山地光伏電站防雷接地整改技術及應用

劉文陽

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

碳中和已成為全球的共識和使命，它帶來了巨大的機遇與挑戰，在這場變革中，以光伏為代表的新能源將逐步由輔助能源轉變為主力能源之一，隨著光伏產業的快速發展，大量光伏電站將建成并運營，如何更加有效地降低雷電對光伏電站設備的破壞，確保光伏電站的安全穩定運行是必須直面的問題。本文通過對存量光伏電站遭受雷擊導致設備損壞進行分析整改，并取得實效的實例，希望能對類似項目提供借鑒，以促進光伏電站防雷設計和施工質量，保障光伏電站的安全穩定運行，發揮光伏發電主力軍的作用。

2 光伏電站遭受雷擊情況

2.1 光伏電站概況

光伏電站位于湖南省常德市石門縣境內，海拔約為350～500 m。項目所處地形為典型丘陵、山地地形，地勢連綿起伏，高度差異較大，氣候溫暖，四季分明，春秋短，夏冬長；熱量豐富，雨量豐沛，春溫多變，夏季酷熱，秋雨寒秋，冬季嚴寒。年雷暴日為54.3（d/a），為多雷區。

2.2 光伏電站雷擊情況

2.2.1 設備損壞情況

2018～2019年，光伏電站數次遭受雷擊，期間造成如下損壞：2018年，8號方陣402塊光伏組件鼓包損壞、2號方陣43塊組件鼓包損壞；2019年，8號方陣27塊光伏組件鼓包損壞、2號方陣16塊組件鼓包損壞；2號方陣1號、2號、4號、5號、11號、14號、15號、19號、21號、22號匯流箱通訊模塊損壞，8號方陣3號、4號、6號、12號、13號、21號，13號方陣1號～3號、9號～10號、17號～21號、23號 匯 流 箱通訊模塊損壞。

圖1 事故發生位置示意圖

2.2.2 專業人員現場勘查情況

雷擊事件發生后，電站組織專業人員進入項目現場進行勘察，對場區的直擊雷系統、電源系統、信號系統、接地系統進行全面的勘測。現場光伏區除本身擁有2座35 kV鐵塔外，無其他防直擊雷措施，鐵塔無外露引下線。

經現場查勘，8號方陣和2號方陣均在35 kV輸電線路鐵塔附近，經測量，鐵塔接地體和方陣光伏組件支架接地體相距僅1 m左右，但施工建設期沒有做等電位聯結，并且接地連接線裸露在外。技術人員選取了3個點檢測，組件的接地電阻分別為2.215 Ω、2.572 Ω、3.827 Ω；鐵塔接地電阻5.393 Ω、5.727 Ω。

2.3 雷擊事件分析

2.3.1 場區環境存在引雷問題

光伏組件占地面積大且處于相對孤立的空曠坡地，雷擊損失嚴重的兩個方陣均在鐵塔附近，更增加了引雷條件。容易在光伏場區上空形成較強的電磁場，從而導致設備損壞。

2.3.2 接地網或接地網連接導線問題

當光伏場區發生雷擊時，會導致光伏區組件和發電設備的瞬間過電壓或過電流，由于鐵塔的地網與組件地網間隔僅1 m左右，容易發生地電位反擊等問題，從而造成組件或發電設備的損壞。

2.3.3 鐵塔附近接地網密度不夠

空曠坡地上的鐵塔易遭雷擊，遭受雷擊時瞬時過電壓或過電流較高，泄流需要良好的地網。現場地網形狀為每個方陣外圍一圈的地網，然后，每排等電位連接。現場勘察發現，雖然檢測地網接地電阻值較好，是因為整個場區的所有組件方陣地網都進行了等電位連接。但組件方陣局部的接地點相距約6 m以上，接地點明顯偏少。

2.3.4 現場檢測數據結果分析

現場接地檢測結果顯示，鐵塔的接地電阻與光伏的地網接地電阻差異較大，在兩者相距僅1 m左右的情況下，可以推斷出鐵塔地網與光伏地網無物理連接。

從光伏場區設備損壞情況來講，損壞設備主要分布在場區2座鐵塔周邊，且損壞設備以電力系統內承壓能力較差的電子元器件為主，同時未發現雷擊起火或大幅值雷電流直接擊毀元器件現象，基本可以排除直擊雷原因。從損壞設備分布及器件損壞特點分析，該事故為地電位反擊所致。

過電壓來自兩種途徑：其一，35 kV高電壓電線的傳導雷電流或操作過電壓，通過鐵塔入地，傳導至光伏地網，繼而至光伏器件；其二，鐵塔遭受直接雷擊，雷電流直接泄放，通過光伏地網傳導至光伏器件。由于雷電流幅值普遍超過1 kV，遠遠高出光伏設備工作電壓，在泄流過程中，越靠近鐵塔的光伏設備，越容易遭受損壞；同時，現場勘察發現，由于浮土的深度有限，接地扁鋼存在外露的現象，存在潛在的人員傷害風險。

3 整改方案及效果

3.1 整改方案

根據光伏電站遭受雷擊導致設備損壞的現場實際情況，通過現場查勘和數據檢測，為有效阻斷鐵塔地網與組件地網之間發生電位反擊，防止場區設備再次遭受雷擊損壞，擬定整改方案：

（1）將鐵塔接地與光伏接地嚴格分開，避免地電位反擊；在鐵塔周邊挖溝，確認鐵塔是否有外引接地，如有，應確保外引接地與光伏接地分開或距離較遠（≥20 m），如無法保證距離，則切斷；

（2）考慮到基礎不可移動，采取將基礎周邊浮土清除干凈，并圍繞基礎，構筑一個閉合的絕緣區域，利用砂礫或瀝青構筑一條從石灰巖層到地面的深溝，深度、寬度均在50 cm左右；

（3）如鐵塔接地電阻不滿足其自身要求，必須要外引地網時，利用絕緣材料將外引地網引出至合適位置，重新做地網。地網水平接地體采用60 mm×6 mm的熱鍍鋅扁鋼，埋設深度0.2 m。垂直接地體采用Φ50 mm鋼管,并敷設高性能長效降阻劑，考慮接地裝置的使用壽命：在敷設高性能長效降阻劑后，由于該降阻劑對鋼接地體的平均年腐蝕率為0.000 49 mm/a，站內接地裝置和外引接地裝置的水平接地體使用60 mm×6 mm的熱鍍鋅扁鋼，Φ50 mm×1 000 mm鋼管，20年僅腐蝕0.049 mm的厚度，保守估算接地裝置的使用壽命可達20年以上。

（4）外引地網與光伏地網要保持距離，如無法保持，按第2條執行。

（5）對8號和2號方陣區域遭受雷擊的組件或匯流箱進行局部接地加強，采用50 mm×5 mm以上的熱鍍鋅扁鋼從地網引出與組件支架或是匯流箱支架可靠焊接，使其遭受雷擊時可以快速泄放。

3.2 整改效果

2020年5月，光伏電站完成現場防雷整改施工。現場施工工藝嚴格按照整改方案實施，并通過強化現場安全監管，確保了項目整改效果。經過兩個雷雨季節的考驗，現場未再發生設備遭受雷擊損壞事件。

4 結論

防雷接地關系到光伏電站的安全穩定運行，雷擊時會有過電壓、大電流，產生機械力和熱效應，從而導致光伏組件等發電設備損壞，甚至有可能引發人身傷亡事故。本文介紹了光伏電站設備遭受雷擊導致損壞的情況，分析了電站在防雷設計和施工中存在的不足，提出了整改方案，通過整改保證了電站的安全穩定運行，取得了良好的效果。希望能給類似項目提供借鑒，結合項目實際完善前期防雷接地專項設計方案，并在工程建設階段重點關注，確保施工質量滿足規范要求，運營階段加強現場防雷設施管理，促進山地光伏電站良好有序發展，充分發揮光伏發電在碳達峰碳中和能源主力軍的作用。