山區(qū)大型光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地技術(shù)探究與應(yīng)用

孫錄貴

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)需要成片區(qū)的太陽能電池板作為基礎(chǔ)，為了盡量減小對土地的浪費，大型太陽能光伏發(fā)電站往往都建設(shè)在偏離城鎮(zhèn)的山坡上，環(huán)境空曠，周邊沒有高大建筑物防護，其本身就處于雷擊高風(fēng)險區(qū)域，而且山區(qū)土壤電阻率較高，輻射范圍大，電站內(nèi)電氣設(shè)備較多，因而確保防雷接地質(zhì)量尤為重要。該文通過分析埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣楊村20MW地面光伏電站項目一期工程遇到的實際問題，探究在高阻區(qū)的山坡上完成光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地技術(shù)的方法，使光伏發(fā)電接地系統(tǒng)在符合圖紙設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，做到“因地制宜、經(jīng)濟合理”并加以推廣運用。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；防雷；技術(shù)

中圖分類號 TM862 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）23-106-03

Research and Application on Lightning Protection Grounding Technology for Large Scale Photovoltaic Power Generation System in Mountainous Areas

Sun Lugui

（Suzhou Meteorological Bureau，Suzhou 234000，China）

Abstract：Photovoltaic power generation system is based on a film area of solar panels. In order to avoid the waste of land resources，generally large-scale solar photovoltaic generation stations are built on the hillside far away from the town，where is empty，without high-buildings，in high risk area of lightning.It is especially important to make sure the quality of lightning protection earthing electrodes for the electrical resistivity of mountains soil is very high，furthermore it with largescope of radiation，much electrical equipment in power station.In this article，explored the photovoltaic power generation system on the slope of the high resistance of grounding technology theory method by twenty MW ground actual problems in the first phase of the photovoltaic powers station project in Xuanyang village Xieji town Yongqiao district. Make the photovoltaic power grounding system in accordance with the requirements of the drawings design basis.Achieve “adjust measures to local conditions，economic and reasonable”. Finally the popularization and application of the conclution can be maken.

Key words：The solar energy；Photovoltaic power generation；Lightning protection；Technology

近年來，隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新能源發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其高效性、高穩(wěn)定性以及較好的經(jīng)濟性等特點，越來越得到人們的青睞，被稱為最理想的新能源。宿州市云陽新能源發(fā)電有限公司埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣楊村20MW地面光伏電站項目，總占地面積40.258 2hm2，選用78 408塊255Wp多晶硅光伏組件、18套1MW預(yù)裝式逆變機房、18臺1 000kVA升壓變壓器和1座35kV匯流站，采用1回35kV出線接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，工程建設(shè)期為6個月，生產(chǎn)運營期為25a。項目為宿州市首家規(guī)模較大的山區(qū)光伏發(fā)電項目，也是宿州市委、市政府重大招商引資項目，現(xiàn)一期工程并網(wǎng)在即。然而，由于宣楊村山區(qū)土壤條件較差，防雷接地電阻值合格率僅達6%，不符合圖紙設(shè)計要求，給光伏系統(tǒng)運行帶來了較大防雷安全隱患。

1 太陽能光伏電池方陣地形、地貌

已建宣揚村西南山坡、南山坡、東南山坡太陽能光伏電池方陣屬于丘陵地貌，西南距宿州市區(qū)約40km，西北距徐州市區(qū)約40km，處于皖北山區(qū)向平原過渡的地帶，地勢起伏不大，地面高程約48～110m，光伏陣列主要利用西南山坡、南山坡或東南山坡進行布置，是較理想的光伏電站建設(shè)場區(qū)。但區(qū)內(nèi)地勢起伏較大，基巖埋藏較淺，頂部大部分為直接裸露，除少數(shù)為酸性或基性巖漿巖外，主要為奧陶紀(jì)-寒武紀(jì)的石灰?guī)r及少量砂巖、頁巖。巖石風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，有時表層為殘積物覆蓋，谷底堆積有較厚的洪積物、坡積物或沖積物，丘陵邊緣地帶有新近沉積的松散堆積物。區(qū)內(nèi)的水熱條件雖不足以使灰?guī)r發(fā)育成大規(guī)模德克斯特地貌，但崎嶇牙石發(fā)育相當(dāng)普遍。

2 光伏電站項目防雷接地系統(tǒng)驗收中遇到的問題

埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣楊村20MW地面光伏電站項目場址位于宿州市埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣揚村附近，中心坐標(biāo)約為N33.97°、E117.39°，光伏列陣主要利用西南山坡（即1區(qū)）、南山坡（即2區(qū)）或東南山坡（即3區(qū)）進行布置，而大部分山體由硬石塊構(gòu)成，目前該項目已進入生產(chǎn)運行階段，按照河北能源工程設(shè)計有限公司設(shè)計院設(shè)計的圖紙，設(shè)計接地電阻不大于4Ω。該太陽能光伏發(fā)電站的接地網(wǎng)已經(jīng)竣工，經(jīng)宿州市防雷中心檢測所檢測：20MW地面光伏電站項目建筑物及變電站的防雷接地符合設(shè)計要求，為防止雷電侵入波和內(nèi)部過電壓的損壞電氣設(shè)備，在35kV線路出口處設(shè)一組氧化鋅避雷器，35kV配電裝置母線設(shè)有無間隙金屬氧化物避雷器，箱式變、直流配電柜、匯流箱內(nèi)均逐級裝設(shè)避雷器均符合設(shè)計要求。3個光伏組件列陣區(qū)除1區(qū)35KV1-1#箱變、35KV1-10#箱變、1MW、10MW預(yù)裝式逆變機房覆蓋的光伏組件列陣等接地電阻值1.78Ω符合設(shè)計要求，山坡越高，阻值俞大，1區(qū)35KV1-5#箱變覆蓋的光伏組件列陣達58.20Ω，有的甚至更高，尤其3區(qū)，不符合電阻值設(shè)計≤4Ω的要求。同時在2區(qū)、3區(qū)選取不同測試點，沒有一處電阻值符合設(shè)計≤4Ω的要求。

3 光伏電站項目防雷接地系統(tǒng)阻值大的原因分析

根據(jù)QX/T263-2015氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽能光伏系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》4.2條的規(guī)定：太陽能光伏系統(tǒng)宜利用包覆固定光伏組件的金屬邊框作接閃器，不存在遮擋太陽光的問題，只要注意突出部位，并將支架良好接地，即可達到防雷效果，大型光伏電站光伏陣列防雷宜采用此種方式。該光伏組件接地網(wǎng)采用以水平接地網(wǎng)為主，垂直接地極為輔主，邊緣閉合的方孔復(fù)合式接地網(wǎng)，網(wǎng)孔距離5～6m。水平接地極采用-50×5熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用φ20，L=2.5m鋼管，并與水平敷設(shè)的扁鋼焊接連貫通，整個接地網(wǎng)敷設(shè)在距地面以下1.0m，或建構(gòu)筑物基礎(chǔ)以下0.4m。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997附錄A中的規(guī)定，大型復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻值可以用簡易公式來計算：

[R=0.5ρ/S]

式中：R—接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；[ρ]—土壤電阻率，Ω·m；S—接地網(wǎng)的面積，m2。

接地網(wǎng)的接地電阻與土壤電阻率ρ成正比，與接地網(wǎng)的面積的開放值S成反比。由于土壤電阻率高，最高處達550Ω·m，土質(zhì)差，巖石多，接地體埋深不夠，地網(wǎng)面積小，造成1區(qū)35KV1-5#箱變覆蓋的光伏組件列陣達58.20Ω。為了保證光伏發(fā)電接地系統(tǒng)符合設(shè)計要求，根據(jù)多次實地現(xiàn)場勘查，并結(jié)合多年的防雷經(jīng)驗和平原地區(qū)土壤價廉，降低接地工程造價，采用最經(jīng)濟、合理的小型接地網(wǎng)，探究山區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地符合設(shè)計要求的方式方法。

4 光伏電站項目防雷接地系統(tǒng)設(shè)計思路

已建光伏發(fā)電防雷接地系統(tǒng)站址總體地勢北高南低，光伏列陣主要利用西南山坡（即1區(qū)）、南山坡（即2區(qū)）或東南山坡（即3區(qū)）進行布置，而大部分山體由硬石塊構(gòu)成，太陽能光伏陣列分布范圍大，且形狀也不規(guī)則，這給防雷接地的設(shè)計及施工增加了難度。根據(jù)多次現(xiàn)場實地勘察，并結(jié)合現(xiàn)場區(qū)域地形實際情況，選取1區(qū)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地實驗區(qū)，探究切實可行的小型接地網(wǎng)的方式方法，成功后在2區(qū)、3區(qū)逐一推廣并在符離、曹村等光伏項目中得以應(yīng)用，達到光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地技術(shù)探究的目的。具體做法：根據(jù)現(xiàn)場勘查在1區(qū)（共1#～11#光伏方陣）選取3塊區(qū)域作小型接地網(wǎng)，因為3塊區(qū)域位置處1區(qū)3個代表地段，且3個代表地段處于路側(cè)都有1～4m的自然坑道，便于施工。即選取35kV開關(guān)柜1-5#箱變路西南側(cè)、選取35kV開關(guān)柜1-9#箱變北側(cè)（深約4m，長、寬距離超過6m）及選取35kV 開關(guān)柜1-11#箱變路西側(cè)（沉約1m，長、寬距離超過8m）作小型接地網(wǎng)，并以35kV開關(guān)柜1-5#箱變路西南側(cè)作小型接地網(wǎng)為例，設(shè)計施工具體做法如下：根據(jù)實地勘察，并利用35kV開關(guān)柜1-5#箱變及路基開挖過得長約14m，寬約2～7m，深約1m的自然坑道，選取中部網(wǎng)格尺寸8m×4m，用挖機再挖沉2m，按8m×4m網(wǎng)格1m尺寸縱橫間隔打入32根垂直接地體，打入深度0.5m。垂直接地體可采用不小于50㎜×50㎜×5㎜的熱鍍鋅角鋼或φ50㎜/壁厚不小于3.5㎜的熱鍍鋅鋼管。32根垂直接地體打入坑道后，用粘土覆蓋約1m，在深約2m處焊接水平接地體，水平接地體可采用50㎜×5㎜的熱鍍鋅扁鋼焊接成網(wǎng)孔不大于1m×1m的面積8m×4m的扁鋼網(wǎng)，水平接地體與垂直接地體連線用50㎜×5㎜的熱鍍鋅扁鋼焊接，并在四角分別引出小型接地網(wǎng)，所有接地體周圍裹以150～200㎜厚的長效降阻劑，上層再覆蓋1.8m粘土（圖1）。

小型接地網(wǎng)最上層用0.2m混凝土覆蓋，并在小型接地網(wǎng)北側(cè)兩頭分別預(yù)留一個0.1m直徑的注水空，以便雨水侵入或人工注水，降低接地降阻值。實測引出水平接地體的電阻值，如不大于4Ω，與就近太陽能光伏鋼柱基礎(chǔ)接地可靠連接，并按此方法做好1-9#箱變北側(cè)、1-11#箱變路西側(cè)小型接地網(wǎng)，若接地電阻符合要求，將1-9#、1-11#連接到總的接地網(wǎng)上。若不符合要求，還需合理增補小型接地網(wǎng)，直到電阻值符合設(shè)計要求為止。

5 結(jié)論

通過山區(qū)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地技術(shù)的探究，為宿州市云陽新能源發(fā)電有限公司埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣楊村20MW地面光伏電站項目接地系統(tǒng)作出完善的設(shè)計，并在該項目后期建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，為宿州市大電阻率山區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地技術(shù)提供很好的解決方案，在實際應(yīng)用中產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟和社會效益，在雷電災(zāi)害防御方面具有重要意義。

參考文獻

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[4]梅勇成，陳華暉.獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)探討[J].氣象科技，2009，37（6）：763-766.

（責(zé)編：張宏民）