高海拔喀斯特地貌下光伏電站防雷技術(shù)分析及典型預(yù)防措施

方 磊

水電十四局大理聚能投資有限公司 云南 大理 671000

1 概述

截止到2019年底，我國集中式光伏電站累計裝機容量已超過20 GW，根據(jù)光資源的分布情況，大多數(shù)光伏電站建于戈壁、沙漠和高原山區(qū)，地勢的特點造成光伏電站在雷雨季節(jié)時極易遭受雷擊，進(jìn)而造成光伏電站內(nèi)光伏組件、匯流箱、逆變器及站內(nèi)設(shè)備受到損壞，直接影響光伏電站運行安全，對電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和發(fā)電量損失。有效的光伏電站防雷設(shè)計、施工、接地檢測工作是關(guān)系到光伏電站防雷安全的重要保障，對后續(xù)光伏電站運行安全具有重要意義。

2 某光伏電站防雷概況

某光伏電站地處云南省西部山區(qū)，海拔高度為1800 m-1960 m，光伏電站場區(qū)為喀斯特地貌，現(xiàn)場地形復(fù)雜，裸露巖石較多，年平均雷暴日為49.1天，為雷暴多發(fā)區(qū)域，自投運以來，兩次出現(xiàn)因雷擊造成光伏組件背板接線盒二極管、匯流箱測控模塊及電源模塊、站內(nèi)SVG 設(shè)備元器件損壞及送出線路跳閘情況。雷電活動嚴(yán)重影響了光伏電站的安全運行。

該光伏電站防雷按區(qū)域劃分主要有兩大部分組成，開關(guān)站防雷和光伏陣列防雷。開關(guān)站防雷采用水平接地體為主，垂直接地體為輔的復(fù)合型接地網(wǎng)，水平接地體為60 mm*6 mm 鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用2.5 m 長50 mm*5 mm*5 mm 鍍鋅角鋼。光伏陣列地網(wǎng)采用水平接地體和利用光伏支架基礎(chǔ)為垂直接地體結(jié)合的方式，光伏陣列區(qū)域光伏支架、匯流箱、箱變、逆變器、電纜分接箱接地形成等電位連接，構(gòu)成一個完整的大接地網(wǎng)。最終形成開關(guān)站地網(wǎng)與光伏陣列地網(wǎng)連接的接地方式。其中，開關(guān)站接地電阻值不大于0.5Ω，獨立避雷針接地電阻值不大于10Ω，光伏陣列接地電阻值不大于3.5Ω。

3 光伏電站受雷擊典型案例分析

3.1 光伏陣列接地檢測情況 光伏電站投運后，電站每年均組織開展了光伏陣列及開關(guān)站、獨立避雷針的接地電阻檢測工作，檢測結(jié)果為三個區(qū)域光伏陣列接地電阻分別為0.7Ω、3.2Ω、1.4Ω，開關(guān)站接地電阻為0.39Ω，獨立避雷針獨立接地網(wǎng)阻抗值為6.62Ω。電站接地情況滿足設(shè)計要求。場區(qū)地表電位梯度和跨步電勢良好，所抽測設(shè)備接觸電勢、轉(zhuǎn)移電位測試結(jié)果均良好。

受雷擊后雷電流釋放能力影響，電站在兩次出現(xiàn)場區(qū)雷電活動時均出現(xiàn)了光伏組件背板接線盒二極管燒壞、匯流箱測控模塊及電源模塊損壞情況。在光伏陣列接地電阻滿足設(shè)計要求的情況下仍出現(xiàn)雷擊造成設(shè)備損壞。經(jīng)分析，造成設(shè)備損壞的主要原因為雷電感應(yīng)至光伏組件及直流線路上時無法及時釋放雷電流造成。

3.2 雷電侵入分析 雷電的入侵方式主要直擊雷、感應(yīng)雷和雷電波三種方式，從電站兩次雷擊損壞設(shè)備元器件的狀態(tài)分析，電站損壞的電氣元器件均為過流燒壞，未出現(xiàn)嚴(yán)重的受外力沖擊造成的機械損壞，分析為感應(yīng)雷引起直流電纜和RS485通信線上產(chǎn)生過電流造成元器件損壞。因此，電站從預(yù)防感應(yīng)雷方面開展設(shè)備防雷措施制定及實施。

3.3 光伏陣列防雷接地整改方式 根據(jù)現(xiàn)場光伏組件背板接線盒損壞情況分析，光伏接線盒主要輸出單塊光伏組件的電流，在接線盒處無相應(yīng)防雷模塊設(shè)計，單個光伏子陣18塊組件之間連接通過接線盒輸出直流電纜串聯(lián)連接，最終匯集至匯流箱直流輸入回路，在匯流箱直流母線上才安裝了浪涌保護(hù)器，詳見下圖：

經(jīng)分析，因光伏子陣至匯流箱之間無任何防雷設(shè)施，且部分光伏子陣距離匯流箱距離在30-50米之間，此區(qū)域存在雷電時出現(xiàn)感應(yīng)過電壓情況，雷電過電壓感應(yīng)到光伏組件輸出的直流電纜、光伏組件或者RS485通信線上，出現(xiàn)的雷電流會造成光伏組件接線盒內(nèi)二極管損壞、匯流箱測控模塊損壞。

為此，電站根據(jù)歷年雷擊組件及直流匯流箱損壞情況分區(qū)域、有重點的對雷擊損壞設(shè)備嚴(yán)重的區(qū)域開展了防雷技改工作。電站采取了在光伏子陣末端直流電纜上增加浪涌保護(hù)器(SPD)的整改方式進(jìn)行光伏組件防雷整改工作，具體增加方式為在光伏子陣末端正、負(fù)極電纜接線上并聯(lián)浪涌保護(hù)器(SPD)，防雷器接地端采用16 mm2軟銅線直接接入光伏列陣的主接地網(wǎng)上，以此增加光伏子陣上光伏組件及直流電纜雷電過電壓時的雷電釋放能力。具體接線方式如下圖：

其中，浪涌保護(hù)器(SPD)的參數(shù)應(yīng)與直流匯流箱、線路的參數(shù)相匹配，避免選擇的避雷器參數(shù)與保護(hù)設(shè)備、線路參數(shù)不一致情況。

3.4 直流匯流箱接地整改方式 在出現(xiàn)雷擊感應(yīng)過電壓后，電站匯流箱測控模塊也受過電壓損壞情況。根據(jù)光伏陣列的防雷措施，電站采取了在匯流箱測控模塊RS485通信線測增加浪涌保護(hù)器的防雷措施。同時，對通信線的屏蔽線進(jìn)行接地處理。

在電站對光伏陣列及光伏匯流箱按上述整改措施技改后，經(jīng)過三年的雷雨季節(jié)，光伏組件、直流匯流箱未發(fā)生過因雷擊造成的組件接線盒二極管及匯流箱測控模塊損壞情況，進(jìn)一步驗證了增加浪涌保護(hù)器的整改效果較好。

3.5 其它方面 在開展光伏陣列區(qū)域防雷整改的同時，我公司結(jié)合開關(guān)站內(nèi)設(shè)備、送出線路防雷特點對開關(guān)站內(nèi)SVG 冷卻風(fēng)扇電源和RS485通信線上均增加了浪涌保護(hù)器。根據(jù)電站送出線路受雷擊跳閘的影響，在架空線路上選取一定數(shù)量地勢較高的鐵塔在其頂部增加線路避雷器的防雷整改方式。通過對站內(nèi)設(shè)備和架空線路的防雷技改工作，電站受雷擊影響造成的設(shè)備跳閘次數(shù)大幅度降低，防雷技改工作具有積極的效果。

4 結(jié)論

結(jié)合我公司光伏電站防雷設(shè)計施工及后期整改工作，建議同類型光伏電站在新建、改擴(kuò)建及后期運營時重點關(guān)注以下工作：

(1)在電站建設(shè)前，充分對光伏電站光伏組件布置區(qū)域的地形、地質(zhì)條件全面分析，收集多年電站區(qū)域雷暴日情況，根據(jù)地形、地質(zhì)條件有針對性的開展光伏陣列防雷設(shè)計及施工，掌握布置光伏組件區(qū)域的土壤電阻率，清晰判定常規(guī)接地方式或特殊接地方式哪種能夠滿足光伏陣列防雷技術(shù)要求。將接地施工設(shè)計及施工方案在電站建設(shè)前期準(zhǔn)確判定。

(2)可充分利用光伏組件金屬支架基礎(chǔ)作為垂直接地體，在施工階段將支架基礎(chǔ)施工與接地施工有效銜接。

(3)光伏組件子陣之間基礎(chǔ)水平接地體、組件與支架之間的金屬部分須形成有效的等電位連接，確保光伏陣列設(shè)備電位一致。

(4)避免光伏組件之間直流電纜及匯集輸出至匯流箱的直流電纜出現(xiàn)外露情況，應(yīng)全部采用穿PVC管組件背板后敷設(shè)及穿PVC管入地敷設(shè)的方式，最大限度的減少雷擊時感應(yīng)到直流電纜上的過電壓。

(5)在土壤電阻率高的區(qū)域可采用同光伏組件、直流電纜、匯流箱同電壓等級的浪涌保護(hù)器進(jìn)行設(shè)備防雷，按照“分級保護(hù)，就近釋放”的原則進(jìn)行浪涌保護(hù)器安裝。

(6)定期開展光伏電站光伏陣列區(qū)域及開關(guān)站防雷檢測工作，確保接地電阻滿足設(shè)計要求。日常巡檢、定檢過程中注意已安裝的浪涌保護(hù)器的運行情況，出現(xiàn)損壞時及時更換。