淺談大型地面光伏電站的防雷保護

中電投電力工程有限公司 ■ 張禮彬

0 引言

太陽能發電作為一種潔凈可再生的新能源，越來越受到人們的重視，其中光伏發電技術及其產業的快速發展有目共睹。如今，國內光伏發電的主流形式與國外分布式發電有所不同，主要以大規模集中并網的光伏電站為主。其中大型地面光伏電站所處地形一般為開闊平地或山地丘陵，由于大面積的金屬部件及大量電氣設備布置于光伏陣列區域，雖然構筑物高度都較低，但仍較容易受到雷擊而造成設備損壞，導致停電故障，影響光伏電站發電可靠性。隨著光伏發電裝機容量在電源結構中所占比重的增大，對于光伏電站安全穩定運行的要求也越來越高。因此，逐步完善大型地面光伏電站的防雷保護措施勢在必行。

目前，針對大型地面光伏電站的防雷接地規范尚未實施，光伏電站的防雷設計主要參照GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》，其適用程度具有一定的局限性。本文依據現行規程規范，從工程實際經驗角度出發，綜合考慮工程經濟性，介紹較為可行的大型地面光伏電站防雷接地設計方案。

1 光伏電站防雷保護設計范圍

大型集中并網型地面光伏電站主要由光伏發電方陣、集電線路、管理區及升壓站組成，對于總裝機容量較大(一般在50 MWp以上)或位于復雜地形(山地丘陵)的光伏電站，還可適當采用架空集電線路，在適當區域設置局部匯流站。其中，管理區、升壓站、匯流站、逆變器室，以及架空輸電線路的防雷保護設計已較為成熟，可參照相應的規程規范進行防雷保護設計。

對光伏電站的光伏發電陣列區域防雷保護設計，涉及的設備及構筑物包括：光伏電池組件、組件支架、匯流箱、陣列升壓箱變、布置于逆變器室內的直流配電柜、逆變器等。

2 光伏陣列區常規防雷設計方案

雷電對大型地面光伏電站的危害方式有直擊雷、感應雷和雷電侵入波3種。

光伏發電方陣占地面積較大，若在陣列中裝設避雷針不但工程量較大，且會對光伏組件產生光斑效應，直接影響組件壽命及整個電站的發電量。因此，目前的光伏發電陣列均不配置避雷針，主要通過電池組件和支架與廠區接地網連接進行直擊雷和感應雷保護，但組件支架作為接閃器的可靠性仍需進一步驗證。另外，為防止集電線路上雷電侵入波電壓，匯流箱、直流配電柜、逆變器及箱式變電站內均逐級裝設避雷器。

3 光伏發電方陣區防雷裝置

3.1 晶硅光伏組件邊框作為接閃器的可行性

光伏發電方陣區域內的大面積金屬部件主要是指晶體硅光伏組件的鋁合金邊框及與其連接的鍍鋅鋼組件支架(位于組件下部)。因此，對光伏發電陣列區的防雷保護，最可行的方案便是考慮組件邊框兼顧防雷接閃器，或根據組件實際布置情況在最上層組件上部增設避雷帶。前者是目前國內采用晶體硅光伏組件的光伏電站主流的防雷設計方案，后者則為采用薄膜型光伏組件(無金屬邊框)的光伏電站主要考慮的防雷設計方案。

3.1.1 材料及截面校驗

晶體硅光伏組件的鋁合金邊框一般為截面厚1.6～2 mm、高度h為40 mm或50 mm、剖面寬度b為10 mm的中空幾何結構(如圖1所示)，截面積一般在220 mm2左右。

圖1 典型組件邊框剖面結構示意圖

根據GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》中對接閃器的材料、結構和最小截面要求，若接閃帶材料為鋁合金單根扁形導體時，其最小截面積不應小于50 mm2、厚度不小于2.5 mm；為鋁合金單根圓形導體時，其最小截面積不應小于50 mm2、直徑不小于8 mm。可見，雖然晶體硅光伏組件的鋁合金邊框截面積遠大于規范對接閃器的要求，但其截面結構并不能完全滿足接閃器要求。因此，需對其承受雷擊電流的熱穩定和動穩定進行校驗。

雷電流的參數采用《建筑物防雷設計規范》中的3類建筑首次正極性雷擊的雷電流參量、首次負極性雷擊的雷電流參量、首次負極性以后雷擊的雷電流參量、長時間雷擊的雷電流參量。對于平原和低建筑物典型的向下雷擊，可能出現的最嚴苛的情況是首次正極性雷擊，其參量如下：幅值為imax=100 kA，半值時間t=350 μs，電荷量Q= 50 C。

1) 熱穩定性校驗

按式(1)校驗：

式中：S為載流截面， cm2；I 為耐受電流，A，I=Q/t；t為電流持續時間，s；C為導體材料及發熱溫度有關的系數，按鋁合金允許最高溫度200 ℃考慮，C=87。

經計算：

因此，典型的晶體硅光伏組件鋁合金邊框能滿足雷電流熱穩定性要求。

2) 動穩定性校驗

考慮雷電流流過組件邊框時，兩塊光伏組件的相鄰邊框間會產生較大的、近似于沖擊電流流過兩個同相導體間所產生的機械應力。

圖2 典型組件支架示意圖

典型組件支架形式示意圖如圖2所示，采用典型組件支架形式，按式(2)效驗：

經計算：

σx=(0.255×9002)/(40×102)=51.6＜68.6 N/mm2(鋁合金最大允許應力為68.6～70 N/mm2[1]

因此，典型晶體硅光伏組件鋁合金邊框按典型方式安裝，能滿足雷電流動穩定性要求。

3.1.2 保護范圍校驗

光伏陣列的運行方式有固定式，以及單軸跟蹤、斜單軸跟蹤、雙軸跟蹤方式。目前，固定式的運行方式仍是國內光伏發電站的主要設計方案。因此，此處以簡單的固定式布置于水平面上的方案作為分析對象，選用尺寸為1.65 m×0.99 m×0.004 m的常規晶體硅電池組件，布置方案采用雙排豎向排列方案，如圖3所示。圖中，α為組件支架傾角；h為組件最底部距離地面距離；H為組件支架高度。組件支架傾角由最佳傾角計算得到，取值一般為光伏電站所在地區緯度減1°～5°；組件最底部距地面距離根據光伏電站場地情況一般在0.3 ～0.5 m。此處距地面距離按h=0.5 m考慮。據此，分別采用滾球法對光伏組件邊框作為避雷接閃器的保護范圍進行校驗。

圖3 典型光伏組件布置方案示意圖

滾球半徑按一類建筑45 m考慮，假設0＜α＜90°，如圖4所示。考慮滾球保護范圍剛好能夠覆蓋全部組件及其支架的極端情況(如圖5所示)，則可推得不等式：

其中：H=(3.33sinα+0.5)m。

經計算可得：α≥13.77°，即當安裝傾角大于13.77°時，組件頂部鋁合金邊框的保護范圍便可覆蓋全部光伏組件及其支架。目前，國內光伏發電站所處緯度一般在不小于北緯20°的區域。因此，大型地面光伏電站組件布置的最佳傾角一般不小于15°，即大于α，滿足保護范圍的要求。

圖4 典型組件支架布置的防雷保護范圍示意圖

圖5 極限保護范圍時的傾角計算圖

3.2 晶體硅光伏組件邊框與支架連接

光伏電站設計規范中要求晶體硅光伏組件的金屬邊框必須可靠接地，目前建成或在建的光伏電站主要依靠組件固定螺栓連接或增設連接銅線兩種方式。其中，后者一般采用1根BV-1×4的導線通過組件接地孔將組件與支架進行電氣連通。

然而，若同時考慮以此作為防感應雷的等電位連接時，則不能滿足規范要求。根據《建筑物防雷設計規范》要求，從等電位連接帶至接地裝置或各等電位連接帶之間的連接導體材料為銅時最小截面為16 mm2，材料為鋁時最小截面為25 mm2，材料為鐵時最小截面為50 mm2。

故對BV導線的截面要求應當不小于16 mm2。由于大型地面光伏電站的光伏組件數量龐大，采用這一方案明顯會增加不少工程投資。因此，直接利用光伏組件與組件支架的機械連接(螺栓或壓塊安裝，壓塊安裝需要刺破陽極氧化膜)作為等電位連接更為合理，既能滿足等電位可靠連接的要求，又不額外增加工程設備材料投資。

4 結論

1)采用晶體硅的大型地面光伏電站的陣列區域防雷保護一般不采用增設避雷針、避雷帶、避雷線等接閃器的措施；采用薄膜光伏組件的地面光伏電站，可在充分考量工程經濟性的前提下在光伏組串最高點設置避雷帶進行防直擊雷保護。

2)當光伏組件采用常規安裝方式時，典型的晶體硅光伏組件鋁合金邊框作為防雷保護接閃器的熱穩定、動穩定，以及保護范圍均能滿足要求。

3)光伏組件等電位連接應盡量利用組件與支架的機械連接，以減少工程投資，簡化設計方案。

[1]西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊(電氣一次部分)[M].北京:中國電力出版社, 2011.

[2]GB50057-2010,建筑物防雷設計規范 [S].

[3]鄭軍.光伏電站的防雷接地技術[J].民營科技, 2011, 3:51.