淺談並網係統光伏電站防雷設計

　　簡婷 

　　韦德1946网址 上海嘉定201801 

　　摘要:本文指出了雷擊對並網係統光伏電站的主要危害形式及所對應的雷電防護措施。依據相關(guan) 的防雷及電氣接地規範，針對並網係統光伏電站提出了防雷設計方案並做了詳細的闡述。在光伏電站的防雷設計中，應考慮雷電會(hui) 通過何種形式對哪些設施造成損害，才能針對性采取有效的措施，以達到防護的目的，從(cong) 而保證其長期穩定、安全可靠地運行。 

　　關(guan) 鍵詞:光伏電站;並網;防雷 

0 引言 

　　太陽能屬於(yu) 可再生能源，具有清潔無汙染、儲(chu) 量大、可再生等特點，是目前人類所知的可利用的新能源之一。黨(dang) 的報告中提出了要推動能源轉型，減少煤炭消費，堅定不移地推進清潔發展。2018年據相關(guan) 機構預測，全球新增光伏裝機約106GW，中國新增裝機規模約40GW。 

　　雷電防護對整個(ge) 光伏電站來說，是一個(ge) *的組成部分，它關(guan) 係到電站能否平安正常的運行和電站人員的安全。作為(wei) 未來新能源的主要選擇，國內(nei) 尚無一個(ge) 詳細的設計規範來明確如何進行光伏電站的防雷設計，因此本文主要針對光伏電站的防雷方法結合工作經驗及相關(guan) 規範，進行總結和歸納，陳述個(ge) 人觀點。 

1 並網光伏係統的組成及主要需防護雷擊設施 

　　光伏發電係統主要分為(wei) 3大類:獨立，分布式和並網光伏發電係統。本文主要針對並網發電係統進行相關(guan) 探討。並網光伏發電係統工作原理是由地麵光伏方陣將太陽能轉化為(wei) 直流電能，通過匯流箱匯流後輸送到的直流配電櫃，然後輸送到並網逆變器上，逆變器將直流電轉變成交流電後，傳(chuan) 輸到交流配電櫃，並經升壓後，送至電網。 

　　並網光伏電站主要由光伏方陣，匯流箱，直流輸電線纜，直流配電櫃、並網逆變器、交流配電櫃，升壓變壓器、送出線路及計量、控製、通訊等設備組成。本文中暫不考慮蓄電池組、蓄電池控製器及太陽跟蹤控製係統。 

　　雷電對並網光伏電站的危害主要分為(wei) 3種類型，分別為(wei) 直擊雷，閃電電湧侵入以及設備機房的雷擊電磁脈衝(chong) 。 

　　直擊雷:當雷擊於(yu) 地麵光伏方陣、設備機房或送出線路上，經過其對地放電產(chan) 生的電擊時，由於(yu) 雷電流的高溫熱效應，在雷電流流過的通道上，物體(ti) 水分受熱汽化而劇烈膨脹，產(chan) 生強大的衝(chong) 擊性機械力，可使人體(ti) 組織、建築物結構、設備部件等斷裂破碎，從(cong) 而導致人員傷(shang) 亡、建築物破壞，以及設備毀壞等。 

　　閃電電湧侵入:雷擊在輸出線路、直流電纜線路或金屬管道上時，雷電流沿電纜線路或金屬管道侵入室內(nei) ，或者雷擊在電纜線路或金屬管道附近時，由於(yu) 雷電流變化梯度大而產(chan) 生強大的交變磁場，使得雷擊點附近的金屬導體(ti) 產(chan) 生感應電流，感應電流沿著金屬管線侵入設備機房內(nei) ，損壞設備或者危及人身安全。 

　　設備機房的雷擊電磁脈衝(chong) :雷擊建築物或附近時，雷電流進入建築物的防直擊雷係統時所產(chan) 生的迅變電磁場，它會(hui) 對周圍的一切電子設備發生作用。這種磁場變化引起的電場變化可能導致機房內(nei) 部通訊、監控等係統的電子、電氣設備失效。 

　　綜上所述，並網光伏電站需采取雷電防護措施的組成部件有:地麵光伏方陣、直流輸電線路、金屬管線、送出線路、建築物機房及設備機櫃(含直流配電櫃、並網逆變器、交流配電櫃，升壓變壓器及計量、控製、通訊設備等)。 

2 並網係統光伏電站防雷方案 

　　2.1防雷類別確定 

　　光伏電站的光伏方陣屬於(yu) 露天場所，一般分布於(yu) 空曠開闊的場地，而且分部麵積較大，遭受直擊雷擊的概率自然會(hui) 相對應的增加。防雷類別參考《建築物防雷設計規範》對糧、棉及易燃物大量集中的露天堆場的按照三類防雷建築物的判定，雖然光伏方陣不屬於(yu) 易燃物，但是投資巨大，如果因雷擊造成人員傷(shang) 害或設備損害，其損失也是巨大的。光伏方陣雖存在較低火災危險，但從(cong) 減少經濟損失的角度出發，對光伏方陣進行防雷設計是非常必要的。綜合各方麵因素，建議按三類防雷建築物考慮。 

　　2.2直擊雷防護 

　　直擊雷防護主要分為(wei) 3個(ge) 部分，設備機房，地麵光伏方陣及送出線路。 

　　2.2.1設備機房直擊雷防護措施 

　　設備機房直擊雷防護應按照三類防雷建築物來考慮設計，采用φ12mm鍍鋅圓鋼作為(wei) 接閃器，敷設在屋角、屋簷和簷角等易受雷擊部位，並在整個(ge) 屋麵組成不大於(yu) 20m×20m的接閃網。利用建築物混凝土柱內(nei) 2根φ≥16mm主筋作為(wei) 引下線，其間距不大於(yu) 25m，引下線上端與(yu) 接閃帶連接，下端與(yu) 基礎接地網連接。 

　　2.2.2地麵光伏方陣直擊雷防護措施 

　　光伏方陣的光伏組件可利用其金屬邊框作接閃器、金屬支架作接地線，場站內(nei) 應采用由垂直接地極和水平接地極共同組成的人工接地網，利用∟50mm×50mm×5mm角鋼作為(wei) 垂直接地極，在土壤中的埋設深度不應小於(yu) 0.5m，采用40mm×4mm扁鋼作為(wei) 水平接地極，挖溝埋設，垂直接地體(ti) 的間距應大於(yu) 埋深的兩(liang) 倍並均勻布置。固定在同一金屬框架上的光伏組件，其金屬框架接地點應大於(yu) 2點，且每個(ge) 接地點間隔距離不大於(yu) 25m。光伏方陣的防雷接地應與(yu) 其保護接地、係統接地以及設備機房的接地係統共用同一接地裝置;共用接地裝置的接地電阻，應符合各接地係統小值的要求，一般不大於(yu) 1Ω。 

　　2.2.3送出線路直擊雷防護措施 

　　送出線路應通過裝設避雷線來降低直擊雷造成的危害。 

　　2.3防閃電電湧侵入的要求 

　　防閃電電湧侵入主要針對出、入戶金屬管線的防護，包括直流輸入電纜、金屬管道、匯流箱、送出線路的防護。 

　　2.3.1直流輸電線路及金屬管道防閃電電湧侵入措施 

　　為(wei) 減少雷電流或電湧電流通過直流輸電線纜進入機房，直流輸電纜應采用屏蔽電纜，其屏蔽層應至設。金屬管道至少在始、末端、分支處、進入防雷區交界處做等電位連接，從(cong) 而避免雷電流或電湧電流通過直流輸電線進入機房，使設備機櫃遭受損害。 

　　2.3.2匯流箱防閃電電湧侵入措施 

　　應在匯流箱內(nei) 裝設直流電湧保護器，即分別在匯流箱輸出端在正極對地、負極對地、正極對負極之間安裝，直流電湧保護器的主要技術參數應滿足:額定衝(chong) 擊電流Iimp≥12.5kA(10/350μs)。當場站內(nei) 的光伏方陣或附近地麵遭受雷擊時，輸電線路中形成的雷電流或電湧電流會(hui) 通過匯流箱中的電湧保護器進行泄流。另外根據實際直流輸電線路數量，若需要進一步減小電湧電流，可在多級匯流箱中增設能量相匹配的電湧保護器以達到目的。 

　　值得注意的是安裝在匯流箱處的直流電源電湧保護器應滿足光伏係統的應用特性要求，且大持續工作電壓應大於(yu) 或等於(yu) 光伏組件的高開路電壓，綜合采用以上措施，盡可能的降低閃電電湧電流。 

　　2.3.3送出線路防閃電電湧侵入措施 

　　送出線路的防閃電電湧侵入措施，主要是在變壓器高壓側(ce) 裝設氧化鋅避雷器，利用氧化鋅避雷器良好的非線性伏安特性的特點，將線路上電湧電流導入大地。 

　　2.4雷擊電磁脈衝(chong) 防護措施 

　　雷擊電磁脈衝(chong) 的防護主要針對於(yu) 機房內(nei) 設備，分為(wei) 屏蔽、等電位及綜合布線:應在線路出、入戶處設置等電位連接端，機房中所有的進出金屬管道或線路屏蔽層均應在防雷區交界處做等電位連接。同時，機房內(nei) 設備機櫃、金屬橋架、金屬管、屏蔽線纜金屬外層、設備安全保護接地、電湧保護器接地端等均應以短的路徑與(yu) S型結構的接地基準點或M型結構的網格連接。機房等電位連接網絡與(yu) 光伏方陣的接地體(ti) 應保持同一電位，以防止電位差產(chan) 生的反擊。 

　　直流配電櫃內(nei) 根據工作電壓要求，應裝設適配的直流電湧保護器，逆變器每路直流的輸入端可根據實際情況選擇是否裝設電湧保護器，以達到降低雷電流產(chan) 生的殘壓，使其小於(yu) 設備耐受電壓的目的。升壓變壓器的低壓側(ce) 應安裝Ⅰ級試驗(額定放電衝(chong) 擊電流Iimp≥12.5kA)的電湧保護器，高壓側(ce) 安裝氧化鋅避雷器。另外機房內(nei) 布置信號線纜的走向時，應盡量減小由線纜自身形成的感應環路麵積(圖1)。信號線路電湧保護器的選擇，應根據線路的工作頻率、特性阻抗、傳(chuan) 輸介質、工作電壓、接口形式等參數，選用電壓插入損耗小、分部電容小、並與(yu) 縱向平衡、近端串擾指標適配的電湧保護器，設置在防雷區界麵處。 

3 安科瑞APV防雷光伏匯流箱 

　　在一個(ge) 大型的光伏發電係統中，需要數量龐大的光伏電池組件進行串並組合達到需要的電壓電流值，以使發電效率達到高。APV係列智能光伏匯流箱在提供匯流防雷功能的同時，還可提供光電池電流 測量、監測光電池陣列中電池板運行狀態、電池電壓、匯流總功率、支路功率、匯流箱防雷器狀態采集、直流斷路器狀態采集、繼電器接點輸出、帶有風速、溫度、輻照儀(yi) 等傳(chuan) 感器接口的功能供客戶選擇，本裝置標配有RS485接口，可以把測量和采集到的電量數據和設備狀態上傳(chuan) 到監控係統。 

        產(chan) 品特點 

　　♦符合《CGC/GF 037： 2014》光伏方陣匯流箱技術規範； 

　　♦防護等級為(wei) IP65,滿足室內(nei) 外安裝要求； 

　　♦采用霍爾傳(chuan) 感器，隔離測量，大16路輸入； 

　　♦采用光伏熔斷器，耐壓DC1kV,熔斷電流可選擇； 

　　♦可選電壓測量功能,高測量電壓DC 1kV； 

　　♦可選外部傳(chuan) 感器輸入接口，可監測輻照、溫度、風速等； 

　　♦具有RS485通訊接口，使用ModBus-RTU通訊協議； 

　　♦多種供電方式(DC24V、AC/DC220V、DC1000V. DC1500V)可選擇，適用於(yu) 家用屋頂太陽能或專(zhuan) 業(ye) 光伏電站應用; 

　　♦可根據客戶需求配用國內(nei) 外廠家的光伏直流斷路器，光伏直流熔斷器、防雷保護器等元件。 

　　安科瑞AGF-MxxT係列穿孔式光伏匯流采集裝置是專(zhuan) 門應用於(yu) 智能光伏匯流箱，用於(yu) 監測光電池陣列中電池板運行狀態，組串電流測量，匯流箱中防雷器狀態采集、直流斷路器狀態采集、裝置帶有RS485接口可以把測量和采集到的數據和設備狀態上傳(chuan) 。 

　　依據CNCA/CTS 0001-2011A光伏匯流設備技術規範設計，具有以下特點： 

　　1、一次電流采用穿孔方式接入，大20A，穿孔方式接入，安裝方便，安全性高； 

　　2、帶3 路開關(guan) 量狀態監測，可以對匯流箱內(nei) 的防雷器、斷路器狀態進行監控； 

　　3、具有內(nei) 部測溫功能，可實時監測箱內(nei) 溫度，保證電氣安全； 

　　4、具有大DC 1500V母線電壓測量功能； 

　　5、可就地顯示/液晶顯示頭，方便調試維護； 

　　6、具備RS485接口，Modbus-RTU協議，將監測數據上傳(chuan) 至後台係統 

4 結語 

　　雷電被列為(wei) 自然災害之一，雖然雷擊是小概率事件，但是遭受雷擊所造成的損害是巨大的，所以要本著預防為(wei) 主，防治結合的理念，做好雷電的防護工作，不能存在僥(jiao) 幸心理。在光伏電站係統中，應考慮雷電會(hui) 通過何種路徑對哪些設施設備造成影響，才能采取有效的措施，保證其平安、健康的運行。根據多年在防雷行業(ye) 工作中所積累的經驗及知識，筆者以自己的理解並結合相關(guan) 防雷及電氣規範對光伏電站的防雷進行了一些探討，希望能為(wei) 相關(guan) 從(cong) 業(ye) 人員提供參考。
 

【參考文獻】 

　　[1] GB50169-2016,電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規範[S] 

　　[2] GB50057-2010,建築物防雷設計規範[S] 

　　[3] GB50343-2012,建築物電子信息係統防雷技術規範[S] 

　　[4] GB /T32512-2016,光伏發電站防雷技術要求[S] 

　　[5] 邵振輝.並網係統光伏電站防雷設計淺談. 

　　[6] 安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版. 

作者簡介：簡婷，女，韦德1946网址，主要從(cong) 事無線測溫係統的研發與(yu) 應用