8/20）必须不小于20kA。在光伏组件单块标准测试（STC）下，宜以45.45V作为开路电压，且每组串包括18块光伏组件，那么通过简单推算，可知光伏组串的实际开路电压，即Uoc=18×45.45V=818.1V，由此可知，位于汇流箱中的电涌保护器，其持续运行电压的最大值，即Uc宜不小于Uoc（STC）的1.3倍，即1063.53V。同时汇流箱的直流电压额定值宜为1000V，且电压保护水平Up需要比3kV小。参考相关防雷技术规范可知，针对逆变器室中的直流柜内设置的电涌保护器，宜采用不小于50kA的标称放电电流，而针对逆变器直流侧设置的电涌保护器，宜采用不小于10kA的标称放电电流。对于直流柜与逆变器，其直流侧设置的电涌保护器Uc与Up的选用规则与汇流箱的一样。

3结语

综上所述，随着大型光伏发电站的不断发展，各种光伏发电系统也得到了十分广泛的应用。而通过科学、合理的防雷措施，能够保障大型光伏发电站防雷的可靠性、经济性及安全性。

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