太陽能光伏發(fā)電站防雷技術(shù)探討

洪浩 尹康

摘要：太陽能光伏發(fā)電是一種新興的環(huán)保型發(fā)電產(chǎn)業(yè)，隨著太陽能光伏電站規(guī)模的增大和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，太陽能光伏電站的接地與防雷技術(shù)已成為光伏電站可靠安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素，如何進(jìn)行光伏電站的防雷接地設(shè)計(jì)是個(gè)新的挑戰(zhàn)。而光伏發(fā)電站一般布置在開闊平坦的灘涂或開闊的屋頂上，作為至高奴，極易發(fā)生雷擊事件，特別在雷電高發(fā)地區(qū)，易受雷擊而造成設(shè)備受損和停電甚至威脅人身安全，所以必須因地制宜的設(shè)計(jì)合理可靠防雷接地方案，以滿足光伏電站安全運(yùn)行要求。本文通過對(duì)雷電和防雷裝置以及技術(shù)分析，來探討光伏發(fā)電站防雷的方法和意義。

關(guān)鍵詞：太陽能、光伏發(fā)電站、防雷技術(shù)

太陽能是取之不盡的可再生資源，由于具有完全的清潔性和充足性以及潛在的經(jīng)濟(jì)性，它的應(yīng)用正在全球范圍內(nèi)加速增長(zhǎng)，利用太陽能最重要的方式之一就是太陽能發(fā)電。太陽能光伏發(fā)電作為新興的環(huán)保型發(fā)電產(chǎn)業(yè)，得到政府的大力支持開始逐漸發(fā)展， 但目前國(guó)內(nèi)尚沒有一個(gè)獨(dú)立的光伏電站的防雷接地設(shè)計(jì)規(guī)范來確保電站的安全持久運(yùn)行。

一.雷電的危害及特征分析

雷電是一種很常見的自然現(xiàn)象，它產(chǎn)生于大氣中帶電云塊之間或帶電云層與地面之間。云層對(duì)大地的放電，則對(duì)建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大。雷擊容易發(fā)生在土壤電阻率較小和土壤電阻率變化明顯的地方。有金屬礦床的地區(qū)、河床、地下水出口處、山坡與稻田接壤處、山坡和山腳下、河邊、湖邊、海邊、低洼地區(qū)和地下水位高的地方，都是容易遭受雷擊的地方。一些孤立的鐵塔、煙囪等高大建（構(gòu)）筑物，也容易遭受雷擊多發(fā)生于土壤電阻率突變和潮濕陰冷的地方以及孤立高聳地物體上。雷電的放電時(shí)間極短，但是伴隨著雷電的向地的閃擊，將產(chǎn)生靜電感應(yīng)過電壓、電磁感應(yīng)過電壓和電涌效應(yīng)和熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)，這些過電壓和各種效應(yīng)將會(huì)對(duì)電氣設(shè)備、電子器件產(chǎn)生破壞性損傷。

二.太陽能光伏電站的特點(diǎn)、系統(tǒng)組成及標(biāo)準(zhǔn)

太陽能光伏電站一般設(shè)置在開闊的地方，在雷電發(fā)生時(shí)，不管是感應(yīng)雷，還是直擊雷，都有可能對(duì)孤立的電站發(fā)生雷擊現(xiàn)象。對(duì)于并網(wǎng)的光伏電站，不僅會(huì)造成太陽能組件和逆變器造成毀壞，而且會(huì)造成電網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。太陽能組件和逆變器及其他電氣設(shè)備的造價(jià)昂貴，在整個(gè)投資中，占有絕對(duì)大的比例。如果遭受雷擊，帶給光伏發(fā)電系統(tǒng)的不僅僅是經(jīng)濟(jì)的損失，更重要的關(guān)系到國(guó)民生計(jì)和國(guó)家安全的保證。如果光伏組件遭到雷擊，會(huì)造成該組組件發(fā)電功率降低，總發(fā)電量就會(huì)減少。如果逆變器遭到雷擊，也可能損壞，其嚴(yán)重后果是總投資額會(huì)增大，后期設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用大，使總投資額增加。所以在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)，必須注意防雷接地的合理性，做到減少最大損失，做到防患于未然。

太陽能光伏電站系統(tǒng)的組成：太陽能光伏電站系統(tǒng)由太陽能組件方陣、匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、升壓器、運(yùn)行監(jiān)控和檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)組成。

在進(jìn)行防雷初步設(shè)計(jì)時(shí)主要引用的設(shè)計(jì)依據(jù)是《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50057-94、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》 GB50343-2004、《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50054-95、《智能建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50314-2000及《建筑物與建筑群綜合布線工程設(shè)計(jì)規(guī)GB/T50311-20003）、《光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)—導(dǎo)則》SJ/T 111-1997、《民用電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T16-92）、《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）選擇和使用導(dǎo)則》GB/T18802.12-2006、《低壓電涌保護(hù)器 第21 部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD） —性能要求和試驗(yàn)方法》GB/T 18802.21 -2004、《防雷與接地安裝》D501-1～4、《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95、《雷電電磁脈沖的防護(hù)》IEC 61312等或其他相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，特別是與防護(hù)對(duì)象相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

三.太陽能光伏發(fā)電站的原理和裝置組成

太陽能光伏發(fā)電原理：太陽能組件通過串并聯(lián)組成光伏陣列，光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電能，經(jīng)直流配電柜匯流、逆變器逆變、變壓器升壓后，接入中壓或高壓電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一分配電力。

防雷裝置是指接閃器、引下線、接地裝置、電涌保護(hù)器及其他連接導(dǎo)體的總和。接閃器包括直接截受雷擊的防雷針、防雷帶（線）、防雷網(wǎng)以及用作接閃的金屬屋面和金屬構(gòu)件等。引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體。接地裝置是接地體和接地線的總和。接地體是埋入土壤中或混凝土基礎(chǔ)中作散流用的導(dǎo)體。接地線是從引下線斷接卡或換線處至接地體的連接導(dǎo)體或從接地端子、等電位連接帶至接地裝置的連接導(dǎo)體。

四.太陽能光伏發(fā)電站的防雷設(shè)計(jì)和方法

1.外部直擊雷防雷：直擊雷防護(hù)主要采取避雷針、帶、線，它是一種具有連鎖反應(yīng)裝置的主動(dòng)型避雷系統(tǒng)，在傳統(tǒng)避雷針的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)主動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)，提前于普通避雷針產(chǎn)生上行迎面先導(dǎo)來吸引雷電，從而增大避雷針保護(hù)范圍，可比普通避雷針降低安裝高度。直擊雷防護(hù)由避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷針?biāo)⒁戮€和接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)，主要是為了保護(hù)建筑物免受雷擊引起火災(zāi)事故及人身安全事故;在0級(jí)保護(hù)區(qū)即外部作無源保護(hù)，主要有避雷針（網(wǎng)、線、帶）和接地裝置（接地線、地極）。

2.等電位連接：實(shí)現(xiàn)各金屬物體之間等電位，防止互相之間發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備外殼連通并接地。

3.屏蔽：實(shí)現(xiàn)建筑物、線路和設(shè)備對(duì)外界的電磁屏蔽隔離，防止電磁脈沖和感應(yīng)高電壓。屏蔽是當(dāng)雷電在系統(tǒng)附近的大地放電雷云在附近經(jīng)過時(shí)，通過降低電磁場(chǎng)與系統(tǒng)輸電線路的相互作用對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù)。

4.浪涌保護(hù)：通過在帶電電纜上安裝浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，減少電涌和雷電過電壓對(duì)設(shè)備造成損壞。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵途徑，除了太陽能電池方陣外，還有配電線路、接地線等。

5.接地：太陽能光伏電站的發(fā)電設(shè)備和配電室及其他建筑物的接地系統(tǒng)通過鍍鋅鋼相互連接，組成一個(gè)整體接地系統(tǒng)。通過接地裝置可以將雷電引起的過電流導(dǎo)入大地。光伏電站內(nèi)，獨(dú)立避雷針（線）應(yīng)設(shè)獨(dú)立的集中接地裝置，接地電阻必須小于10Ω。從避雷針、避雷網(wǎng)、避雷線等接閃器出來的引下線，同樣采用圓鋼和扁鋼。在沿海鹽堿腐蝕性較強(qiáng)或大地電阻率較高難以達(dá)到接地電阻要求的地區(qū)，接地體宜采用具有耐腐、保濕性能好的非金屬接地體。人工接地體在土壤中的接地體中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5m，并宜敷設(shè)在當(dāng)?shù)貎鰧右韵?，其距基礎(chǔ)不小于 1m.為減少相鄰接地體的屏蔽效應(yīng)，人工垂直接地體和水平接地體的距離5m，當(dāng)場(chǎng)地受到限制可適當(dāng)減少，但不一般不小于垂直接地體的長(zhǎng)度。

6其他防雷措施：①豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂端和底端與防雷裝置連接。②所有正常情況下不帶電設(shè)備金屬外殼均應(yīng)接地。③屋面接閃器保護(hù)范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器，接閃器和屋面防雷裝置相連。④突出屋面的金屬裝置和金屬構(gòu)件應(yīng)與避雷帶可靠焊接。⑤衛(wèi)星接收天線等設(shè)備應(yīng)在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，天饋線穿金屬管，金屬管兩端應(yīng)接地。⑥在合適的地方預(yù)留等電位連接板。

結(jié)束語：

我國(guó)幅員遼闊，雷電差異很大，不同行業(yè)對(duì)防雷裝置要求也不一樣。防雷裝置檢測(cè)是一項(xiàng)責(zé)任性技術(shù)很強(qiáng)的工作。太陽能電力系統(tǒng)以其穩(wěn)定可靠，安裝方便，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

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