光伏發(fā)電站雷電危害及防雷接地防護措施

喬志茹 趙海生

山西省安裝集團股份有限公司 山西太原 030032

太陽能光伏發(fā)電因清潔、安全等優(yōu)點，數(shù)量和規(guī)模不斷擴大。在雷電多發(fā)季節(jié)，在雷電出現(xiàn)時，瞬間可產(chǎn)生幾十至幾百千安培的雷電流，如光伏發(fā)電系統(tǒng)無防雷措施或防雷器件不合格，可能造成光伏電站整體癱瘓。因此，如何減少雷電危害，確保太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安全可靠的運行至關重要。

1 光伏發(fā)電站雷電的危害

當太陽電池方陣遭到直擊雷打擊時，強雷電電壓將鄰近土壤擊穿或直流輸入線路電纜外皮擊穿，使雷電脈沖侵入光伏系統(tǒng)。帶電荷的云對地面放電時，整個光伏方陣像一個大型無數(shù)環(huán)形天線感應出上千伏的過電壓，通過直流輸入線路引入，擊壞與線路相連的光伏系統(tǒng)設備。

（1）對光伏組件的損害：目前所有種類的太陽能光伏發(fā)電電池組件中光電轉換效率最高且堅固耐用的是單晶硅電池組件，雷電主要會對硅材料或體內(nèi)PN 結產(chǎn)生傷害，破壞光伏板電池片PN 結晶體場，使其產(chǎn)生缺陷，引起雜質(zhì)遷移，導致單晶硅半導體壽命下降。

（2）對保護器件的損害：雷電會造成浪涌保護器（SPD）、組件旁路二極管功能失效。

2 光伏發(fā)電站防雷接地設計規(guī)范要求

針對雷電對光伏電場區(qū)造成的巨大影響，一般采用等電位連接、隔離法和加裝保護器等避免雷電危害。

（1）依據(jù)GB50065- 2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，接地阻值應符合系統(tǒng)最低要求。光伏方陣接地裝置的沖擊接地電阻不宜大于10Ω，高電阻地區(qū)（電阻率大于2000Ω·m）最大值應不高于30Ω。

（2）光伏發(fā)電站的光伏方陣、光伏發(fā)電單元其他設備，以及站區(qū)升壓站、綜合樓等建（構）筑物應采取直擊雷防護措施，接閃器不應遮擋光伏組件。

（3）獨立接閃器和泄流引下線應與地光伏發(fā)電方陣電氣設備、線路保持足夠的安全距離，應不小于3m。

（4）光伏方陣外圍接閃針（線）宜設置獨立的防雷地網(wǎng)，其他防雷接地宜與站內(nèi)設施共用地網(wǎng)。

（5）人工垂直接地體的埋設間距宜不小于垂直接地體長度的兩倍，受場地限制時可適當減小。

（6） 人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于0.5m，并宜敷設在當?shù)貎鐾翆右韵隆?/p>

（7）為防止雷電感應，要將整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬物，包括電池組件外框、設備、機箱/ 機柜外殼、金屬線管等與聯(lián)合接地體等電位連接，并且做到各自獨立接地。光伏發(fā)電系統(tǒng)等電位連接。

3 光伏系統(tǒng)接地的組成

光伏系統(tǒng)的接地保護分為防雷接地和電氣接地。外部防雷接地設備主要有接閃器、引下線和接地裝置；電氣接地包括浪涌保護、組件邊框接地、逆變器PE 接地和配電柜外殼接地。

接閃器包括接閃桿、接閃網(wǎng)和接閃帶。為避免陰影投射到光伏組件上，接閃桿安裝在組件陣列的北側，家用項目可用光伏板金屬支架做接閃器。接閃帶與接閃桿不同，接閃桿是豎直向上的，只在根部和引下線相連，一般是明設；接閃帶一般是水平或者傾斜鋪設（依屋面或者地面斜度而定），至少兩處（首尾）和引下線相連，可以是明設，也可以暗鋪在房屋的混凝土內(nèi)。接閃帶以網(wǎng)狀敷設，叫做接閃網(wǎng)。在需要安裝接閃帶的光伏項目中，網(wǎng)格尺寸一般按照第三類防雷建筑物進行計算設計；如果項目現(xiàn)場雷擊概率較大，可以按照第二類防雷建筑物進行計算設計。

采用接閃網(wǎng)進行防雷保護時，要求引下線上端與接閃器可靠焊接，下端與建筑物基礎底盤鋼筋焊接為一體。引下線宜優(yōu)先采用直徑≥8mm 的圓鋼。 接地裝置宜采用熱鍍鋅鋼材，其規(guī)格一般為直徑50mm 的鋼管，壁厚不小于3.5mm，長度一般為1.5～2.5m。

需要注意的是，接地極的埋設深度不小于0.5m；連接焊接過的部位要重新做防腐防銹處理；土質(zhì)疏松還要夯實土壤，當土壤阻值達不到要求時，可以采用灑降阻劑或者木炭屑來降低接地阻抗。

4 光伏發(fā)電站防雷接地施工注意事項

無論是保護接零，還是保護接地，接地裝置都是非常重要的。它是電氣系統(tǒng)保護裝置的根本保證，安裝和運行中都必須符合接地裝置的安全要求。接地裝置的連接應采用焊接，且焊接必須牢固可靠，無虛焊、假焊。

（1）接至設備上的接地線，應用鍍鋅螺栓連接；有色金屬接地線不能采用焊接時，可用螺栓連接。螺栓連接處的接觸面應平整并鍍錫處理；凡用螺栓連接的部位，應有防松裝置，以保持良好接觸的長久性。接地裝置的焊接應采用搭接焊，其搭接長度必須符合以下規(guī)定：扁鋼為其寬度的2 倍，且至少有3 個棱邊焊接；圓鋼為其直徑的6 倍，且應在圓鋼的接觸部位雙面焊接；圓鋼與扁鋼連接時，其長度為圓鋼直徑的6 倍，且應在圓鋼接觸部位的兩面焊接；扁鋼或圓鋼與鋼管、扁鋼或圓鋼與角鋼焊接時，為了連接可靠，除應在其接觸部位兩側進行焊接外，還要將扁鋼或圓鋼彎成弧形或直角與鋼管或角鋼焊接。

（2）利用建筑物的金屬結構、混凝土結構的鋼筋、生產(chǎn)用的鋼結構架梁及配線用的鋼管、金屬管道等作為接地線時，應保證其為良好的電氣通路。在伸縮縫、接頭及串接部位焊接金屬跨接線，且金屬跨接線的截面積應符合要求。

（3）必須保證接地裝置全線暢通并具有良好的導電性，不得有斷裂、接觸不良或接觸電阻超標的現(xiàn)象。接地裝置使用的材料必須有足夠的機械強度，以免折斷或裂開，且其導體截面應符合熱穩(wěn)定和機械強度的要求，大中型發(fā)電廠、110kV 及以上的變電所接地裝置應適當加大截面。保護接零的保護線的導電能力不得低于相線的1/ 2。接地干線應在不同的兩點及以上與接地網(wǎng)連接，自然接地體應在不同的兩點及以上與接地干線或接地網(wǎng)連接，以保證導電的連續(xù)性及可靠性。大接地短路電流電網(wǎng)的接地裝置，應校驗其發(fā)生單相接地短路時的熱穩(wěn)定性，驗證可否承受短路接地電流轉換出來的熱量，確保電路穩(wěn)定而暢通。

（4）必須保證接地裝置不受機械損傷，特別是明設的接地裝置要有保護措施。與公路，鐵路或管道等交叉及其他可能使裝置遭受損傷處，均應用鋼管或角鋼等加以保護。接地線在穿過墻壁、樓板或引出地坪沿墻、沿桿、沿架敷處，均應加裝鋼管或角鋼保護，并涂以15～0Omm 寬度相等的綠色和黃色相間的條紋，以示醒目注意保護。在跨越建筑物伸縮縫、沉降縫處時，應設置補償裝置。補償裝置可用接地線本身彎成弧狀代替。

（5）必須保證裝置不受有害物的侵蝕，一般均采用鍍鋅鐵件，焊接處均涂以瀝青漆防腐，并且回填土不得有較強的腐蝕性。對腐蝕性較強的土壤，除應將接地線鍍鋅或鍍銅外，還應當增大地線的截面積。因高電阻率而采取化學處理的土壤，在埋設接地裝置時，必須考慮化學物品是否對接地裝置有腐蝕作用。

（6）必須保證地下埋設的接地裝置與其他物體的允許最小距離。接地體與建筑物的距離不應小于1.5m；避雷針的接地裝置與道路或建筑物的出人口及與墻的距離應大于3m；接地線沿建筑物墻壁水平敷設時，離地面一般為250～340mm，接地線與墻壁的間隙為10～15mm。垂直接地體的間距一般為其長度的2 倍，水平敷設時的間距一般為5m。接地裝置的敷設，應遠離易燃易爆介質(zhì)的管道；低壓接地裝置與高壓側的接地裝置應有足夠大的距離，否則，中間應加瀝青隔層。

（7）接地線必須并聯(lián)使用，不得串聯(lián)。

（8）接地裝置的埋深一般應大于0.6m，且位于凍土層以下。

（9）接地電阻必須符合要求。

5 光伏電站對接地的日常檢查、維護

光伏組件和支架系統(tǒng)必須接地，以減少潛在的電擊和火災威脅。如果接地系統(tǒng)性能隨著時間的推移有所下降，就會增大電擊的可能性。一旦發(fā)生電擊，由于光伏陣列的高電壓，造成的傷害可能會非常嚴重。因此，需要定期進行接地性能檢測與維護，有效地防止接地性能下降。

由于光伏電站建設周期短、施工人員和運維人員技術水平良莠不濟，造成設備安裝不到位、維修作業(yè)不規(guī)范，甚至引發(fā)設備隱性故障(如組件的隱裂、熱斑)，給電站的安全、穩(wěn)定運行帶來一定的隱患。因此，光伏電站投入運行后，需要定期對設備進行性能檢測，以排除隱患，保證電站的穩(wěn)定運行。檢測的主要內(nèi)容包括：

（1）光伏接地系統(tǒng)與建筑結構鋼筋的連接是否可靠；

（2）光伏組件、支架、電纜金屬鎧裝與屋面金屬接地網(wǎng)格的連接是否可靠；

（3）光伏方陣與防雷系統(tǒng)共用接地線的接地電阻是否符合相關規(guī)定；

（4）光伏方陣的監(jiān)視、控制系統(tǒng)，以及功率調(diào)節(jié)設備接地線與防雷系統(tǒng)之間的過電壓保護裝置功能是否有效，其接地電阻是否符合相關規(guī)定；

（5）光伏方陣防雷保護器應有效，并在雷雨季節(jié)到來之前、雷雨過后及時檢查；

（6）電纜金屬外皮與接地系統(tǒng)的連接是否可靠等；

（7）光伏組件板間連線是否牢固；

（8）方陣匯線盒內(nèi)的連線是否牢固；

（9）光伏組件是否有損壞或異常；

（10）方陣支架間的連接是否牢固。

6 結語

光伏系統(tǒng)的接地是光伏系統(tǒng)最不起眼的一環(huán)，但又是最重要一環(huán)。可靠接地可以防止直擊雷、感應雷、雷電波對系統(tǒng)的破壞，從而防止設備短路、漏電引起的組件或逆變器損壞甚至燒毀，確保工作人員不會受到電擊傷害。系統(tǒng)接地減少整個系統(tǒng)的故障率，提高光伏收益，對整個光伏系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性意義重大。