光伏系统防雷设计

浅谈太阳光伏并网发电系统防雷

中山大学太阳能系研究所罗宇飞

顺德中山大学太阳能研究所孙韵琳

1、前言

随着人们环境保护意识的增强和太阳能光伏技术的发展，太阳能光伏并网发电系统的数量、规模和应用规模都在不断扩大，为确保太阳能光伏并网发电系统安全可靠运行，太阳能光伏并网发电系统的防雷设计也越来越受重视。太阳能光伏并网发电系统的防雷与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并网发电系统的特点来合理设计可靠的防雷方案。

2、雷电的危害

直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。当直击雷作用在远处或防雷保护区之内的导线或金属管道上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，由于它有强大的冲击电流、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。

雷云表面分布着大量负电荷，可以通过静电感应使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、太阳能光伏并网发电系统的防雷

太阳能光伏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，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。太阳能光伏并网电站防雷的主要措施有：

图1 综合防雷的主要措施

外部防雷装置主要是避雷针、避雷带和避雷网等，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。

用滚球法计算保护范围公式：

图2 单避雷针保护范围示意图

图3 双避雷针保护范围示意图

表1 确定接闪器高度的依据

当光伏设备放置在已经建成的建筑物顶部时，应考虑到原有的外部防雷系统。如果光伏设备处于保护范围内，可以不用另加外部防雷系统，反之则要另加外部防雷系统，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4 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。

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说明书

推荐的过电流保护器的最大额定值。

当太阳能电池方阵架设在接闪器保护范围内时，太阳能电池方阵置于LPZ0B 区内，配电设备和逆变器必须置于LPZ1 区内，为此应在逆变器的直流输入端配置直流电源浪涌保护器（如图5 所示），直流电源浪涌保护器可选用专门用于直流配电系统的浪涌保护器，也可选用交流配电系统的浪涌保护器，并按换算公式Vdc= 1.414 Vac 计算。

图5 直流浪涌保护器安装示意图

作为第一级浪涌保护应该选择开关型浪涌保护器以泄放大的雷电流，直流浪涌保护器的主要技术参数应满足如下要求：

额定放电冲击电流Iimp ≥ 5kA（10/350μs）；最大持续运行电压UC ≥

1.15Udc（Uc 为太阳电池方阵开路电压）；

电压保护水平UP ≤ 0.8UW（UW 为逆变器耐冲击过电压额定值，一般情况下UW=4000V）为保护用电设备，在逆变器与并网点之间必须加装第二级电源防雷器，可选限压型浪涌保护器，具体型号应根据工作电压和现场情况确定。综合采用以上措施可以逐级将雷电流降低，最终控制在设备能承受的电压范围之内。大量实践证明这些措施是非常有效的。

4、太阳能光伏并网发电系统防雷实例分析

下面以一个实际例子来分析太阳能光伏并网发电系统如何防雷。太阳能光伏并网发电系统的所有设备都位于避雷针的保护范围内，其设备的外壳和太阳电池组件的金属边框和支架都通过接地排与建筑物原有的接地装置可

靠连接。系统的防雷接地及浪涌保护器安装如图6 所示。