山地光伏電站防雷接地整改技術(shù)及應(yīng)用

劉文陽

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

碳中和已成為全球的共識和使命，它帶來了巨大的機遇與挑戰(zhàn)，在這場變革中，以光伏為代表的新能源將逐步由輔助能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁δ茉粗?，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大量光伏電站將建成并運營，如何更加有效地降低雷電對光伏電站設(shè)備的破壞，確保光伏電站的安全穩(wěn)定運行是必須直面的問題。本文通過對存量光伏電站遭受雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞進(jìn)行分析整改，并取得實效的實例，希望能對類似項目提供借鑒，以促進(jìn)光伏電站防雷設(shè)計和施工質(zhì)量，保障光伏電站的安全穩(wěn)定運行，發(fā)揮光伏發(fā)電主力軍的作用。

2 光伏電站遭受雷擊情況

2.1 光伏電站概況

光伏電站位于湖南省常德市石門縣境內(nèi)，海拔約為350～500 m。項目所處地形為典型丘陵、山地地形，地勢連綿起伏，高度差異較大，氣候溫暖，四季分明，春秋短，夏冬長；熱量豐富，雨量豐沛，春溫多變，夏季酷熱，秋雨寒秋，冬季嚴(yán)寒。年雷暴日為54.3（d/a），為多雷區(qū)。

2.2 光伏電站雷擊情況

2.2.1 設(shè)備損壞情況

2018～2019年，光伏電站數(shù)次遭受雷擊，期間造成如下?lián)p壞：2018年，8號方陣402塊光伏組件鼓包損壞、2號方陣43塊組件鼓包損壞；2019年，8號方陣27塊光伏組件鼓包損壞、2號方陣16塊組件鼓包損壞；2號方陣1號、2號、4號、5號、11號、14號、15號、19號、21號、22號匯流箱通訊模塊損壞，8號方陣3號、4號、6號、12號、13號、21號，13號方陣1號～3號、9號～10號、17號～21號、23號 匯 流 箱通訊模塊損壞。

圖1 事故發(fā)生位置示意圖

2.2.2 專業(yè)人員現(xiàn)場勘查情況

雷擊事件發(fā)生后，電站組織專業(yè)人員進(jìn)入項目現(xiàn)場進(jìn)行勘察，對場區(qū)的直擊雷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、接地系統(tǒng)進(jìn)行全面的勘測?，F(xiàn)場光伏區(qū)除本身擁有2座35 kV鐵塔外，無其他防直擊雷措施，鐵塔無外露引下線。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，8號方陣和2號方陣均在35 kV輸電線路鐵塔附近，經(jīng)測量，鐵塔接地體和方陣光伏組件支架接地體相距僅1 m左右，但施工建設(shè)期沒有做等電位聯(lián)結(jié)，并且接地連接線裸露在外。技術(shù)人員選取了3個點檢測，組件的接地電阻分別為2.215 Ω、2.572 Ω、3.827 Ω；鐵塔接地電阻5.393 Ω、5.727 Ω。

2.3 雷擊事件分析

2.3.1 場區(qū)環(huán)境存在引雷問題

光伏組件占地面積大且處于相對孤立的空曠坡地，雷擊損失嚴(yán)重的兩個方陣均在鐵塔附近，更增加了引雷條件。容易在光伏場區(qū)上空形成較強的電磁場，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

2.3.2 接地網(wǎng)或接地網(wǎng)連接導(dǎo)線問題

當(dāng)光伏場區(qū)發(fā)生雷擊時，會導(dǎo)致光伏區(qū)組件和發(fā)電設(shè)備的瞬間過電壓或過電流，由于鐵塔的地網(wǎng)與組件地網(wǎng)間隔僅1 m左右，容易發(fā)生地電位反擊等問題，從而造成組件或發(fā)電設(shè)備的損壞。

2.3.3 鐵塔附近接地網(wǎng)密度不夠

空曠坡地上的鐵塔易遭雷擊，遭受雷擊時瞬時過電壓或過電流較高，泄流需要良好的地網(wǎng)?，F(xiàn)場地網(wǎng)形狀為每個方陣外圍一圈的地網(wǎng)，然后，每排等電位連接?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，雖然檢測地網(wǎng)接地電阻值較好，是因為整個場區(qū)的所有組件方陣地網(wǎng)都進(jìn)行了等電位連接。但組件方陣局部的接地點相距約6 m以上，接地點明顯偏少。

2.3.4 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

現(xiàn)場接地檢測結(jié)果顯示，鐵塔的接地電阻與光伏的地網(wǎng)接地電阻差異較大，在兩者相距僅1 m左右的情況下，可以推斷出鐵塔地網(wǎng)與光伏地網(wǎng)無物理連接。

從光伏場區(qū)設(shè)備損壞情況來講，損壞設(shè)備主要分布在場區(qū)2座鐵塔周邊，且損壞設(shè)備以電力系統(tǒng)內(nèi)承壓能力較差的電子元器件為主，同時未發(fā)現(xiàn)雷擊起火或大幅值雷電流直接擊毀元器件現(xiàn)象，基本可以排除直擊雷原因。從損壞設(shè)備分布及器件損壞特點分析，該事故為地電位反擊所致。

過電壓來自兩種途徑：其一，35 kV高電壓電線的傳導(dǎo)雷電流或操作過電壓，通過鐵塔入地，傳導(dǎo)至光伏地網(wǎng)，繼而至光伏器件；其二，鐵塔遭受直接雷擊，雷電流直接泄放，通過光伏地網(wǎng)傳導(dǎo)至光伏器件。由于雷電流幅值普遍超過1 kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出光伏設(shè)備工作電壓，在泄流過程中，越靠近鐵塔的光伏設(shè)備，越容易遭受損壞；同時，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，由于浮土的深度有限，接地扁鋼存在外露的現(xiàn)象，存在潛在的人員傷害風(fēng)險。

3 整改方案及效果

3.1 整改方案

根據(jù)光伏電站遭受雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞的現(xiàn)場實際情況，通過現(xiàn)場查勘和數(shù)據(jù)檢測，為有效阻斷鐵塔地網(wǎng)與組件地網(wǎng)之間發(fā)生電位反擊，防止場區(qū)設(shè)備再次遭受雷擊損壞，擬定整改方案：

（1）將鐵塔接地與光伏接地嚴(yán)格分開，避免地電位反擊；在鐵塔周邊挖溝，確認(rèn)鐵塔是否有外引接地，如有，應(yīng)確保外引接地與光伏接地分開或距離較遠(yuǎn)（≥20 m），如無法保證距離，則切斷；

（2）考慮到基礎(chǔ)不可移動，采取將基礎(chǔ)周邊浮土清除干凈，并圍繞基礎(chǔ)，構(gòu)筑一個閉合的絕緣區(qū)域，利用砂礫或瀝青構(gòu)筑一條從石灰?guī)r層到地面的深溝，深度、寬度均在50 cm左右；

（3）如鐵塔接地電阻不滿足其自身要求，必須要外引地網(wǎng)時，利用絕緣材料將外引地網(wǎng)引出至合適位置，重新做地網(wǎng)。地網(wǎng)水平接地體采用60 mm×6 mm的熱鍍鋅扁鋼，埋設(shè)深度0.2 m。垂直接地體采用Φ50 mm鋼管,并敷設(shè)高性能長效降阻劑，考慮接地裝置的使用壽命：在敷設(shè)高性能長效降阻劑后，由于該降阻劑對鋼接地體的平均年腐蝕率為0.000 49 mm/a，站內(nèi)接地裝置和外引接地裝置的水平接地體使用60 mm×6 mm的熱鍍鋅扁鋼，Φ50 mm×1 000 mm鋼管，20年僅腐蝕0.049 mm的厚度，保守估算接地裝置的使用壽命可達(dá)20年以上。

（4）外引地網(wǎng)與光伏地網(wǎng)要保持距離，如無法保持，按第2條執(zhí)行。

（5）對8號和2號方陣區(qū)域遭受雷擊的組件或匯流箱進(jìn)行局部接地加強，采用50 mm×5 mm以上的熱鍍鋅扁鋼從地網(wǎng)引出與組件支架或是匯流箱支架可靠焊接，使其遭受雷擊時可以快速泄放。

3.2 整改效果

2020年5月，光伏電站完成現(xiàn)場防雷整改施工?，F(xiàn)場施工工藝嚴(yán)格按照整改方案實施，并通過強化現(xiàn)場安全監(jiān)管，確保了項目整改效果。經(jīng)過兩個雷雨季節(jié)的考驗，現(xiàn)場未再發(fā)生設(shè)備遭受雷擊損壞事件。

4 結(jié)論

防雷接地關(guān)系到光伏電站的安全穩(wěn)定運行，雷擊時會有過電壓、大電流，產(chǎn)生機械力和熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件等發(fā)電設(shè)備損壞，甚至有可能引發(fā)人身傷亡事故。本文介紹了光伏電站設(shè)備遭受雷擊導(dǎo)致?lián)p壞的情況，分析了電站在防雷設(shè)計和施工中存在的不足，提出了整改方案，通過整改保證了電站的安全穩(wěn)定運行，取得了良好的效果。希望能給類似項目提供借鑒，結(jié)合項目實際完善前期防雷接地專項設(shè)計方案，并在工程建設(shè)階段重點關(guān)注，確保施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，運營階段加強現(xiàn)場防雷設(shè)施管理，促進(jìn)山地光伏電站良好有序發(fā)展，充分發(fā)揮光伏發(fā)電在碳達(dá)峰碳中和能源主力軍的作用。