山地光伏電站防雷安全有效性分析

浙江正泰新能源開發有限公司 ■ 盛春楊松 沈道軍 羅易 李春陽 諸榮耀 周承軍

山地光伏電站防雷安全有效性分析

浙江正泰新能源開發有限公司 ■ 盛春*楊松 沈道軍 羅易 李春陽 諸榮耀 周承軍

對雷電特性分析確定其對光伏電站的危害，并結合光伏電站受雷擊造成損壞的實例，介紹一系列提升山地光伏電站防雷安全有效性的措施。

雷電；山地光伏電站；二極管；防雷有效性

0　引言

隨著傳統能源日益短缺、光伏技術快迅發展及人們環境保護意識的增強，光伏電站裝機量和建設規模不斷擴大，同時電站形式也日新月異。為確保光伏電站的安全穩定運行，防雷設計的有效性、安全性日益重要，尤其像新興的山地、梯田等運維難度高的電站，運行的穩定性、安全性更為重要。山地光伏電站的防雷與普通光伏電站的防雷既有聯系又有區別，因此我們借鑒傳統的光伏防雷設計，并結合山地電站的特性設計合理優化防雷方案。

1　雷電作用的形式

雷電是雷云放電的自然現象，擁有巨大的破壞力。其破壞形式主要有：直擊雷、雷電感應和雷電波入侵。

直擊雷是雷電直接擊中電力設備、建筑物或其他物體的作用形式。被直擊雷作用的物體，其電位會驟升，從而形成過電壓。通常電力設備會因過電壓產生閃絡或損壞，而且雷電波還會沿線路和導體傳播。若直擊雷作用的電力設備或建筑物帶有防雷引下線，人在引下線接地點附近就會受到跨步電壓和接觸電壓帶來的生命危險。直擊雷放電短暫，產生的巨大電流可直接使電力設備、建筑物造成物理損壞、火災，甚至發生爆炸事故。

雷電感應是指雷云放電過程在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應，它可能使建筑物金屬部件之間產生火花放電，也可能導致電力線路的絕緣閃絡和損壞［1］。靜電感應是因雷云放電前攜帶大量電荷與電力設備等物體之間形成感應電荷，若感應電荷量過大且不能及時稀釋，被感電力設備就會過電壓，從而受損。

雷電波入侵是指電力設備受到直擊雷或感應雷，雷電波沿著線路或導體入侵到電力系統中，造成更大范圍的雷擊損壞。

2　傳統設計下電站受雷電危害實例分析

2.1設計

傳統的光伏電站防雷設計主要側重于入侵雷電保護和配電室、升壓站等二次建筑的直擊雷防護。下文我們介紹的項目延用了常規設計。

1）直擊雷保護。在電氣配電室與辦公樓安裝避雷帶，以保護其免受直擊雷的危害。考慮到太陽電池板安裝高度較低，光伏組件方陣內不安裝獨立接閃器防直擊雷裝置，只在分站房上裝設防雷避雷帶防直擊雷。

2）侵入雷電波保護。為防止侵入雷電波對電氣設備造成危害，在35 kV線路進出端、35 kV升壓變高低壓側、35 kV段母線、直流匯流箱、匯流直流柜和逆變器的進出口側安裝防雷模塊。

3）接地。系統各設備的保護接地、工作接地合二為一。所有的屏柜體、打印機等設備的金屬殼體可靠接地。全站的總的接地電阻值≤4 Ω，但微機保護接地電阻≤2 Ω。光伏組件采用接地電纜將組件支架與廠區接地網連接。

2.2實例

A公司建設于海拔850～1000 m的某山地光伏電站，在2014年9月受雷擊造成200余塊電池板損壞。失效形式主要表現在接線盒功能異常，成因多為二極管擊穿損壞呈電阻性過度發熱所致。

1）接線盒溫度異常，溫度明顯高于正常接線盒，內部焊錫重熔。損壞接線盒與正常接線盒測溫對比見圖1，接線盒內部焊錫重熔見圖2。

圖1　異常接線盒檢測溫度與正常接線盒檢測溫度對比圖

圖2　損壞接線盒內部焊錫重熔圖

2）盒內二極管均正向VF-High反向電壓擊穿，取其中1個接線盒內的3個二極管做電性分析，所得數據見表1。

表1　雷擊損壞二極管電性測試

3）內部晶粒出現缺損、崩邊與燒傷。該次雷擊事故造成損壞的接線盒解剖至晶粒圖見圖3。

圖3　接線盒解剖圖（晶粒）

2.3分析

光伏組件遭受雷擊時損壞有下列3種途徑：

1）電擊損壞。接線盒中旁路二極管遭受短時反向高電壓造成擊穿損壞；當雷擊電流正向通過二極管，此時不會受損；但當雷擊電流反向通過二極管，此時會反向偏置，二極管將被擊穿，而且根據電流由高壓向低壓處流的原理，會產生逐個擊穿直到地電位或能量消失為止。這就是造成損壞的主要原因，且一般損壞面積大。

2）強電場損壞。旁路二極管是一種靜電敏感電子元件，雷擊發生時，周圍會生成強大的雷電磁場，在高強靜電場作用下，導致其損壞。

3）電容性耦合損壞。當系統電路或系統器件遭受雷擊產生強大的電流時，由于電容的耦合作用，導致另一條線路上產生耦合電流，如果這種耦合電流能量較大，將損毀與之連接的二極管及保險管。

受雷擊程度輕的電站，太陽電池板的p-n結會被擊穿，破壞組串回路，影響整個陣列的發電效率；受雷擊程度重的電站則在逆變器與匯流箱之間、逆變器與變壓器之間、逆變器與直流負載之間等設備輸送電線路上產生浪涌電壓，損壞外圍電氣設備，甚至可能對電網產生干擾。太陽電池板主要由晶體硅半導體組成p-n結，其接線盒的旁路二極管和直流匯流輸出端的防反二極管在正常工作環境下p-n結可承受靜電感應電等一系列高電壓沖擊，但在雷電等超高電壓環境下容易損壞，較輕微的雷擊就可能使其損壞。

3　山地光伏電站的防雷設計及優化

與普通地面光伏電站相比，山地光伏電站具有的特點為：總體地勢高、分布相對分散、區域擁有最高點、多坡多朝向。也正是這些獨特之處，使其與傳統電站防雷設計匹配性不足。總體陣列安裝地勢被迫抬高，在電池陣列端不得不單獨設置直擊雷防護設備。分布分散，光伏組件到直流匯流箱的線路長度相比普通型地面電站，在不同的區域會有不同程度的增加，這使組件遠遠超出直流匯流箱防雷模塊的安全保護距離。

針對山地電站的特點及傳統設計的匹配紕漏，結合雷電不同作用形式，進行不同的防雷設計優化。

1）直擊雷的防護，光伏陣列增加接閃桿。接閃桿采用12 mm圓鋼，為減小接閃桿對電站發電效率的影響，要盡可能避免接閃桿的投影落在陣列上。結合山地電站本身的特性，位置優先選南北坡相交處，既滿足高度優勢也符合避讓投影，具體設計結合各項目實際地況等因素而定。按電力標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定，電力線路等設備的防雷保護接閃桿的防護距離使用“折線法”來計算確定。

在高度為hx的水平面上，保護半徑rx為：

式中，hx為被保護物的高度，m；rx為避雷針在hx水平面上的保護半徑，m；h為避雷針的高度，m；p為避雷針的高度影響系數，當h≤30 m時，p=1；當30 m＜h≤120 m時，p=5.5/√h；當h＞120 m時，p=0.5。

由式（1）可得：rx=1.5hp。

2）感應雷的防護，主要優化走線結合屏蔽原理，電池每列增加限壓防雷模塊。太陽電池板陣列，直流匯線盡可能走太陽電池板下方，借助支架較高的空間位置優先感應，對自身起到保護作用。不能經陣列下走的導線，敷設增套鍍鋅鋼管，并將鍍鋅鋼管與陣列接地扁鋼做可靠的接地措施。接地采用圓鋼或者扁鋼，宜優先采用圓鋼直徑≥8 mm，扁鋼的截面≥4 mm［2］。單個區域內太陽電池板各陣列做等電位鏈接，避免局部地電壓過高，加重設備受感應電壓的損壞程度。

4　結論

山地光伏電站由于地勢高，不對光伏陣列做直擊雷防護設計的傳統防雷設計存在顯著的紕漏。也因其陣列相對分散，迫使陣列組件到直流匯流箱的線程加大，使電池板脫離直流匯流箱防雷模塊的安全防護距離。針對上述兩大問題，主要做以下幾點優化，以提高電站的防雷有效性：1）光伏陣列區依托地形合理增設接閃桿；2）組件到直流匯流箱走線優化結合屏蔽原理，降低導線對雷電產生的感應，電池每列出線斷增設一限壓防雷模塊。

2015-11-12

盛春（1991—），男，系統工程師，主要從事光伏發電系統的技術研究及電氣設計工作。Chun.sheng@astronergy.com

［1］ 翁雙安.供電工程［M］. 北京: 機械工業出版社， 2012， 256-257.

［2］ GB 50057-2010， 建筑防雷設計規范［S］.