并网光伏电站防雷与接地技术及应用探讨

并网光伏电站防雷与接地技术及应用探讨

王慧琴

（河南省鹤壁市气象局河南鹤壁458030）

摘要：太阳能光伏并网发电系统的防雷与接地技术对系统的安全可靠运行起着非常重要的作用，本文通过分析光伏并网发电系统的特色来探究防雷与接地的方案，提出了诸多方法来预防直击雷以及其产生的雷击电，包括对输电线路采用接闪杆、室外的光伏组件，对市内电气设施设备采用避雷和等电位连接的方法来防止直击雷电感应和雷电波入侵等，使光伏发电系统安全、高效、可靠的进行。

关键字：并网光伏；防雷；接地技术

一、雷电对光伏电站的危险

电击对光伏电站的毁坏率按部件进行统计，从高到低分别是电控系统40%-50%、电池组件16%、光伏组件25%-35%。根据相关电力部门的运行统计，光伏电站80%-90%的毁坏事故是由电气线路引入的。若从维修的成本进行分析，分别为逆变器，电控系统，光伏组件，通讯系统。雷电对光伏电站的危害方式有雷电感应、直击雷和雷电波侵入三种。

所谓直击雷，就是带电积云与地面目标之间的强烈放电。直击雷的电压峰值通常都可以达到几万伏以上，电流峰值可以达到几十千安培以上，破坏性很强的原因就是因为雷云所蕴藏的能量在非常短的时间就能够释放出来，瞬间功率变得巨大。太阳电池陈列安装在室外，当雷电发生时太阳电池非常容易受到直击雷的破坏。采用防护措施是将太阳能电池板四周铝合金框架和支架连接起来，所有支架都采用等电位连接来接地。太阳能电池板是由钢化玻璃两层间夹太阳能电池并抽取真空，其中钢化玻璃是绝缘体，而四周的铝合金框架是导体。当直击雷发生时，雷电能量通过铝框架立即泄入大地，就能让太阳能电池板得到保护，避免直击雷冲击而受到损害。

雷电波入侵原因是由于架空线路或者进出管道对雷电的传导作用，雷电波可能会沿着各类管道线路侵入屋内，危及人身安全或者损坏设备。雷电击中接闪杆时，在接闪杆接地体附近会产生放射状的电位分布，对靠近它的电子设备接地体进行电位反击，入侵电压有时候可以达到数万伏。

二、太阳能光伏并网电站防雷的主要措施

光伏电站在进行防雷设计的时候，首先必须考虑架设接闪杆，从而防止直击雷对光伏发电系统的伤害，同时也必须考虑防止雷电感应和雷电波侵入光伏发电系统。由于防雷设计应该要考虑安全与经济双方面的因素，因此，根据不同的类别采取不同的防雷措施才相对比较合适。首先要分析光伏电站所在地的气候、土壤、环境等等因素，并遵循安全性、可靠性、经济型的几大原则。

第一，采用多级避雷保护，在光伏电站中如何将雷电流顺利泄放到大地，是防雷工作的一个重要问题。在正常情况下，避雷器处于高阻状态，当雷击产生瞬间脉冲电压时，避雷器将会在纳秒时间内导通，使脉冲电压与地短路，泄放雷电流通量大的避雷器是有效防雷的重要条件。光伏电站可以利用多个避雷器采取多极避雷保护措施，并在相线与防雷接地网之间分别并排连着两个避雷器，防止其中一个避雷器因为雷击短路后的二次重击。

第二，光伏设备的接地系统设计是环形的接地极，网格大小为20m×20m。光伏金属支架大约是每间隔10m连接到接地系统。太阳能光伏发电的设备和建筑的接地系统通过热镀锌扁钢相互连接，在焊接的地方也要进行防腐防锈的处理，这样既可以减少总的接地电阻，又可以通过相互网状的交织连接的接地系统可以形成一个等电位面，可以显著的减少雷电作用在各个地线之间产生的过电压。水平接地极铺设在至少0.7m深的土壤当中，使用十字架相互连接成网状，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀的带子包裹起来。

三、光伏发电系统的雷电防护技术

太阳能光伏电站中，电池方阵的支架采用金属材料，并占用较大空间，在雷电暴发的时候，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件、逆变器、升压箱比较昂贵，为了避免因为雷击和浪涌造成的经济损失，有效的防雷和接地保护技术是必不可少的一环。

（一）直击雷防护

直击雷防护是由接闪杆、引下线和接地系统构成外部防雷的系统，主要是为了保护建筑物免受雷击引起的火灾事故以及人身安全事故，在0级保护区，主要有接闪杆和接地装置。

（二）浪涌保护

浪涌保护是通过在带电的电缆上安装浪涌保护器，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池方阵以外，还有配电线路，接地线路等等。

（三）等电位连接

通过等电位连接实现各个金属物之间的等电位，防止互相之间发生击穿。等电位连接是设备过电压保护，同时也可以防止触电的有效措施。光伏电站防雷系统的关键部分是太阳能光伏并网发电系统的所有金属结构和设备外壳连通并且接地。

四、接地在防雷技术中的应用

在现有的防雷措施中，最有效而且使用最广泛的方法就是将电气设备或者金属零部件与大地之间作良好的电气连接，称之为接地，接地系统是由被接地的接设备，接地引入线，接地体和大地组成的，良好的接地是防雷成功的前提，接地的方式通常分为：共体接地，组合接地和单体接地。

（一）共体接地

由于光伏电站的建设位置一般都是靠近山区，土壤的电阻率并不高，电位分布衰减比较快，因此都采用棒形垂直接地体为主的棒带接地装置。在光伏电站内，接地体常常采用国产或者进口的接地体套件工具进行安装埋设。在地面上挖一个深30mm左右的洞，在洞底放一些普通的食盐，将接地体套件放入洞中央，再用PVC管垂直套在接地体上，用泥土再将PVC管内和管外填满，并且用铁锤把泥土夯实，最后在上面撒一些碎石头和胶水加强固定。用同样的方法构建另外两个接地体，三个接地体组成一个等腰三角形的装置，三个接地体之间用35mm²的铜钱连接后，构成光伏电站内的共同接地体。光伏电站的所有电子设备的外壳、接闪杆、太阳电池方阵支架交流输出的零线使用，雷击时作为防雷接地的设施。

（二）单体接地

有些地区的光伏电站的输入电电杆经常会被雷击，并且为之相对固定，在这些固定的电杆上单独安装上避雷装置，埋设相应的接地体，能够起到良好的接地防雷效果。

（三）组合接地

由许多共体和单体接地的组合而成，一般为环形、四方放射形或者其他形式的安装布置。在做环形布置的时候，环线不能有开口端，为了减小接地体之间的屏蔽作用，相领接地之间的距离应小于3m，接地体的上端需要采用镀鋅扁钢或者圆钢连成一体，上端距离地平面图小于1.5m。

结束语

随着对并网光伏电站越来越多的研究和认识，以及光伏电站的优势使得其在国家电网中发挥着越来越重要的作用，作为一种新兴发电系统，逐渐得到广泛应用。由于装设位置大部分在旷野中，在山头上，因此遭受雷击的概率很大，只有充分重视和掌控防雷的技术，并且采取相应的措施，才能够确保光伏电站的正常运行。

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作者简介：

王慧琴，1971年，河南卫辉市，汉族，应用气象工程师，研究雷电预测预警方向.