光伏电站的防雷接地技术

光伏电站的防雷接地技术

为确保光伏发电系统安全可靠运行，光伏发电系统的防雷设计也越来越受重视。本文简单阐述光伏发电系统的防雷和接地技术。

标签： 光伏电站；防雷；接地

当前，我国太阳能光伏发电产业迅速发展，以不使用燃料，不产生噪声、废气优势，成为一种最具可持续发展理想能源，广泛应用于工业，农业、科技、国防、通信、交通等方面。但光伏电站多建于偏远的地方，极易受雷击，造成设备受损和停电，甚至威胁人身安全。因此，光伏发电系统的防雷和接地的设计就显得尤为重要。

一、雷电的危害

雷电是非常常见的一种自然现象，产生于大气中带电云块之间或带电云层与地面之间。多发生于山区，土壤电阻率突变和潮湿阴冷的地方和孤立高耸地物体上。

大气雷云对地面的放电呈现阶跃式，先出现“先驱放电”，放电脉冲以105～106m/s的速度和约30～100us的间隔阶跃式地向地面发展，当达到地面的距离为“击距”时，与地面物体向上产生的迎面先导会合，开始“主放电”阶段。“主放电”的过程约为数十至数百微秒，速度为108/S，雷电流幅值可达数十至数百千安。紧接着的“余光阶段”电流约数百安但持续时间约达到数十至数百毫秒。也就是说放电时间极短，但是伴随着雷电的向地的闪击，将产生静电感应过电压、电磁感应过电压和电涌效应和热效应和机械效应，这些过电压和各种效应将会对电气设备、电子器件产生破坏性损伤。

太阳能光伏电站一般设置在开阔的地方，在雷电发生时，不管是感应雷，还是直击雷，都会有可能对孤立的电站发生巨大的雷击现象。对于并网的光伏电站，不仅会造成太阳能组件和逆变器造成毁坏，而且会造成电网整个系统的瘫痪。太阳能组件和逆变器及其他电气设备的造价昂贵，在整个投资中，占有绝对大的比例。如果遭受雷击，带给光伏发电系统的不仅仅是经济的损失，更重要的关系到国民生计和国家安全的保证。如果光伏组件遭到雷击，会造成该组组件发电功率降低，总发电量就会减少，经济效益就会下降。如果逆变器遭到雷击，也有可能损坏，带来的后果是总投资额会增大，同时后期设备的维护费用也将使总投资额增加。最终造成光伏发电站的投资达到盈亏平衡点的时间延后和投资回收期的延长。所以在设计光伏电站时，必须注意防雷接地的合理性，做到减少最大损失，做到防患于未然。

二、防雷技术

作为最昂贵的部件，太阳能电池方阵占地面积大，电池的组件边框采用铝合金。因此针对屋面和内部系统，采取直击雷和雷击电磁脉冲防护措施，而良好的接地是整个防雷工程的有效保障。

1、直击雷防护。直击雷防护主要采取避雷针、带、线，可采取提前放电式避雷针。它是一种具有连锁反应装置的主动型避雷系统，在传统避雷针的基础上增加了一个主动触发系统，提前于普通避雷针产生上行迎面先导来吸引雷电，从而增大避雷针保护范围，可比酱通避雷针降低安装高度。采用提前放电避雷针，能大量减少避雷针的数量，降低避雷针的安装高度，减小对太阳电池方阵的遮挡影响。确定接闪器的安装位置及高度时，需先确定太阳能光伏方阵的防雷等级，根据防雷等级采用滚球法设计，同时考虑对太阳能电池方阵的阳光遮挡问题，布置的避雷针不能影响太阳能电池板接收的阳光。太阳能光伏发电系统的太阳能电池板一般安装在建筑物的屋面上，如太阳能电池板不在建筑物原有防雷装置

的保护范围内，应对其采取防直击雷措施。根据GB50057的规定，对于一般公共建筑物上的太阳能电池板可按60m滚球半径采取防直击雷措施。太阳能电池板的金属支架应与避雷针做可靠的等电位连接，并与屋面防雷装置相连。太阳能控制器和逆变器一般都安装在室内。

2、防雷击电磁脉冲。雷击电磁脉冲没有直击雷强烈，但是发生概率却非常高，目前常采用的防护措施主要有等电位连接、屏蔽和加装电涌保护器。为了减小不同金属物之间的电位差和故障电压危害，太阳能电池板的四周铝合金边框和金属支架，控制器、汇流箱、逆变器的金属外壳，金属管（槽），线缆的金属屏蔽层及避雷带等应根据GB50057的规定采取良好的等电位连接措施。为减少电磁干扰，太阳能电池板的入户线路应以合适的路径敷设并做好线路屏蔽。线缆应选用有金属屏蔽层的电缆并穿金属管敷设。在防雷区界面处电缆金属屏蔽层及金属管（金属管应两端接地）应做等电位连接并接地。入户线路和防雷连接线需分开敷设，保持最小平行间距1m，最小交叉间距0.3m。

为了防止雷击电磁脉冲产生的过电压及过电流经入户线路侵入损坏室内的光伏发电设备，对光伏发电系统的线缆應加装多级防浪涌保护装置进行防雷保护。首先，应该在太阳能电池方阵的直流输入线路安装直流避雷器，根据线路长度和工作电压选用标称放电电流≥10kA适配的SPD该浪涌保护器内部应包括差模滤波器，以帮助消除线路上传导的电磁干扰，在光伏电站的交流输出供电线路上安装交流避雷器。其次，由于控制器和逆变器均为价格昂贵的设备，应在控制器和逆变器内安装第2级的电源浪涌保护器，使其具有防雷保护功能。如果逆变器输出到一些较重要的负载设备，还应该在逆变器输出端安装第3级电源浪涌保护器。电源系统和电子系统安装多级SPD时还需考虑多级匹配问题。

三、接地在防雷技术中的应用

在现行的防雷措施中，最为有效而且使用最广泛的方法就是将电气设备或金属部件与大地之间作良好的电气连接，称为接地，接地系统由被接地的设备、接地引入线、接地体和大地组成，良好的接地是防雷成功的前提，接地的方式常分为：共体接地、单体接地和组合接地。

共体接地：由于光伏电站的建设位置一般靠近生产生活区，土壤的电阻率都不高，电位分布衰减较快，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进口的接地体套件进行安装埋设。在地面上挖一个深为30mm左右的洞，在洞底放些普通食盐，将接地体套件放入洞中央，再用PVC管垂直套住接地体，用泥土将PVC管内和管外填满，并用铁锤把泥土夯实，最后在上面撒一些碎石子和浇水加固。用同样的方法构建另外两个的接地体，三个接地体组成等腰三角形布置，三个接地体之间用35mm的裸铜钱连接后，构成光伏电站内的一个共用接地体。这种接地体和接地的特点是不用埋设很深和很多接地体，就能使接地电阻控制在4N以下。光伏电站所有电子设备的外壳、避雷针、太阳电池方阵支架和逆变器交流输出的一端都连接在共用接地体上，平时作为接地保护和交流输出的零线使用，雷击时作为防雷接地设施。

单体接地：有些地区光伏电站输电电杆也常常会被雷击，且位置相对固定，因此，在这些特定的电杆上单独安装避雷会，埋设了相应的接地体，能起到良好的接地防雷效果。具体操作的接地设备采用长为2m的镀锌角钢和镀锌扁钢。

组合接地：由许多共体和单体接地的组合而成，一般为环形、四方放射形或其它形式安装布置。在做环形布置时，环线不能有开口端；为了减小接地体之间的屏蔽作用，相邻接地体之间的距离应不小于3m，接地体的上端要采用镀锌扁钢或圆钢连接成一体，上端距离地平面图小于1m。

四、结论

雷电会对建筑物及电气设备造成严重破坏。在独立光伏电站的防雷设计中.应当选择合理的设计方案，采取有效的措施.做好独立光伏电站的防雷设计。防止直击雷、感应雷、雷电波对独立光伏电站设备的破坏，这样才能保证独立光伏电站长期稳定、安全、可靠地运行，为用户提供优质的电能。

参考文献：

[1]陈慧玲.浅谈独立光伏电站防雷与接地装置[J].青海科技，2005，12.

[2]张跃，马勇刚等.云南德援光伏电站的防雷接地技术[J].太阳能，2006，6.