新能源電站防雷接地優(yōu)化設(shè)計(jì)與效能研究

1.新能源電站防雷接地優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1效接地網(wǎng)

接地網(wǎng)作為防雷系統(tǒng)極為關(guān)鍵的物理基礎(chǔ)，它的性能會(huì)直接影響雷電流的泄放效率以及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，傳統(tǒng)的借助鍍鋅扁鋼構(gòu)建而成的接地網(wǎng)，在實(shí)際運(yùn)用中存在著許多問(wèn)題，在干旱、高腐蝕性土壤環(huán)境里，容易出現(xiàn)電阻率升高、材料腐蝕加速情況，致使接地效果衰減，甚至失效。怎樣提升接地網(wǎng)的穩(wěn)定性與耐久性成了工程實(shí)踐中迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。近些年來(lái)，柔性接地技術(shù)的出現(xiàn)為這一難題給出突破性的解決辦法，以HD-R10柔性接地體為例，這種材料含有高達(dá) 65% 的水分，在高電阻率地區(qū)像四川某風(fēng)電場(chǎng)可長(zhǎng)期保持低電阻狀態(tài)，有效提高泄流能力。它包裹金屬接地極形成的物理隔離層可以延緩腐蝕過(guò)程，延長(zhǎng)接地系統(tǒng)使用壽命。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，環(huán)形閉合接地網(wǎng)已然成為主流的方案，以光伏電站為例，接地極一般是沿著光伏陣列的邊緣呈放射狀來(lái)布置的，水平接地體大多采用的是 40×4mm 的鍍鋅扁鋼，垂直接地體選用的是 50×50×5mm 的角鋼，埋深的要求是不低于0.8米，目的在于保證接地電阻值可符合規(guī)范的要求。不過(guò)在山地、戈壁等復(fù)雜地形的條件下，傳統(tǒng)的接地方式大多時(shí)候很難契合設(shè)計(jì)的需求，在這個(gè)時(shí)候，由柔性接地體與降阻劑組合而成的復(fù)合接地系統(tǒng)就呈現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。比如，江西某風(fēng)電場(chǎng)依靠引入柔性接地技術(shù)進(jìn)行改造之后，成功地把沖擊接地電阻降低到了4Ω以下，很大程度上降低了雷擊跳閘率，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

1.2防護(hù)強(qiáng)化

直擊雷是新能源電站面臨的主要威脅之一，其防護(hù)工作要借助接閃器以及主動(dòng)驅(qū)雷裝置來(lái)達(dá)成雙重?cái)r截，接閃器在設(shè)計(jì)之時(shí)要嚴(yán)格依照滾球法來(lái)進(jìn)行，以此保證光伏組件、風(fēng)機(jī)葉片等關(guān)鍵設(shè)備處于保護(hù)范圍之內(nèi)。例如，屋頂分布式光伏的避雷針要高出光伏陣列1米多，并且要和屋頂原有的防雷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠連接，防止電位差引起反擊現(xiàn)象。對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)來(lái)講，獨(dú)立避雷針要和風(fēng)機(jī)塔筒保持5米多的安全距離，避免雷電流經(jīng)由塔筒傳導(dǎo)至設(shè)備。

主動(dòng)驅(qū)雷技術(shù)為直擊雷防護(hù)提供了全新思路，HD-PLR等離子驅(qū)雷裝置依靠陣列多針?biāo)a(chǎn)生的“尖端效應(yīng)”，在雷云電場(chǎng)的激勵(lì)作用下電離出高濃度等離子體，以此中和雷云底部電荷，形成“漏電電容”效應(yīng)，這項(xiàng)技術(shù)已在沿海風(fēng)電場(chǎng)成功應(yīng)用，其保護(hù)角可達(dá)

84°，可有效驅(qū)散半徑50米范圍內(nèi)的雷電先導(dǎo)。對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片的直擊雷防護(hù)，DSAN雙疏仿生涂料借助超疏水以及超疏油特性，避免凝露、污閃等導(dǎo)致電場(chǎng)畸變的因素出現(xiàn)，降低葉片遭受雷擊的概率，主動(dòng)驅(qū)雷技術(shù)和接閃器共同構(gòu)建的直擊雷防護(hù)體系，提升了新能源電站的抗雷能力，HD-PLR等離子驅(qū)雷裝置憑借主動(dòng)中和雷云電荷，把傳統(tǒng)的“被動(dòng)接閃”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)驅(qū)散”，特別適合開(kāi)闊地帶或者高雷暴區(qū)。DSAN雙疏仿生涂料則是從物理層面降低葉片表面電場(chǎng)畸變，與接閃器配合形成“攔截-疏導(dǎo)-防護(hù)”三重機(jī)制[1]。

1.3與等電位連接優(yōu)化

感應(yīng)雷是新能源電站防雷體系里不容忽視的關(guān)鍵威脅之一，它主要借助電磁耦合在電子設(shè)備以及控制系統(tǒng)中產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓，引發(fā)設(shè)備損壞或者運(yùn)行出現(xiàn)異常情況，要想有效應(yīng)對(duì)這一風(fēng)險(xiǎn)，就得構(gòu)建起完善的感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)。其中浪涌保護(hù)器和等電位連接技術(shù)是核心的防護(hù)手段，在直流側(cè)系統(tǒng)中，匯流箱輸入端以及逆變器直流輸入端作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一定要安裝適配系統(tǒng)電壓等級(jí)的直流SPD，比如在1000V或者1500V的光伏系統(tǒng)中，應(yīng)該選用標(biāo)稱放電電流不小于10kA的產(chǎn)品，以此保證可承受雷電所引起的瞬態(tài)沖擊。而在交流側(cè)，逆變器輸出端和配電柜進(jìn)線端需要配置Type2或者Type 1+2 級(jí) SPD，其保護(hù)電壓水平要控制在 ?1.5kV 以內(nèi)，防正感應(yīng)雷經(jīng)交流線路侵入設(shè)備，對(duì)于通信信號(hào)線路，同樣要安裝專用信號(hào)浪涌保護(hù)器，阻斷雷電感應(yīng)依靠數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)入控制系統(tǒng)的可能性。

等電位連接是達(dá)成系統(tǒng)整體防雷性能優(yōu)化的關(guān)鍵要點(diǎn)，在山地、高雷區(qū)這類復(fù)雜環(huán)境條件下，等電位連接與SPD的配置策略仍有待優(yōu)化，比如在雷電活動(dòng)頻繁的區(qū)域，接地體間距可縮短至3米以內(nèi)，以此提高接地系統(tǒng)的均壓效果。同時(shí)，采用兩級(jí)SPD串聯(lián)防護(hù)的方式，提高對(duì)高頻沖擊電流的抑制能力，提升系統(tǒng)抗雷擊干擾的能力。

2.新能源電站防雷接地優(yōu)化設(shè)計(jì)效能分析

新能源電站防雷接地系統(tǒng)的效能對(duì)于電站的安全運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)效益有著直接的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化設(shè)計(jì)要從降低接地電阻、提升泄流效率、減少電位差這三個(gè)方面入手，構(gòu)建起多層次的防護(hù)體系。就拿柔性接地技術(shù)來(lái)說(shuō)，它借助材料創(chuàng)新，有效改進(jìn)了傳統(tǒng)接地系統(tǒng)存在的局限性，HD-R10柔性接地體的水分含量為 65% ，可在干旱以及高腐蝕性土壤中保持低電阻狀態(tài)，比如在四川某風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用里，其耐沖擊變化率僅為 0.36% 即便在高頻沖擊的情況下，依然可以維持接地電阻的穩(wěn)定，防止反擊跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。該技術(shù)借助包裹金屬接地極形成物理隔離層，減緩腐蝕速度，能將鍍鋅扁鋼的使用壽命延長(zhǎng)至原來(lái)的6倍。同時(shí)，還符合歐盟ROHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

直擊雷防護(hù)效能的提高依賴于接閃器布局與主動(dòng)驅(qū)雷技術(shù)的結(jié)合。傳統(tǒng)避雷針通過(guò)“滾球法”來(lái)計(jì)算保護(hù)范圍，然而新能源電站設(shè)備分布繁雜，需要依據(jù)地形對(duì)布局加以優(yōu)化，像屋頂分布式光伏要保證避雷針高于陣列1米多，山地風(fēng)電場(chǎng)則要維持獨(dú)立避雷針和塔筒5米多的安全距離，更為先進(jìn)的HD-PLR等離子驅(qū)雷裝置運(yùn)用陣列多針“似尖端效應(yīng)”，在雷云電場(chǎng)激勵(lì)作用下電離出高濃度等離子體，中和雷云底部電荷，形成“漏電電容”效應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)在沿海風(fēng)電場(chǎng)達(dá)成 84^° 保護(hù)角，可驅(qū)散半徑50米內(nèi)的雷電先導(dǎo)，降低雷擊概率。

感應(yīng)雷防護(hù)以及等電位連接的優(yōu)化對(duì)于保障設(shè)備安全而言十分關(guān)鍵，感應(yīng)雷會(huì)借助電磁耦合產(chǎn)生過(guò)電壓，要借助浪涌保護(hù)器也就是SPD以及等電位連接來(lái)達(dá)成分級(jí)防護(hù)，直流側(cè)的SPD需要和光伏系統(tǒng)電壓等級(jí)相匹配，像1000V或者1500V的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選用標(biāo)稱放電電流不小于10kA的產(chǎn)品，交流側(cè)則要配置Type2或者Type 1+2 級(jí)的SPD，保護(hù)水平控制在小于等于 1.5kV_c 0信號(hào)線路比如RS485、以太網(wǎng)等需要安裝專用的信號(hào)SPD，以此防止雷電感應(yīng)經(jīng)由信號(hào)線侵入設(shè)備，等電位連接利用40×4mm 的鍍鋅扁鋼或者橫截面積大于等于 16mm² 的銅纜把光伏支架、組件邊框、逆變器外殼等金屬部件連接到等電位端子板，形成環(huán)形接地網(wǎng)。比如，在山地光伏電站中，接地體間距縮短到3米以內(nèi)，并且采用兩級(jí)SPD串聯(lián)防護(hù)，可有效地降低系統(tǒng)抗沖擊能力[2]。

借助柔性接地技術(shù)、主動(dòng)驅(qū)雷裝置以及多級(jí)SPD防護(hù)的聯(lián)合運(yùn)用，新能源電站防雷接地系統(tǒng)的效能有了明顯提高，于四川某風(fēng)電場(chǎng)而言，柔性接地技術(shù)把沖擊接地電阻降至4Ω以下，降低雷擊跳閘率。江西某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)用等離子驅(qū)雷裝置達(dá)成主動(dòng)防護(hù)，其保護(hù)角為84^° 。某10MW光伏電站經(jīng)優(yōu)化接閃器布局并更換高性能SPD，將設(shè)備損壞率降低超過(guò) 70% 。隨著智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，防雷接地設(shè)計(jì)會(huì)朝著動(dòng)態(tài)預(yù)警、精準(zhǔn)防護(hù)的方向發(fā)展，像HD-LDL雷電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接地電阻數(shù)值，達(dá)成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與精準(zhǔn)定位，此種技術(shù)融合提升了電站的防雷性能，而且依靠降低運(yùn)維成本、減少設(shè)備損壞率，為新能源產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.結(jié)束語(yǔ)

新能源電站防雷接地優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)材料創(chuàng)新、技術(shù)融合與系統(tǒng)整合，顯著提升了防雷效能與運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性。柔性接地技術(shù)、主動(dòng)驅(qū)雷裝置及多級(jí)SPD防護(hù)的協(xié)同應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)方案在高腐蝕、高雷暴環(huán)境下的局限性。以四川某風(fēng)電場(chǎng)、沿海風(fēng)電場(chǎng)等項(xiàng)自為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)使雷擊跳閘率降低 65% 以上，設(shè)備損壞率減少 70% ，運(yùn)維成本下降40% 。未來(lái)，隨著智能監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)預(yù)警技術(shù)的普及，防雷接地系統(tǒng)將向精準(zhǔn)化、自適應(yīng)化方向發(fā)展，為新能源產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展筑牢安全屏障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建國(guó)。高海拔喀斯特地貌光伏電站防雷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)及應(yīng)用對(duì)策[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2025，（08）：7-9.

[2]閆旭東。太陽(yáng)能光伏設(shè)備防雷技術(shù)的研究[J].能源新觀察，2025，（04）：34-36.