光伏系統防雷設計（上）

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1、前言

隨著太陽能光伏電站和併網發電系統的數量、規模和應用規模的不斷擴大和增容。如何減少雷害、減少維護，確保太陽能光伏併網發電系統安全可靠運行。對太陽能光伏併網發電系統的《防雷與接地設計》必須引起高度的重視。太陽能光伏併網發電系統的防雷與接地和一般電器的防雷既有區別又有聯繫，因此，要根據太陽能光伏電站及併網發電系統的特點、跟據站場、地域和氣候特點來進行綜合設計，以開放性大系統理論為指導，通過電氣工程師、防雷工程師、基建工程師的通力合作，才能提高電站建設的質量，保證電站的安全運，獲的良好的效費比。

2、 雷電的危害

直擊雷是由積雷雨雲中電場突變，水滴群集合電子破發對大地或雲間放電現象，地面上的建築物或構築物突出部形成接閃或尖端放電，電離通導的形成，流光柱下行，即直擊雷。一個直擊雷在2.5平方公里的範圍內，由於電磁場作用對遠處或防雷保護區之內的導線、金屬管道，均能形成感應場，同時可以通過導線和金屬管道傳輸到電子設備和太陽電池組件上，強大的衝擊電流、熾熱的高溫、猛烈的衝擊波，強烈的電磁輻射，所以能損壞放電通道上的輸電線和電子設備，造成財產損失，甚至擊死擊傷人畜，造成生命損失。

雷雲下表面分佈著大量負電荷，對大地形成靜電感應，並使各種金屬支架和電纜等感應出高電壓。閃電電流在閃電通道周圍的空間產生強大的電磁場，使周圍的各類金屬導體上產生感應電動勢或感生電流，從而損壞設備。並且雷電感應高電壓和雷電電磁脈衝的作用範圍廣，作用方式比較隱蔽，所以其後果往往比直擊雷更嚴重。

如果沒有採取等電位連接和鉗位措施而且避雷針引下線與導線、金屬管道或電器設備的工作地線間的距離小於安全間距，雷擊發生時，導線感應雷電流，或者雷擊建築物導致地電位抬高，都會使設備的電源線、信號線和接地線之間存在電位差，如果電位差超過設備的耐受能力，則該設備必然被擊壞。

3、太陽能光伏電站及併網發電系統的防雷設計

設計思路：環境識別、地線優化、埠加固、空域防護。

太陽能光伏電站及併網發電系統的基本組成為：太陽電池方陣、直流配電櫃、交流配電櫃和逆變器等。太陽電池方陣的支架採用金屬材料並佔用較大空間且一般放置在建築物頂部或開闊地，

跟蹤器9台，按照3×3的矩陣排列，跟蹤器與跟蹤器之間的間距為17米。跟蹤器長寬高分別為9.8×7.3×6。

在雷暴發生時，尤其容易受到雷擊而毀壞，並且太陽電池組件和逆變器比較昂貴，為避免因雷擊和浪涌而造成經濟損失，有效的防雷和電涌保護是必不可少的。太陽能光伏電站及併網電站防雷的主要措施有：

1） 氣象資料與地堪（環境識別）

雷暴日、地形地貌、土壤電阻率、凍土層深度、風口方向。

2）外部防雷（空域保護）

裝置主要是避雷針、避雷帶和避雷網等構成，通過這些裝置可以減小雷電流流入建築物內部產生的空間電磁場，以保護建築物和構築物的安全。防直擊雷裝置應嚴格按照國標B50057-94《建築物防雷設計規範》的要求進行設置，其中避雷針必須按滾球法計算其保護範圍和高度。

滾球法計算保護範圍公式：

方案一：採用傳統避雷針，保護角按上述計算公式設計，3×3陣需要四根。LAZQ 120C（不含桅杆）。

方案二：採用CDP天幕拒雷裝置，可減少傳統避雷針的數量的1/2，3×3陣需要2根。LACPD（不含桅杆）。

3） 接地和搭接（地線優化）

當光伏設備放置在空曠地區時加外部防雷系統，避雷針的布置需要既考慮光伏設備在保護範圍內，又要盡量避免陰影投射到光伏組件上。良好的接地使接地電阻減小，才能把雷電流導入大地，減小地電位，各接地裝置都要通過接地排相互連接以實現共地防止地電位反擊。獨立避雷針（線）應設獨立的集中接地裝置，接地電阻必須小於10Ω。低壓電力設備接地裝置的接地電阻，不宜超過4Ω。光伏設備的接地系統設計為環形接地極（水平接地電極），建議網路大小為20m×20m。固定的金屬支架大約每隔10m 連接至接地系統。太陽能光伏發電設備和建築的接地系統通過鍍鋅鋼相互連接，在焊接處也要進行防腐防鏽處理，這樣既可以減小總接地電阻又可以通過相互網狀交織連接的接地系統可形成一個等電位面，顯著減小雷電作用在各地線之間所產生的過電壓。水平接地極鋪設在至少0.5m 深的土壤中（距離凍土層深0.5m），使用十字夾相互連接成網格狀。同樣，在土壤中的連接頭必須用耐腐蝕帶包裹起來。

等電位連接，實現各金屬物體之間等電位，防止互相之間發生閃絡或擊穿。防雷系統的關鍵部分是太陽能光伏併網發電系統的所有金屬結構和設備外殼連通並接地。具體的做法是：太陽電池組件和支架及設備的外殼直接接到等電位系統上，直流和交流電纜通過安裝電涌保護器間接接到等電位系統上。為防止部分雷電流侵入建築物，等電位連接應儘可能靠近系統的入口或建築物的進線處。

屏蔽，實現建築物、線路和設備對外界的電磁屏蔽隔離，防止電磁脈衝和感應高電壓。屏蔽是當雷電在系統附近的大地放電雷雲在附近經過時，通過降低電磁場與系統輸電線路的相互作用對系統提供保護。屏蔽可以採用密封的導電殼層、同軸外套或內通電纜的電纜管，或者在電纜溝中電纜上面敷高裸露保護線等方式。屏蔽裝置的外殼應連接到設備地線上。

方案一：3×3陣列，將基座鋼筋龍骨，採用編鋼互連（電氣焊接），焊接點的防腐處理，地埋后互通形成以大地網。

方案二：3×3陣列，在直立跟蹤器塔架上，高度大於2米處，架設鋼絞線網格，8×8米網格，要求各節點電氣搭接可靠，接觸電阻要小，可不採用電氣焊處理。

方案三：3×3陣列，在每個直立塔架基礎上，採用深井單根地樁打入方式，50鋼管7×LAD1200加降阻劑材料LAD001(7包)，深度可在5～8米，測量地阻值小於4Ω達標，目的是3×3陣列每個基座的接地電阻誤差最小。可免作地網或架空網減少工程造價，又能達到安全和防雷要求。