并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站防雷設(shè)計淺談

摘 要：本文指出了雷擊對并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站的主要危害形式及所對應(yīng)的雷電防護(hù)措施。依據(jù)相關(guān)的防雷及電氣接地規(guī)范，針對并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站提出了防雷設(shè)計方案并做了詳細(xì)的闡述。在光伏電站的防雷設(shè)計中，應(yīng)考慮雷電會通過何種形式對哪些設(shè)施造成損害，才能針對性采取有效的措施，以達(dá)到防護(hù)的目的，從而保證其長期穩(wěn)定、安全可靠地運行。

關(guān)鍵詞：光伏電站；并網(wǎng)；防雷

中圖分類號：S163 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430084

引言

太陽能屬于可再生能源，具有清潔無污染、儲量大、可再生等特點，是目前人類所知的可利用的最佳新能源之一。黨的十九大報告中提出了要推動能源轉(zhuǎn)型，減少煤炭消費，堅定不移地推進(jìn)清潔發(fā)展。2017年我國光伏新增裝機(jī)量繼續(xù)位居全球首位。2018年據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，全球新增光伏裝機(jī)約106GW，中國新增裝機(jī)規(guī)模約40GW[5]。

雷電防護(hù)對整個光伏電站來說，是一個不可或缺的組成部分，它關(guān)系到電站能否平安正常的運行和電站人員的安全。作為未來新能源的主要選擇，國內(nèi)尚無一個詳細(xì)的設(shè)計規(guī)范來明確如何進(jìn)行光伏電站的防雷設(shè)計，因此本文主要針對光伏電站的防雷方法結(jié)合工作經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行總結(jié)和歸納，陳述個人觀點。

1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的組成及主要需防護(hù)雷擊設(shè)施 光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為3大類：獨立，分布式和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文主要針對并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)探討。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理是由地面光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過匯流箱匯流后輸送到的直流配電柜，然后輸送到并網(wǎng)逆變器上，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電后，傳輸?shù)浇涣髋潆姽?，并?jīng)升壓后，送至電網(wǎng)。

并網(wǎng)光伏電站主要由光伏方陣，匯流箱，直流輸電線纜，直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜，升壓變壓器、送出線路及計量、控制、通訊等設(shè)備組成。本文中暫不考慮蓄電池組、蓄電池控制器及太陽跟蹤控制系統(tǒng)。

雷電對并網(wǎng)光伏電站的危害主要分為3種類型，分別為直擊雷，閃電電涌侵入以及設(shè)備機(jī)房的雷擊電磁脈沖。

直擊雷：當(dāng)雷擊于地面光伏方陣、設(shè)備機(jī)房或送出線路上，經(jīng)過其對地放電產(chǎn)生的電擊時，由于雷電流的高溫?zé)嵝?yīng)，在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊性機(jī)械力，可使人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎，從而導(dǎo)致人員傷亡、建筑物破壞，以及設(shè)備毀壞等。

閃電電涌侵入：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(nèi)，或者雷擊在電纜線路或金屬管道附近時，由于雷電流變化梯度大而產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場，使得雷擊點附近的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流沿著金屬管線侵入設(shè)備機(jī)房內(nèi)，損壞設(shè)備或者危及人身安全。

設(shè)備機(jī)房的雷擊電磁脈沖：雷擊建筑物或附近時，雷電流進(jìn)入建筑物的防直擊雷系統(tǒng)時所產(chǎn)生的迅變電磁場，它會對周圍的一切電子設(shè)備發(fā)生作用。這種磁場變化引起的電場變化可能導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)部通訊、監(jiān)控等系統(tǒng)的電子、電氣設(shè)備失效。

綜上所述，并網(wǎng)光伏電站需采取雷電防護(hù)措施的組成部件有：地面光伏方陣、直流輸電線路、金屬管線、送出線路、建筑物機(jī)房及設(shè)備機(jī)柜（含直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜，升壓變壓器及計量、控制、通訊設(shè)備等）。

2 并網(wǎng)系統(tǒng)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于露天場所，一般分布于空曠開闊的場地，而且分部面積較大，遭受直擊雷擊的概率自然會相對應(yīng)的增加。防雷類別參考《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》對糧、棉及易燃物大量集中的露天堆場的按照三類防雷建筑物的判定，雖然光伏方陣不屬于易燃物，但是投資巨大，如果因雷擊造成人員傷害或設(shè)備損害，其損失也是巨大的。光伏方陣雖存在較低火災(zāi)危險，但從減少經(jīng)濟(jì)損失的角度出發(fā)，對光伏方陣進(jìn)行防雷設(shè)計是非常必要的。綜合各方面因素，建議按三類防雷建筑物考慮。

2.2 直擊雷防護(hù)

直擊雷防護(hù)主要分為3個部分，設(shè)備機(jī)房，地面光伏方陣及送出線路。

2.2.1 設(shè)備機(jī)房直擊雷防護(hù)措施

設(shè)備機(jī)房直擊雷防護(hù)應(yīng)按照三類防雷建筑物來考慮設(shè)計[2]，采用φ12mm鍍鋅圓鋼作為接閃器，敷設(shè)在屋角、屋檐和檐角等易受雷擊部位，并在整個屋面組成不大于20m×20m的接閃網(wǎng)。利用建筑物混凝土柱內(nèi)2根φ≥16mm主筋作為引下線，其間距不大于25m，引下線上端與接閃帶連接，下端與基礎(chǔ)接地網(wǎng)連接。

2.2.2 地面光伏方陣直擊雷防護(hù)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[1]，場站內(nèi)應(yīng)采用由垂直接地極和水平接地極共同組成的人工接地網(wǎng)，利用∟50mm×50mm×5mm角鋼作為垂直接地極，在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5m，采用40mm×4mm扁鋼作為水平接地極，挖溝埋設(shè)，垂直接地體的間距應(yīng)大于埋深的兩倍并均勻布置。固定在同一金屬框架上的光伏組件，其金屬框架接地點應(yīng)大于2點，且每個接地點間隔距離不大于25m。光伏方陣的防雷接地應(yīng)與其保護(hù)接地、系統(tǒng)接地以及設(shè)備機(jī)房的接地系統(tǒng)共用同一接地裝置；共用接地裝置的接地電阻，應(yīng)符合各接地系統(tǒng)最小值的要求，一般不大于1Ω[3]。

2.2.3 送出線路直擊雷防護(hù)措施

送出線路應(yīng)通過裝設(shè)避雷線來降低直擊雷造成的危害。

2.3 防閃電電涌侵入的要求

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

2.3.1 直流輸電線路及金屬管道防閃電電涌侵入措施

為減少雷電流或電涌電流通過直流輸電線纜進(jìn)入機(jī)房，直流輸電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，其屏蔽層應(yīng)至少在兩端做等電位連接；若為非屏蔽電纜，應(yīng)穿金屬敷設(shè)。金屬管道至少在始、末端、分支處、進(jìn)入防雷區(qū)交界處做等電位連接，從而避免雷電流或電涌電流通過直流輸電線進(jìn)入機(jī)房，使設(shè)備機(jī)柜遭受損害。

2.3.2 匯流箱防閃電電涌侵入措施

應(yīng)在匯流箱內(nèi)裝設(shè)直流電涌保護(hù)器，即分別在匯流箱輸出端在正極對地、負(fù)極對地、正極對負(fù)極之間安裝，直流電涌保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足：額定沖擊電流Iimp≥12.5kA（10/350μs）[3]。當(dāng)場站內(nèi)的光伏方陣或附近地面遭受雷擊時，輸電線路中形成的雷電流或電涌電流會通過匯流箱中的電涌保護(hù)器進(jìn)行泄流。另外根據(jù)實際直流輸電線路數(shù)量，若需要進(jìn)一步減小電涌電流，可在多級匯流箱中增設(shè)能量相匹配的電涌保護(hù)器以達(dá)到目的。

值得注意的是安裝在匯流箱處的直流電源電涌保護(hù)器應(yīng)滿足光伏系統(tǒng)的應(yīng)用特性要求，且最大持續(xù)工作電壓應(yīng)大于或等于光伏組件的最高開路電壓[4]，綜合采用以上措施，盡可能的降低閃電電涌電流。

2.3.3 送出線路防閃電電涌侵入措施

送出線路的防閃電電涌侵入措施，主要是在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)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，將線路上電涌電流導(dǎo)入大地。

2.4 雷擊電磁脈沖防護(hù)措施

雷擊電磁脈沖的防護(hù)主要針對于機(jī)房內(nèi)設(shè)備，分為屏蔽、等電位及綜合布線：應(yīng)在線路出、入戶處設(shè)置等電位連接端，機(jī)房中所有的進(jìn)出金屬管道或線路屏蔽層均應(yīng)在防雷區(qū)交界處做等電位連接。同時，機(jī)房內(nèi)設(shè)備機(jī)柜、金屬橋架、金屬管、屏蔽線纜金屬外層、設(shè)備安全保護(hù)接地、電涌保護(hù)器接地端等均應(yīng)以最短的路徑與S型結(jié)構(gòu)的接地基準(zhǔn)點或M型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格連接。機(jī)房等電位連接網(wǎng)絡(luò)與光伏方陣的接地體應(yīng)保持同一電位[3]，以防止電位差產(chǎn)生的反擊。

直流配電柜內(nèi)根據(jù)工作電壓要求，應(yīng)裝設(shè)適配的直流電涌保護(hù)器，逆變器每路直流的輸入端可根據(jù)實際情況選擇是否裝設(shè)電涌保護(hù)器，以達(dá)到降低雷電流產(chǎn)生的殘壓，使其小于設(shè)備耐受電壓的目的。升壓變壓器的低壓側(cè)應(yīng)安裝Ⅰ級試驗（額定放電沖擊電流Iimp≥12.5kA）[3]的電涌保護(hù)器，高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器。另外機(jī)房內(nèi)布置信號線纜的走向時，應(yīng)盡量減小由線纜自身形成的感應(yīng)環(huán)路面積（圖1）。信號線路電涌保護(hù)器的選擇，應(yīng)根據(jù)線路的工作頻率、特性阻抗、傳輸介質(zhì)、工作電壓、接口形式等參數(shù)，選用電壓插入損耗小、分部電容小、并與縱向平衡、近端串?dāng)_指標(biāo)適配的電涌保護(hù)器，設(shè)置在防雷區(qū)界面處[3]。

3 結(jié)語

雷電被列為十大自然災(zāi)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(yù)防為主，防治結(jié)合的理念，做好雷電的防護(hù)工作，不能存在僥幸心理。在光伏電站系統(tǒng)中，應(yīng)考慮雷電會通過何種路徑對哪些設(shè)施設(shè)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(jù)多年在防雷行業(yè)工作中所積累的經(jīng)驗及知識，筆者以自己的理解并結(jié)合相關(guān)防雷及電氣規(guī)范對光伏電站的防雷進(jìn)行了一些探討，希望能為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

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

[2] GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S]

[3] GB50343-2012，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S]

[4] GB/T32512-2016，光伏發(fā)電站防雷技術(shù)要求[S]

[5] 劉漢元.光伏已成人類新能源發(fā)展的主要選擇[N].中國能源報，2018-12-17（12）.

作者簡介：邵振輝（1990-），男，助理工程師，研究方向：雷電防護(hù)科學(xué)與技術(shù)。