大型并網(wǎng)光伏電站防雷研究

陜西省地方電力(集團)有限公司 ■ 馬季

一 引言

大型并網(wǎng)光伏電站一般定義為裝機5MW以上、接入電壓等級為66kV及以上電網(wǎng)的光伏電站[1]。2009年以來，陜西在以靖邊為中心的陜北榆林地區(qū)大力發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，其中在靖邊設立的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)，擬建設裝機總量200MW的太陽能光伏發(fā)電項目。目前，華電集團、國電集團分別投資建設的5MW光伏發(fā)電項目和陜西光伏產(chǎn)業(yè)有限公司投資建設的10MW光伏發(fā)電項目已開工建設。由于靖邊是雷電多發(fā)區(qū)，電站需要建設防雷設施，但國家目前尚未頒布明確的大型并網(wǎng)光伏電站防雷相關設計標準，本文就大型光伏發(fā)電項目的防雷問題進行了研究，并針對大型光伏發(fā)電項目實際狀況提出了大型光伏發(fā)電項目的防雷方案。

二 大型光伏發(fā)電項目的防雷需求

大型并網(wǎng)光伏電站主要由光伏方陣(固定或跟蹤)、匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、電網(wǎng)接入系統(tǒng)(升壓、計量設備等)、交/直流電纜、監(jiān)控及通訊裝置、防雷接地裝置等組成。目前的防雷設計主要針對獨立光伏電站進行，而對于大型光伏電站，其占地面積相對較大，且場站沒有高大建筑物，對防雷方案會產(chǎn)生重大影響[2]。以靖邊陜西光伏電站為例，其裝機規(guī)模為10MW，光伏方陣區(qū)共安裝光伏板(方陣單元)1600個，場站長870m，寬260m，占地面積達23萬m2，相當于4個足球場那么大[3]。如此大的場區(qū)，雖然設備安裝高度不高，但場內(nèi)安裝了眾多的電力設備，其工程屬性無疑為電力工程。相對常規(guī)電站而言，光伏設備造價相對較高，雖然目前沒有針對性的防雷規(guī)范，但針對常規(guī)電站的有關防雷原則對光伏發(fā)電同樣適用，卻不可完全照搬。以陜西靖邊光伏電站項目為例，其避雷方案的制定，就存在一些不同于常規(guī)電站的防雷需求：

(1) 陜西省靖邊縣位于毛烏素沙漠邊沿和陜北黃土高原丘陵區(qū)，屬干旱、半干旱氣候。該區(qū)域年平均雷暴日為30d，最大年雷暴日為40d，屬于高雷區(qū)[4]。光伏電站場區(qū)平坦寬曠，屬典型的曠野地貌，如不設防，不僅昂貴的光伏發(fā)電設備存在雷擊風險，場區(qū)工作人員在進行正常的場區(qū)巡邏時，同樣存在雷擊風險；靖邊地區(qū)為干旱地區(qū)的綠洲濕地，電站所在地地下水埋深僅約1.5m，局地空氣濕度遠大于周圍，構成了雷電通過空氣下瀉的優(yōu)先通道，更易產(chǎn)生雷電。因此，必須對電站進行大面積防雷防護。

(2) 光伏板的工作電壓雖然只有幾十伏，但由于大型光伏電站裝機一般都在5MW以上，匯集電流較大，且通過110kV線路并入榆林電網(wǎng)，已接入交流高壓電網(wǎng)。根據(jù)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，沿架空線路侵入高電位所造成的事故占總雷害事故的70%[4]，顯然需要做針對性的防雷設計。

(3) 光伏發(fā)電機一般是直流發(fā)電，直流方面過壓保護的應用與在交流方面的應用相比，有重大區(qū)別。傳統(tǒng)的過電壓避雷器主要從交流考慮，其對地電勢具有正負極性，最大持續(xù)電壓至少為光伏發(fā)電機開路電壓的50%，這是光伏發(fā)電機電流環(huán)路多年來的電路保護標準；另外，光伏設備直流電流環(huán)路的特殊性也應給予考慮。這些問題在防雷設計中若不加重視，將帶來嚴重的后果。

三 大型并網(wǎng)光伏電站防雷方案

目前，我國光伏電站發(fā)展與歐洲等國家以“分散開發(fā)、低電壓就地接入”的發(fā)展方式不同，呈現(xiàn)出“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”與“分散開發(fā)、低電壓就地接入”并舉的發(fā)展趨勢，且目前以“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”為主[5]，因此對光伏電站的防雷不僅影響電站本身的安全，還會對接入電網(wǎng)產(chǎn)生影響。因此，在現(xiàn)有技術規(guī)范條件下，大型光伏電站防雷應該以保障電站人員和主要設備安全運行為基本出發(fā)點，綜合考慮電站在電網(wǎng)中的重要性、影響程度、地理環(huán)境、投資成本等因素，力求使防雷設計重點突出、效果最大化、成本合理化。

光伏電站防雷設計可參考GB50057—1994(2000)《建筑物防雷設計規(guī)范》[6]，大型并網(wǎng)光伏電站典型防雷方案如圖1所示。

1 光伏方陣的防雷

自然界的雷主要通過三種方式對地面物體形成災害，即直擊雷、雷電感應和雷電波侵入，需要在設計中分別對其加以防范?！督ㄖ锓览自O計規(guī)范》(GB50057—1994(2000))中，對非建筑類露天堆場是否安裝避雷針有明確規(guī)定，即：當場內(nèi)年預計雷擊數(shù)N≥0.06次/a時，宜設置獨立避雷針防直擊雷。光伏方陣不屬于建筑物，其可能易受雷擊的直接原因是占地面積較大，增加了其易受雷擊的可能性。避雷針體積龐大，使得在偏遠無電地區(qū)安裝電站的施工難度增大；受機房與陣列間場地的限制，如果避雷針位置距離光伏方陣、機房較近，存在雷電反擊的隱患。

可采取的防雷措施包括：

(1) 架設避雷針防止低空直擊雷；為滿足保護半徑的要求，針體高度絕大部分約在24～30m[2]，并根據(jù)光伏電站面積大小，利用滾球法計算所需避雷針的數(shù)量。

(2) 光伏方陣支架可靠接地。

(3) 匯流箱內(nèi)，輸入、輸出處加裝防雷器，正負極都具備雙重防雷功能，可承受的直流電壓值≥1000V DC，各機殼均可靠接地。

在設計匯流箱時，注意在箱體內(nèi)留有足夠的空間位置，利用低壓刀閘隔離技術，使接入?yún)R流箱的各光伏板與其他光伏板實現(xiàn)分區(qū)隔離；在匯總端加裝熔絲保護，限制直擊雷的破壞范圍，并阻止雷電感應電流在不同光伏板分區(qū)之間竄越，以縮小因雷擊引起的光伏板受損數(shù)量；盡可能減少雷擊造成的直接損失和間接損失[3]。

目前很多太陽能設備廠家在生產(chǎn)匯流箱時已考慮防雷，如加裝直流防雷模塊的光伏匯流防雷箱等。用戶可將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來，組成光伏串列，然后再將若干個光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流防雷箱，在光伏防雷匯流箱內(nèi)匯流后，通過直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用構成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2 交直流配電柜、逆變器、通訊設備的防雷

逆變器、交直流配電柜是把匯流控制和并網(wǎng)輸出的重要設備，一般在控制機房室內(nèi)集中布置，同通訊設備等都屬于核心、全局控制設備，其防雷不僅要注意防感應雷，還要注意雷電電磁脈沖，其設備和控制機房的防雷和接地，應符合《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護導則》(SJ/T11127—1997)的規(guī)定。機房設備應按照分區(qū)原則，從LPZOA、LPZOB、LPZ1、LPZn+1逐級設計防護。

雷電電磁脈沖輻射對光伏電站電子系統(tǒng)的破壞力更大，概率更高。電站機房屬于第一類防雷場所[1]，根據(jù)規(guī)定，其防直擊雷裝置應能承受200kA的首次雷擊。

可采取的防雷措施包括：

(1) 機房屬于LPZOA～LPZOB區(qū)，需可靠接地，機房內(nèi)應敷設等電位帶，機房內(nèi)設備外殼和機架、直流地、防屏蔽線纜外層、防靜電地、SPD接地等均應以最短距離與之直接連接；在機房還應裝設避雷器，阻止和隔離雷電感應電流在各發(fā)電方陣之間漫游，確保雷電的過電流過程就地下瀉。

(2) 控制機房進、出線處屬于LPZ1區(qū)，要做等電位連接，采取屏蔽措施，均增設防雷隔離箱，內(nèi)裝防雷保安器，防止感應雷。

(3) 交直流配電柜內(nèi)屬于LPZ2區(qū)。直流配電柜應加裝有直流斷路器、防反二極管、光伏專用防雷器；交流配電柜同樣要加裝光伏防雷器和斷路器。要注意的是大型光伏電站，并網(wǎng)電壓一般都在10kV及以上，要根據(jù)具體并網(wǎng)電壓等級來選擇相應防護級別的光伏防雷器和斷路器。

(4) 大型逆變器屬于LPZ2區(qū)，在逆變器的每路直流輸入端裝設浪涌保護裝置(SPD)。需注意根據(jù)逆變器是否有變壓器和組件接入形式最終確定SPD工作電壓要求。如果交直流配電柜均有完備的防雷措施，從減少SPD配合復雜度和減少投資角度，也可不再加裝SPD。

(5) 通訊設備應加裝單獨防雷保護器，其天線處于LPZOA區(qū)，要加裝天饋線避雷器。一方面要防止通訊天線外置導引的直擊雷等，另一方面還要防止感應和雷電電磁脈沖輻射，防雷保護器可加裝在UPS前端(大容量UPS往往加裝有SPD)，通流容量≥150kA，要綜合考慮通訊設備的工作速率、工作電流、動作電壓和連接形式，具體可參考《通信局(站)防雷與接地工程設計規(guī)范》(YD5098—2005)。

由于控制機房內(nèi)設備眾多，要注意多級浪涌保護器之間的能量配合問題?！督ㄖ锓览自O計規(guī)范》(GB50057—1994)規(guī)定，開關型SPD與限壓型SPD之間的安裝距離是10m，限壓型SPD與限壓型SPD之間的安裝距離是5m。線路中安裝了多級SPD時，由于各級SPD的標稱導通電壓和標稱放電電流的不同、安裝方式及接線長短的差異，如果設計和安裝時不考慮間距問題，他們之間能量配合不當，就會出現(xiàn)某級SPD動作泄流的盲點。如果兩級SPD的間距達不到要求，可在線路中串聯(lián)安裝適當?shù)耐笋钤?/p>

另外，大型光伏電站控制機房往往與升壓站一并設計、建設，戶外防雷、接地網(wǎng)也應一并綜合考慮。

3 升壓站的防雷

如果是10kV直接上網(wǎng)，應在電站第一級出線電桿處加裝斷路器和避雷器。有單獨的110kV升壓站的大型并網(wǎng)電站，并網(wǎng)接口設備和升壓站的防雷，應滿足《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護導則》(SJ/T11127—1997)和《交流電氣裝置的接地》(DL/T621—1997)的規(guī)定。

采取的防雷措施包括：

(1) 110kV升壓站設置獨立避雷針，建筑物屋頂女兒墻上敷設避雷帶；變壓器已在避雷針保護范圍內(nèi)，可不另設直擊雷保護。

(2) 在升壓站110kV側及35kV/10kV側應適當配置氧化鋅避雷器減少雷電侵入波過電壓。

(3) 110kV升壓站按復合接地網(wǎng)設計，水平接地體為網(wǎng)絡狀，兼做均壓帶，水平接地體鍍鋅扁鋼50mm×6mm，垂直接地體鍍鋅角鋼50mm×5mm。全站工作接地、保護接地、避雷針共用一個接地網(wǎng)，接地電阻值按≤0.5Ω設計。

若為了減少投資而在升壓站出線鐵塔(桿)上設立避雷針，則必須將這基塔(桿)的絕緣提高，且接地電阻應≤15Ω，以防發(fā)生反擊事故，威脅線路運行安全。為防止發(fā)生反擊，出現(xiàn)感應雷及雷電繞擊導線后形成的雷電侵入波過電壓的危害，應在線路終端至變電站構架之間線路上，配置適當?shù)谋芾灼饕员Ｗo站內(nèi)設備。因此，避雷器應避免和避雷針安裝于同一桿塔上，避免在反擊電壓較高時，避雷器成為薄弱環(huán)節(jié)。應充分利用架空避雷線的分流作用，改良架空避雷線與桿塔接地引下線的聯(lián)結方式，杜絕利用掛線金具構成回路的情況，減少接觸電阻，降低反擊電壓幅值。

在電氣接地裝置與防雷的接地裝置共用或相連的情況下：當Y, yno型或D, yn11型接線的配電變壓器設在本建筑物內(nèi)或附設于外墻處時，在高壓側采用電纜進線的情況下，宜在變壓器高、低壓側各相上裝設避雷器，在高壓側采用架空進線的情況下，除按國家現(xiàn)行有關規(guī)范的規(guī)定在高壓側裝設避雷器外，還應在低壓側各相上裝設避雷器[7]。

4 接地系統(tǒng)設計

電氣系統(tǒng)的接地應符合《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》(GB50169—2006)的規(guī)定。

光伏電站的接地系統(tǒng)設計為環(huán)形接地極(水平接地電極)，建議網(wǎng)絡大小為20m×20m；固定光伏板的金屬支架每隔約10m連接至接地系統(tǒng)。系統(tǒng)接地保護的設計，要求接地連接在一個接地體上，接地電阻滿足其中的最小值，不允許設備串聯(lián)后再接到接地干線上。大型并網(wǎng)光伏電站對接地電阻R≤4Ω，并滿足電子設備的金屬屏蔽接地和逆變器、變壓器等工作接地的要求；防雷接地應獨立設置，要求R≤30Ω，且和主接地裝置在地下的距離保持在3m以上；中性點直接接地的系統(tǒng)中，要求重復接地，R≤10Ω[2]。

光伏設備和控制機房的接地系統(tǒng)通過熱鍍鋅鋼相互連接。通過相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個等電位面，能顯著減小雷電作用在光伏陣列和廠房建筑之間的連接電纜上所產(chǎn)生的過電壓。水平接地極鋪設在至少0.5m深的土壤中(距離凍土層深0.5m)，使用十字夾相互連接成網(wǎng)格狀；接地頭用耐腐蝕帶包裹。埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。圓鋼直徑應≥10mm；扁鋼截面應≥100mm，其厚應≥4mm；角鋼厚度應≥4mm；鋼管壁厚應≥3.5mm[6]。

四 結論及建議

(1) 大型并網(wǎng)光伏電站的防雷目前雖然沒有明確的國家標準，但從防雷擊人身傷亡和設備損毀，進而影響電網(wǎng)運行安全的角度出發(fā)，大面積防雷設計是必要的，決不能以國家規(guī)定不明確和降低工程造價為理由，降低防雷標準。

(2) 大型并網(wǎng)光伏電站的防雷設計應綜合參考《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB50057—1994(2000))、《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護導則》(SJ/T11127—1997)和《交流電氣裝置的接地》(DL/T621—1997)等國家行業(yè)規(guī)定，在保障防雷安全的前提下，明確電站不同建筑、設備的防雷重點，按照最佳性價比確定防雷方案。

(3) 光伏電站的光伏發(fā)電機有其特殊的電氣特性，原本為交流電壓系統(tǒng)開發(fā)的超高電壓避雷器在用于光伏電站過電壓保護時，存在對地電勢具有正負極性等問題。因此，在為光伏電站選擇氣體避雷器時，應采用大型正規(guī)廠家的光伏專用避雷器。

(4) 以上方案已在靖邊部分光伏電站建設中得到一定應用，但由于電站運行時間較短，該方案還有待在實踐中檢驗完善。

[1]《光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定》(試行)[Z].北京: 國家電網(wǎng)公司, 2009.

[2]大型光伏并網(wǎng)電站安裝與施工[R].上海: SAAE太陽能系統(tǒng)工程分公司, 2010.

[3]何明堂.太陽能光伏電站工程的環(huán)境適應體系初探[R].陜西:陜西地方電力集團公司, 2010.

[4]秦冰, 徐永玲, 歐夢常, 等.10kV配電網(wǎng)防雷改進研究及應用[J].陜西電力, 2007, (11): 13－15.

[5]光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定介紹[R].北京: 國網(wǎng)電力科學研究院, 2009.

[6]GB50057—1994(2000), 建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[7]GB50169—2006, 電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范[S].