07 光伏发电系统防雷与接地设计(廖文本)

第七章防雷与接地设计
【学习目标】
1.了解雷电对光伏发电系统的危害性。

2.掌握直击雷的防范措施，熟悉滚球法及避雷针防雷设计方法；
3.掌握光伏系统接地系统组成及实施方法；
4.掌握光伏系统感应雷、雷电波防范措施；
5.掌握光伏系统浪涌过电压保护方法及选配。

【本章简介】
在光伏发电系统中，光伏方阵还有控制器、逆变器等其他一些设备，线缆较长，容易遭受雷电感应和雷电波的侵袭。

为了使光伏电站能够安全、稳定地运行，必须为系统提供防雷接地装置。

7.1雷电对光伏系统危害
雷电对太阳能光伏发电系统设备的影响，主要由直击雷、雷电感应和雷电波侵入3种方式对物体形成灾害，一般在设计中应当分别对其加以防范。

1.直击雷
直击雷是带电积云与地面目标之间的强烈放电。

雷电直接击在受害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏，对人畜造成伤害。

直击雷的电压峰值通常可达几万V 甚至几百万V，电流峰值可达几十kA 乃至几百kA，其破坏性之所以很强，主要是由于雷云所蕴藏的能量在极短的时间（其持续时间通常只有几μs到几百μs）就能释放出来，从瞬间功率来讲，是巨大的。

2 雷电感应(感应雷)
感应雷的能量远小于直击雷，但感应雷发生的可能性远大于直击雷。

感应雷分为由静电感应形成的雷和由电磁感应形成的雷两种。

(1)静电感应雷：当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，束缚电荷就变成了自由电荷，从而产生很高的静电电压(感应电压)，其过电压幅值可达到几万到几十万V，
这种过电压往往会造成建筑物内的导线、接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电。

(2)电磁感应雷：雷电放电时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近产生迅速变化的强磁场。

这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。

感应雷沿导体传播，损坏电路中的设备或设备中的器件。

光伏发电系统中电缆多，线路长，给感应雷的产生，耦合和传播提供了良好环境，而光伏发电系统设备随着科技的发展，智能化程度越来越高，低压电路和集成电路也用得很普遍，抗过电压能力越来越差，极易受LEMP的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件，所以更不能掉以轻心。

由于感应雷可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。

而光伏发电系统与外界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生感应雷，并沿电缆传入机房和设备。

所以防感应雷是光伏发电系统防雷的重点。

3 雷电波侵入
当架空线路或埋地较浅的金属管道、线缆直接受到雷击或因附近落雷而感应出高电压时，感应过电压会产生脉冲浪涌，如大量的电荷不能中途迅速入地，就会形成雷电冲击波沿导线或管道传播。

这个传导过电压会影响或破坏很大范围内与之连接的设备。

7.2光伏系统直击雷防范
7.2.1 光伏系统直击雷防范措施
一般宜采用抑制型或屏蔽型的直击雷保护措施，如安装接闪器，以减小直击雷击中的概率。

并尽量采用多根均匀布置的引下线。

因为多根引下线的分流作用可降低引下线沿线压降，减少侧击的危险，并使引下线泻流产生的磁场强度减小。

引下线的均匀布置可使引下线泻流产生的电磁场在建筑物内空间内部部分抵消，以抑制感应雷的产生强度。

接地体宜采用环型地网，引下线宜连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。

避雷针、避雷带(线)、避雷网是直接接受雷击的，统称为接闪器。

接闪器的金属杆，称为避雷针；接闪器的金属线，称为避雷线或架空地线；接闪器的金属带、金属网，称为避雷带。

接闪器如图7-1所示。

接闪器的避雷针、避雷线和避雷带，应根据实际选用。

(a)避雷针 (b)避雷带
图7-1 接闪器
7.2.2 避雷针直击雷防范设计
1.避雷针工作原理
由于雷云中向下先导趋向地面，同时使地面物体中电晕放电所引起的电离加剧，从而在某些地面物体上产生一个向上的先导，安装在比其它物体高得多的避雷针正是利用自身产生的向上先导来改变雷云向下先导的走向，将落雷点引到自己身上，达到保护比它矮的物体不易遭受雷击。

避雷针结构：由接闪器、引下线与接地装置组成。

(1)接闪器：一般采用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。

长度在1.5米以上时，圆钢直径不得小于10mm；钢管直径不得小于20mm，管壁厚度不得小于2.75mm。

在有污染或腐蚀性较强的场所，这些尺寸应适当加大或采取其他的防腐措施，如用铜或不锈钢制作。

长度超过3m时，需要用几节不同直径的钢管组合起来。

(2)引下线（接地线）：将接闪器或金属设备与接地装置连接起来。

在正常情况下不载流。

雷击时，将雷电流传送到接地装置去。

一般采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。

采用圆钢，直径不得小于8mm。

若采用扁钢，厚度不得小于4mm，截面积不得小于48mm² （即 4 ×12mm² ）。

走线要求：一般沿外墙，最短路径接地；多引下线应作等电位连接；在离地面1.8米以内设置断接卡；避开人容易碰撞的地方；在有污染或腐蚀性较强的场所，应采取防腐措施。

特殊情况暗敷应加大引下线尺寸，截面积不得小于80mm² 。

(3)接地装置：埋设在地中直接与大地接触作散流的金属导体。

若接地体采用垂直埋设，一般宜用角钢、钢管或圆钢等。

若采用水平埋设时，一般采用扁钢或圆钢。

接地电阻一般要求小于10 ，对土壤电阻率较高的地区，可以酌情放宽一些，但要求
小于30 Ω。

2.保护范围：滚球法
滚球法：一种几何模拟法，其滚球半径按我国防雷规范标准有30m 、45m 、60m 三个规定值（见表7-1），当球体同时触及到接闪器（或作接闪器的金属物）和地面（或能承受雷击的金属物）的情况下，未触及的部分，即规定为绕击率为0.1%时，接闪器的保护范围。

表7-1 防雷规范标准
滚球法的物理图象是，是以h r 为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

图7-2 滚球法
2.单支避雷针保护范围
（1）单支避雷针的保护范围的确定 当避雷针的高度h ≤hr （滚球半径）时，保护范围：
①距地面处作一平行于地面的平行线；
②以针尖为圆心，h r 为半径，作弧线交于平行线 A 、B 两点：
③分别以A 、B 为圆心，hr 为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。

以此弧线绕中心轴旋转在地面上形成的锥体就是保护范围。

避雷针在地平面上保护半径)2(0h h h r r -=，那么，避雷针在h x 高度的平面上保护半
径:0x r r ==。

图7-2 单支避雷针的保护范围
当h ≥hr 时，在避雷针上取高度为hr 的一点代替单根避雷针的针尖，即等效高度为hr 的单根避雷针来分析。

例如，第二类防雷建筑物，计算单支避雷针的保护范围时，滚球半径为45m ，若避雷针离地高度分别为45和8m 。

解：若避雷针的高度为45m ，代入公式得避雷针在地面上的保护半径为45m ； 若避雷针的高度为8m ，代入公式得： r o =25.6(m)
(2)双支等高避雷针的保护范围
双支避雷针之间的保护范围是按照两个滚球在地面从两侧滚向避雷针，并与其接触后两球体的相交线而得出的。

原理如下图7-4所示。

图7-4 双支等高避雷针
在避雷针高度h 小于或等于滚球半径h r 时，当两支避雷针的距离D ≥()h h h r -22时，应按单支避雷针的方法确定；
当D ＜()h h h r -22时，应按下列方法确定： ABCD 外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；C 、E 点位于两针间的垂直平分线上。

在地面每侧的最小保护宽度b o 按下式计算：()222⎪⎭⎫ ⎝⎛--===D h h h EO CO b r o
在AOB 轴线上，距中心线任一距离x 处，其在保护范围上边线上的保护高度h x 按下式确定： ()22
22x D h h h h r r x -⎪⎭
⎫ ⎝⎛+--= 两针间AEBC 内的保护范围，ACO 部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度h x 和C 点所处的垂直平面上，在F 点上以h x 作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定，如图7-4所示。

(3)多根避雷针
当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器。

(4)雷线与避雷针的组合
当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器。

避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分。

在架空网下是保护区，光伏方阵与架空网间应有一安全距离，以保证防雷效果。

当光伏方阵很大时，在屋顶安装较高的避雷针成本较高、施工较难。

考虑到实际情况，接闪器可以采用以下形式：先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据屋顶形状组合安装避雷线和适当高度的避雷针。

用相应的滚球半径来确定接闪器的保护范围。

防雷等级越高，滚球半径越小，保护范围越小，但保护效果越好，可能进入保护区击中被保护建筑物的雷电流要越小。

防雷等级越低，滚球半径越大，保护范围大，但保护效果较差，实际保护范围线是一复杂的近似圆弧线。

7.2.3接地系统
1、接地的基本概念
当一根带电的导体与大地接触时，电流便从导体流人大地，并向四面八方流散。

离带电导体越近，电流强度越大；离带电导体越远，电流强度越小。

一般情况下，在带电体20m 以外，电流强度即很微弱，几乎没有电压降，这里就是电位上的0点，也就是电气上的“地”。

由此可知，带电导体虽然与大地接触，但接触点附近的电流强度还比较高，与电气上的
“地”之间还有一定的电压降。

如果这个电压降数值较大，当工作人员同时接触的两点（例如脚站地上，而手摸到有故障的电机外壳）之间的电压在60V 以上时，就会发生苊险，因此，要求这一电压降不能过大。

电压降UZ 与流人大地的电流IZ 的比值，叫做接地电阻R Z ，即
Z
Z Z U R I
当I Z 一定时，R Z 越小，U Z 也越小。

为了降低电压降，应将光伏电站的接地电阻控制在一定数值以下，以保证人身安全。

概括地说，接地是为了保证电力设备正常工作和人身安全所采取的一种安全用电措施，通过金属导线与接地装置连接来实现接地。

接地装置能够将电力设备和其他生产设备上可能发生的漏电流、静电荷以及雷电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。

2.光伏接地系统
所有接地都要连接在一个接地体上，光伏系统的接地包括以下几个方面。

防雷接地：为了防止各种雷引起的雷电流的损害，避雷针、避雷带(线)以及低压避雷器，连接架空线路的电缆金属外皮必须可靠接地。

工作接地：为保证安全，逆变器的中性点、电压和电流互感器的二次绕组必须接地。

保护接地：为防止出现正常情况下不带电、而在绝缘材料损坏后或其他情况下可能带电的情况，光伏电池组件机架、控制器外壳、逆变器外壳、配电箱外壳、电缆外皮、穿线金属管道的外皮必须接地。

屏蔽接地：为了防止电磁干扰而对电子设备所做的金属屏蔽必须接地。

直接雷击会产生数百kA 的电流。

雷电流被接闪器引入大地时，要经由引下线、接地体而分散入地。

电流经接地装置进入大地是以半球面形状向大地散流的，离接地体20m 处，半球表面积很大，该处的电位趋于零，称为电气上的“地”。

由于在接地体与“地”之间存在着散流电阻，在这些区域的不同地点会有不同的电位，距离越近电压越高。

室内直流负荷设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端与工作接地相连，无流的远端地与工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压，当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。

单相交流负荷如空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上，当雷电流沿引下线对地泄放时，变压器的交流地和交流重复接地的电位也会升高，因此单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。

避免地电压反击可以使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器，即在交流变压器的低压侧、
交流配电箱的地零间加装交流过压保护器；在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。

所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装，避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。

光伏方阵的金属支架每隔一段距离连接至接地系统。

光伏设备和建筑的接地系统通过导体相互连接。

将各个接地系统相互连接起来可以显著减小总接地电阻。

通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，能够显著减小雷电作用在光伏阵列和建筑间连接电缆上所产生的过电压。

这样在闪电电流通过时，室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。

将防雷接地与其他接地分开，可以大大降低反击电压。

防雷接地与其他接地在联合接地网上的引接点距离不应小于5m，条件允许时间距宜为10～15m。

当然，降低接地电阻也有利于防止反击事故。

7.3光伏系统感应雷、雷电波防范
7.3.1 光伏系统感应雷防范措施
防雷电感应主要采用等电位连接。

原则上说，从外部进入建筑物的所有导电部件都必须接入等电位连接系统中，所有不带电的金属部件直接连接到等电位系统。

不带电的金属部件分为室外和室内两种情况。

处于室外的太阳电池板四周铝合金框架与支架、接地线等要可靠连接，使光伏方阵形成一个相等的电位，以防光伏方阵遭到雷电感应侵袭。

处于控制机房内的全部金属物品，包括各种设备、各个机架、所有金属管道及电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串接后再接到接地干线上。

带电部件(如电缆)则通过安装电涌保护器间接接入等电位连接系统。

等电位连接最好在建筑物入口附近执行，以防部分雷电流侵入建筑物。

低电压供电系统可用多极复合型雷电流和电涌保护器保护。

7.3.2光伏系统雷电波防范措施
由于雷电波(雷电浪涌)侵入造成控制机房内的控制器或逆变器遭损坏的概率最大，所以必须对雷电波侵入进行防护。

光伏发电系统的雷电浪涌入侵路径除了光伏阵列到机房的引入
线外，还有配电线路、接地线以及架空进入室内的金属管道和电缆。

从接地线侵入是由于附近的雷击使大地电位上升，使得大地电位比电源高，从而产生从接地线向电源侧的反向电流。

光伏阵列到机房的引入线是雷电波侵入的主要途径。

为此，可以采取多级防护措施进行保护。

在电池阵列的主回路内分散安装避雷元件，在接线箱内也安装避雷元件；保证接线箱与控制柜间距大于10m；在光伏阵列和逆变器之间的每根引入线上加装防雷器。

在控制器、逆变器内安装防雷元器件；在逆变器与配电柜之间安装低压阀式避雷器或浪涌保护器。

对从低压配电线侵入的雷电浪涌，通过安装在配电盘中的避雷元件应付。

在雷雨多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压器更加安全。

对供电线路、传输电缆和架空线路，可在线路上安装金属氧化物避雷器，要在每条回路的火线和零线上装设。

对架空进入室内的金属管道和电缆的金属外皮要将它们在入口处可靠接地，冲击接地电阻值不得大于30Ω。

接地最好采用电焊的方式，若做不到电焊也可采用螺栓连接。

7.3.3 光伏系统浪涌过电压保护
1.简单型独立光伏系统浪涌过电压保护
简易型光伏发电系统以其供电稳定可靠，安装方便，操作、维护简单等特点，已得到越来越广泛的应用。

该发电系统多用于城市独立的照明系统、高速公路路牌指示系统等等。

它广泛应用于城市现场交通信号指示系统、城市路灯系统、高速公路显示系统等等。

对于这种简易光伏发电系统的防雷我们做如下处理：
⑴在设备的外部做简易避雷装置，以保护太阳能电池板及用电设备不被直接雷击击中；
⑵对设备与太阳能电池板之间的供电线路，加装避雷器，型号根据直流负载的工作电压选择；
⑶避雷装置的引下线以及避雷器的接地线都必须良好的接地，以达到快速泄流的目的。

2.复杂型独立光伏发电系统的浪涌过电压保护
复杂独立发电系统，太阳能电池方阵发车的电经蓄电池并经过逆变器直流转换成交流电。

复杂型独立光伏发电系统多用于智能建筑物、别墅、工业厂房建筑物。

其各自太阳能发电系统防雷如下：
(1)无外部防雷装置的建筑物
无外部防雷装置建筑物的太阳能发电系统，多用于民用的自建住宅，或周围有高大建筑
物保护其不被直接雷击袭击。

我们只需对太阳能发电和用电设备的防雷保护做如下处理：
①在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器A，型号根据现场逆变器最大空载电压选择；
②在逆变器与配电柜之间以及配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器B，型号根据配电柜以及供电设备的工作电压选择；
③所有的防雷器必须良好的接地。

(2)有外部防雷装置保护的建筑物
对于有外部防雷装置建筑物的太阳能发电系统，考虑到整个系统可能遭受直击雷的缘故，所以必须首先保证直击雷的防护措施一定要到位。

对于太阳能发电和用电设备的防雷保护做如下处理：
①在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器A，型号根据现场逆变器最大空载电压选择；
②在逆变器与配电柜之间以及配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器B，型号根据配电柜以及供电设备的工作电压选择；
③所有的防雷器必须良好的接地。

(2)工业厂房建筑物
对于工业厂房建筑物，对于太阳能发电和用电设备的防雷保护做如下处理：
⑴在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器A，型号根据现场逆变器最大空载电压选择；
⑵在逆变器与配电柜之间以及配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器B，型号根据配电柜以及供电设备的工作电压选择；
⑶所有的防雷器必须良好的接地。

3.并网型光伏发电系统的浪涌过电压保护
太阳能并网发电系统将太阳能转化为电能，并直接通过并网逆变器，把电能送上电网，或将太阳能所发出的电几个难过并网逆变器直接为交流负载供电。

由于不需要蓄电池，其成本更低，系统运行寿命更长，是太阳能光伏发电的发展方向，代表了21 世纪最具吸引力的能源利用技术。

现在，大规模利用太阳能并网发电在许多发达国家已成为现实。

对于并网型光伏发电系统的防雷保护，我们采用以下方式：
⑴在光伏电池组件与逆变器或电源调节器之间加装第一级电源防雷器，进行保护。

这是
供电线路从室外进入室内的要道，所以必须做好雷电电磁脉冲的防护。

具体型号根据现场情况确定。

⑵在逆变器到电源分配盘之间加装第二级电源防雷器，进行防护。

具体型号根据现场情况确定。

⑶在电源分配盘与负载之间加装第三级电源防雷器，以保护负载设备不被浪涌过电压损坏。

具体型号根据现场设备确定。

⑷所有的防雷器件都必须良好的进行接地处理，并且所有的设备的接地都连接到公共地网上。

7.3.4 电涌保护器选择
1. 电涌保护器认识
防雷器也叫电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）。

光伏发电系统常用防雷器外形如图7-5所示。

防雷器内部主要有热感断路器和金属氧化物压敏电阻组成，另外还可以根据需要同NPE火花放电间隙模块配合使用。

其结构示意图如图7-6所示。

图7-5 光伏发电系统常用防雷器外形图。

图7-6 防雷器内部结构示意图
表7-2 OBO防雷器型号MCD 50BMCD 125-B/NPE参数
下面是光伏发电系统常用防雷器主要技术参数的具体说明。

(1)最大持续工作电压（Ue）：该电压值表示可允许加在防雷器两端的最大工频交流电压有效值。

在这个电压下，防雷器必须能够正常工作，不可出现故障。

同时该电压连续加载在防雷器上，不会改变防雷器的工作特性。

(2)额定电压(Un)：是指防雷器正常工作下的电压。

这个电压可以用直流电压表示，也可以用正弦交流电压的有效值来表示。

(3)最大冲击通流量(Imax)：是指防雷器在不发生实质性破坏的前提下，每线或单模块对地，通过规定次数、规定波形的最大限度的电流峰值数。

最大冲击通流量一般大于额定放电电流的2.5倍。

(4)额定放电电流(In)：额定放电电流也叫标称放电电流，是指防雷器所能承受的
8/20us雷电流波形的电流峰值。

(5)脉冲冲击电流（Iimp）：是指在模拟自然界直接雷击的波形电流（标准的10/350us 雷电流模拟波形）下，防雷器能承受的雷电流的多次冲击而不发生损坏的电流值。

(6)残压(Ures)：是指雷电放电电流通过防雷器时，其端子间呈现出的电压值。

(7)额定频率(fn)：是指防雷器的正常工作频率。

在防雷器的具体选型时，除了各项技术参数要符合设计要求外，还要特别考虑下列几个参数和功能的选择。

(8)最大持续工作电压（Uc）的选择。

氧化锌压敏电阻防雷器的最大持续工作电压值（Ue），是关系到防雷器运行稳定性的关键参数。

在选择防雷器的最大持续工作电压值时，除了符合相关标准要求外，还应考虑到安装电网可能出现的正常波动及可能出现的最高持续故障电压。

例如在三相交流电源系统中，相线对地线的最高持续故障电压，有可能达到额定工作电压交流220V的1.5倍，即有可能达到330V。

因此在电流不稳定的地方，建议选择电源防雷器的最大持续工作电压值大于330V的模块。

在直流电源系统中，最大持续工作电压值与正常工作电压的比例，根据经验一般取1.5倍到2倍。

(9)残压(Ures)的选择。

在确定选择防雷器的残压时，单纯考虑残压值越低越好并不全面，并且容易引起误导。

首先不同产品标注的残压数值，必须注明测试电流的大小和波形，才能有一个共同比较的基础。

一般都是以20kA（8/20lus）的测试电流条件下记录的残压值作为防雷器的标注值，并。