光伏系统防雷设计

成都兴业雷安电子有限公司易燕平林毅龙

1、前言

随着太阳能光伏电站和并网发电系统的数量、规模和应用规模的不断扩大和增容。如何减少雷害、减少维护，确保太阳能光伏并网发电系统安全可靠运行。对太阳能光伏并网发电系统的《防雷与接地设计》必须引起高度的重视。太阳能光伏并网发电系统的防雷与接地和一般电器的防雷既有区别又有联系，因此，要根据太阳能光伏电站及并网发电系统的特点、跟据站场、地域和气候特点来进行综合设计，以开放性大系统理论为指导，通过电气工程师、防雷工程师、基建工程师的通力合作，才能提高电站建设的质量，保证电站的安全运，获的良好的效费比。

2、雷电的危害

直击雷是由积雷雨云中电场突变，水滴群集合电子破发对大地或云间放电现象，地面上的建筑物或构筑物突出部形成接闪或尖端放电，电离通导的形成，流光柱下行，即直击雷。一个直击雷在平方公里的范围内，由于电磁场作用对远处或防雷保护区之内的导线、金属管道，均能形成感应场，同时可以通过导线和金属管道传输到电子设备和太阳电池组件上，强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波，强烈的电磁辐射，所以能损坏放电通道上的输电线和电子设备，造成财产损失，甚至击死击伤人畜，造成生命损失。

雷云下表面分布着大量负电荷，对大地形成静电感应，并使各种金属支架和电缆等感应出高电压。闪电电流在闪电通道周围的空间产生强大的电磁场，使周围的各类金属导体上产生感应电动势或感生电流，从而损坏设备。

并且雷电感应高电压和雷电电磁脉冲的作用范围广，作用方式比较隐蔽，所以其后果往往比直击雷更严重。

如果没有采取等电位连接和钳位措施而且避雷针引下线与导线、金属管道或电器设备的工作地线间的距离小于安全间距，雷击发生时，导线感应雷电流，或者雷击建筑物导致地电位抬高，都会使设备的电源线、信号线和接地线之间存在电位差，如果电位差超过设备的耐受能力，则该设备必然被击坏。

3、太阳能光伏电站及并网发电系统的防雷设计

设计思路：环境识别、地线优化、端口加固、空域防护。

太阳能光伏电站及并网发电系统的基本组成为：太阳电池方阵、直流配电柜、交流配电柜和逆变器等。太阳电池方阵的支架采用金属材料并占用较大空间且一般放置在建筑物顶部或开阔地，

跟踪器9台，按照3×3的矩阵排列，跟踪器与跟踪器之间的间距为17米。跟踪器长宽高分别为××6。

图1 站场布局

在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件和逆变器比较昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，有效的防雷和电涌保护是必不可少的。太阳能光伏电站及并网电站防雷的主要措施有：

图2 综合防雷的主要措施

1）气象资料与地堪（环境识别）

雷暴日、地形地貌、土壤电阻率、冻土层深度、风口方向。

2）外部防雷（空域保护）

装置主要是避雷针、避雷带和避雷网等构成，通过这些装置可以减小雷电流流入建筑物内部产生的空间电磁场，以保护建筑物和构筑物的安全。防直击雷装置应严格按照国标B50057-94《建筑物防雷设计规范》的要求进行设置，其中避雷针必须按滚球法计算其保护范围和高度。

滚球法计算保护范围公式：

图3 单避雷针保护范围示意图

图4 双避雷针保护范围示意图

表1 确定接闪器高度的依据

方案一：采用传统避雷针，保护角按上述计算公式设计，3×3阵需要四根。LAZQ 120C（不含桅杆）。

方案二：采用CDP天幕拒雷装置，可减少传统避雷针的数量的1/2，3×3阵需要2根。LACPD（不含桅杆）。

3）接地和搭接（地线优化）

当光伏设备放置在空旷地区时加外部防雷系统，避雷针的布置需要既考虑光伏设备在保护范围内，又要尽量避免阴影投射到光伏组件上。良好的接

地使接地电阻减小，才能把雷电流导入大地，减小地电位，各接地装置都要通过接地排相互连接以实现共地防止地电位反击。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻必须小于10Ω。低压电力设备接地装置的接地电阻，不宜超过4Ω。光伏设备的接地系统设计为环形接地极（水平接地电极），建议网络大小为20m×20m。固定的金属支架大约每隔10m 连接至接地系统。太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接，在焊接处也要进行防腐防锈处理，这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。水平接地极铺设在至少0.5m 深的土壤中（距离冻土层深0.5m），使用十字夹相互连接成网格状。同样，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀带包裹起来。

图5 太阳能光伏并网发电系统防雷接地示意图

等电位连接，实现各金属物体之间等电位，防止互相之间发生闪络或击穿。防雷系统的关键部分是太阳能光伏并网发电系统的所有金属结构和设备外壳连通并接地。具体的做法是：太阳电池组件和支架及设备的外壳直接接到等电位系统上，直流和交流电缆通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。为防止部分雷电流侵入建筑物，等电位连接应尽可能靠近系统的入口或建筑物的进线处。

屏蔽，实现建筑物、线路和设备对外界的电磁屏蔽隔离，防止电磁脉冲和感应高电压。屏蔽是当雷电在系统附近的大地放电雷云在附近经过时，通

过降低电磁场与系统输电线路的相互作用对系统提供保护。屏蔽可以采用密封的导电壳层、同轴外套或内通电缆的电缆管，或者在电缆沟中电缆上面敷高裸露保护线等方式。屏蔽装置的外壳应连接到设备地线上。

方案一：3×3阵列，将基座钢筋龙骨，采用编钢互连（电气焊接），焊接点的防腐处理，地埋后互通形成以大地网。

方案二：3×3阵列，在直立跟踪器塔架上，高度大于2米处，架设钢绞线网格，8×8米网格，要求各节点电气搭接可靠，接触电阻要小，可不采用电气焊处理。

方案三：3×3阵列，在每个直立塔架基础上，采用深井单根地桩打入方式，50钢管7×LAD1200加降阻剂材料LAD001(7包)，深度可在5～8米，测量地阻值小于4Ω达标，目的是3×3阵列每个基座的接地电阻误差最小。可免作地网或架空网减少工程造价，又能达到安全和防雷要求。

4）设备防雷（端口加固）

采用SPD浪涌保护，通过在带电电缆上安装浪涌保护器实现，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池方阵外，还有配电线路、接地线等，所以太阳能光伏并网发电系统需要采取以下防护措施：

（1）在逆变器的每路直流输入端装设SPD浪涌保护装置。

（2）在并网接入控制柜中安装浪涌保护器，以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器, 过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品