浅谈并网系统光伏电站防雷设计
2021-09-06 09:57:53 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要:本文指出了雷击对并网系统光伏电站的主要危害形式及所对应的雷电防护措施。依据相关的防雷及电气接地规范，针对并网系统光伏电站提出了防雷设计方案并做了详细的阐述。在光伏电站的防雷设计中，应考虑雷电会通过何种形式对哪些设施造成损害，才能针对性采取有效的措施，以达到防护的目的，从而保证其长期稳定、安全可靠地运行。
关键词:光伏电站;并网;防雷
0 引言
太阳能属于可再生能源，具有清洁无污染、储量大、可再生等特点，是目前人类所知的可利用的新能源之一。党的十九大报告中提出了要推动能源转型，减少煤炭消费，坚定不移地推进清洁发展。2018年据相关权威机构预测，全球新增光伏装机约106GW，中国新增装机规模约40GW。
雷电防护对整个光伏电站来说，是一个不可或缺的组成部分，它关系到电站能否平安正常的运行和电站人员的安全。作为未来新能源的主要选择，国内尚无一个详细的设计规范来明确如何进行光伏电站的防雷设计，因此本文主要针对光伏电站的防雷方法结合工作经验及相关规范，进行总结和归纳，陈述个人观点。
1 并网光伏系统的组成及主要需防护雷击设施
光伏发电系统主要分为3大类:独立，分布式和并网光伏发电系统。本文主要针对并网发电系统进行相关探讨。并网光伏发电系统工作原理是由地面光伏方阵将太阳能转化为直流电能，通过汇流箱汇流后输送到的直流配电柜，然后输送到并网逆变器上，逆变器将直流电转变成交流电后，传输到交流配电柜，并经升压后，送至电网。
并网光伏电站主要由光伏方阵，汇流箱，直流输电线缆，直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜，升压变压器、送出线路及计量、控制、通讯等设备组成。本文中暂不考虑蓄电池组、蓄电池控制器及太阳跟踪控制系统。
雷电对并网光伏电站的危害主要分为3种类型，分别为直击雷，闪电电涌侵入以及设备机房的雷击电磁脉冲。
直击雷:当雷击于地面光伏方阵、设备机房或送出线路上，经过其对地放电产生的电击时，由于雷电流的高温热效应，在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力，可使人体组织、建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等。
闪电电涌侵入:雷击在输出线路、直流电缆线路或金属管道上时，雷电流沿电缆线路或金属管道侵入室内，或者雷击在电缆线路或金属管道附近时，由于雷电流变化梯度大而产生强大的交变磁场，使得雷击点附近的金属导体产生感应电流，感应电流沿着金属管线侵入设备机房内，损坏设备或者危及人身安全。
设备机房的雷击电磁脉冲:雷击建筑物或附近时，雷电流进入建筑物的防直击雷系统时所产生的迅变电磁场，它会对周围的一切电子设备发生作用。这种磁场变化引起的电场变化可能导致机房内部通讯、监控等系统的电子、电气设备失效。
综上所述，并网光伏电站需采取雷电防护措施的组成部件有:地面光伏方阵、直流输电线路、金属管线、送出线路、建筑物机房及设备机柜(含直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜，升压变压器及计量、控制、通讯设备等)。
2 并网系统光伏电站防雷方案
2.1防雷类别确定
光伏电站的光伏方阵属于露天场所，一般分布于空旷开阔的场地，而且分部面积较大，遭受直击雷击的概率自然会相对应的增加。防雷类别参考《建筑物防雷设计规范》对粮、棉及易燃物大量集中的露天堆场的按照三类防雷建筑物的判定，虽然光伏方阵不属于易燃物，但是投资巨大，如果因雷击造成人员伤害或设备损害，其损失也是巨大的。光伏方阵虽存在较低火灾危险，但从减少经济损失的角度出发，对光伏方阵进行防雷设计是非常必要的。综合各方面因素，建议按三类防雷建筑物考虑。
2.2直击雷防护
直击雷防护主要分为3个部分，设备机房，地面光伏方阵及送出线路。
2.2.1设备机房直击雷防护措施
设备机房直击雷防护应按照三类防雷建筑物来考虑设计，采用φ12mm镀锌圆钢作为接闪器，敷设在屋角、屋檐和檐角等易受雷击部位，并在整个屋面组成不大于20m×20m的接闪网。利用建筑物混凝土柱内2根φ≥16mm主筋作为引下线，其间距不大于25m，引下线上端与接闪带连接，下端与基础接地网连接。
2.2.2地面光伏方阵直击雷防护措施
光伏方阵的光伏组件可利用其金属边框作接闪器、金属支架作接地线，场站内应采用由垂直接地极和水平接地极共同组成的人工接地网，利用∟50mm×50mm×5mm角钢作为垂直接地极，在土壤中的埋设深度不应小于0.5m，采用40mm×4mm扁钢作为水平接地极，挖沟埋设，垂直接地体的间距应大于埋深的两倍并均匀布置。固定在同一金属框架上的光伏组件，其金属框架接地点应大于2点，且每个接地点间隔距离不大于25m。光伏方阵的防雷接地应与其保护接地、系统接地以及设备机房的接地系统共用同一接地装置;共用接地装置的接地电阻，应符合各接地系统*小值的要求，一般不大于1Ω。
2.2.3送出线路直击雷防护措施
送出线路应通过装设避雷线来降低直击雷造成的危害。
2.3防闪电电涌侵入的要求
防闪电电涌侵入主要针对出、入户金属管线的防护，包括直流输入电缆、金属管道、汇流箱、送出线路的防护。
2.3.1直流输电线路及金属管道防闪电电涌侵入措施
为减少雷电流或电涌电流通过直流输电线缆进入机房，直流输电缆应采用屏蔽电缆，其屏蔽层应至设。金属管道至少在始、末端、分支处、进入防雷区交界处做等电位连接，从而避免雷电流或电涌电流通过直流输电线进入机房，使设备机柜遭受损害。
2.3.2汇流箱防闪电电涌侵入措施
应在汇流箱内装设直流电涌保护器，即分别在汇流箱输出端在正极对地、负极对地、正极对负极之间安装，直流电涌保护器的主要技术参数应满足:额定冲击电流Iimp≥12．5kA(10/350μs)。当场站内的光伏方阵或附近地面遭受雷击时，输电线路中形成的雷电流或电涌电流会通过汇流箱中的电涌保护器进行泄流。另外根据实际直流输电线路数量，若需要进一步减小电涌电流，可在多级汇流箱中增设能量相匹配的电涌保护器以达到目的。
值得注意的是安装在汇流箱处的直流电源电涌保护器应满足光伏系统的应用特性要求，且*大持续工作电压应大于或等于光伏组件的*高开路电压，综合采用以上措施，尽可能的降低闪电电涌电流。
2.3.3送出线路防闪电电涌侵入措施
送出线路的防闪电电涌侵入措施，主要是在变压器高压侧装设氧化锌避雷器，利用氧化锌避雷器良好的非线性伏安特性的特点，将线路上电涌电流导入大地。
2.4雷击电磁脉冲防护措施
雷击电磁脉冲的防护主要针对于机房内设备，分为屏蔽、等电位及综合布线:应在线路出、入户处设置等电位连接端，机房中所有的进出金属管道或线路屏蔽层均应在防雷区交界处做等电位连接。同时，机房内设备机柜、金属桥架、金属管、屏蔽线缆金属外层、设备安全保护接地、电涌保护器接地端等均应以*短的路径与S型结构的接地基准点或M型结构的网格连接。机房等电位连接网络与光伏方阵的接地体应保持同一电位，以防止电位差产生的反击。
直流配电柜内根据工作电压要求，应装设适配的直流电涌保护器，逆变器每路直流的输入端可根据实际情况选择是否装设电涌保护器，以达到降低雷电流产生的残压，使其小于设备耐受电压的目的。升压变压器的低压侧应安装Ⅰ级试验(额定放电冲击电流Iimp≥12．5kA)的电涌保护器，高压侧安装氧化锌避雷器。另外机房内布置信号线缆的走向时，应尽量减小由线缆自身形成的感应环路面积(图1)。信号线路电涌保护器的选择，应根据线路的工作频率、特性阻抗、传输介质、工作电压、接口形式等参数，选用电压插入损耗小、分部电容小、并与纵向平衡、近端串扰指标适配的电涌保护器，设置在防雷区界面处。
3 安科瑞APV防雷光伏汇流箱
在一个大型的光伏发电系统中，需要数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到*高。APV系列智能光伏汇流箱在提供汇流防雷功能的同时，还可提供光电池电流 测量、监測光电池阵列中电池板运行状态、电池电压、汇流总功率、支路功率、汇流箱防雷器状态采集、直流断路器状态采集、继电器接点输出、带有风速、温度、辐照仪等传感器接口的功能供客户选择，本装置标配有RS485接口，可以把测量和采集到的电量数据和设备状态上传到监控系统。
产品特点
符合《CGC/GF 037： 2014》光伏方阵汇流箱技术规范；
防护等级为IP65,满足室内外安装要求；
采用霍尔传感器，隔离测量，*大16路输入；
采用光伏专用熔断器，耐压DC1kV,熔断电流可选择；
可选电压测量功能,*高测量电压DC 1kV；
可选外部传感器输入接口，可监测辐照、温度、风速等；
具有RS485通讯接口，使用ModBus-RTU通讯协议；
多种供电方式（DC24V、AC/DC220V、DC1000V. DC1500V）可选择，适用于家用屋顶太阳能或*光伏电站应用;
可根据客户需求配用国内外*品牌厂家的光伏专用直流断路器，光伏专用直流熔断器、防雷保护器等元件。
安科瑞AGF-MxxT系列穿孔式光伏汇流采集装置是专门应用于智能光伏汇流箱，用于监测光电池阵列中电池板运行状态，组串电流测量，汇流箱中防雷器状态采集、直流断路器状态采集、装置带有RS485接口可以把测量和采集到的数据和设备状态上传。
依据CNCA/CTS 0001-2011A光伏汇流设备技术规范设计，具有以下特点：
1、一次电流采用穿孔方式接入，*大20A，穿孔方式接入，安装方便，安全性高；
2、带3 路开关量状态监测，可以对汇流箱内的防雷器、断路器状态进行监控；
3、具有内部测温功能，可实时监测箱内温度，保证电气安全；
4、具有*大DC 1500V母线电压测量功能；
5、可就地显示/液晶显示头，方便调试维护；
6、具备RS485接口，Modbus-RTU协议，将监测数据上传至后台系统
4 结语
雷电被列为*自然灾害之一，虽然雷击是小概率事件，但是遭受雷击所造成的损害是巨大的，所以要本着预防为主，防治结合的理念，做好雷电的防护工作，不能存在侥幸心理。在光伏电站系统中，应考虑雷电会通过何种路径对哪些设施设备造成影响，才能采取有效的措施，保证其平安、健康的运行。根据多年在防雷行业工作中所积累的经验及知识，笔者以自己的理解并结合相关防雷及电气规范对光伏电站的防雷进行了一些探讨，希望能为相关从业人员提供参考。
【参考文献】
[1] GB50169－2016,电气装置安装工程接地装置施工及验收规范［S］
[2] GB50057－2010,建筑物防雷设计规范[S]
[3] GB50343－2012,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S]
[4] GB /T32512－2016,光伏发电站防雷技术要求[S]
[5] 邵振辉.并网系统光伏电站防雷设计浅谈.
[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：王蒙蒙，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用
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