大型并网光伏电站防雷研究

陕西省地方电力(集团)有限公司 ■ 马季

一 引言

大型并网光伏电站一般定义为装机5MW以上、接入电压等级为66kV及以上电网的光伏电站[1]。2009年以来，陕西在以靖边为中心的陕北榆林地区大力发展太阳能光伏产业，其中在靖边设立的太阳能光伏产业园区，拟建设装机总量200MW的太阳能光伏发电项目。目前，华电集团、国电集团分别投资建设的5MW光伏发电项目和陕西光伏产业有限公司投资建设的10MW光伏发电项目已开工建设。由于靖边是雷电多发区，电站需要建设防雷设施，但国家目前尚未颁布明确的大型并网光伏电站防雷相关设计标准，本文就大型光伏发电项目的防雷问题进行了研究，并针对大型光伏发电项目实际状况提出了大型光伏发电项目的防雷方案。

二 大型光伏发电项目的防雷需求

大型并网光伏电站主要由光伏方阵(固定或跟踪)、汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、电网接入系统(升压、计量设备等)、交/直流电缆、监控及通讯装置、防雷接地装置等组成。目前的防雷设计主要针对独立光伏电站进行，而对于大型光伏电站，其占地面积相对较大，且场站没有高大建筑物，对防雷方案会产生重大影响[2]。以靖边陕西光伏电站为例，其装机规模为10MW，光伏方阵区共安装光伏板(方阵单元)1600个，场站长870m，宽260m，占地面积达23万m2，相当于4个足球场那么大[3]。如此大的场区，虽然设备安装高度不高，但场内安装了众多的电力设备，其工程属性无疑为电力工程。相对常规电站而言，光伏设备造价相对较高，虽然目前没有针对性的防雷规范，但针对常规电站的有关防雷原则对光伏发电同样适用，却不可完全照搬。以陕西靖边光伏电站项目为例，其避雷方案的制定，就存在一些不同于常规电站的防雷需求：

(1) 陕西省靖边县位于毛乌素沙漠边沿和陕北黄土高原丘陵区，属干旱、半干旱气候。该区域年平均雷暴日为30d，最大年雷暴日为40d，属于高雷区[4]。光伏电站场区平坦宽旷，属典型的旷野地貌，如不设防，不仅昂贵的光伏发电设备存在雷击风险，场区工作人员在进行正常的场区巡逻时，同样存在雷击风险；靖边地区为干旱地区的绿洲湿地，电站所在地地下水埋深仅约1.5m，局地空气湿度远大于周围，构成了雷电通过空气下泻的优先通道，更易产生雷电。因此，必须对电站进行大面积防雷防护。

(2) 光伏板的工作电压虽然只有几十伏，但由于大型光伏电站装机一般都在5MW以上，汇集电流较大，且通过110kV线路并入榆林电网，已接入交流高压电网。根据有关数据统计，沿架空线路侵入高电位所造成的事故占总雷害事故的70%[4]，显然需要做针对性的防雷设计。

(3) 光伏发电机一般是直流发电，直流方面过压保护的应用与在交流方面的应用相比，有重大区别。传统的过电压避雷器主要从交流考虑，其对地电势具有正负极性，最大持续电压至少为光伏发电机开路电压的50%，这是光伏发电机电流环路多年来的电路保护标准；另外，光伏设备直流电流环路的特殊性也应给予考虑。这些问题在防雷设计中若不加重视，将带来严重的后果。

三 大型并网光伏电站防雷方案

目前，我国光伏电站发展与欧洲等国家以“分散开发、低电压就地接入”的发展方式不同，呈现出“大规模集中开发、中高压接入”与“分散开发、低电压就地接入”并举的发展趋势，且目前以“大规模集中开发、中高压接入”为主[5]，因此对光伏电站的防雷不仅影响电站本身的安全，还会对接入电网产生影响。因此，在现有技术规范条件下，大型光伏电站防雷应该以保障电站人员和主要设备安全运行为基本出发点，综合考虑电站在电网中的重要性、影响程度、地理环境、投资成本等因素，力求使防雷设计重点突出、效果最大化、成本合理化。

光伏电站防雷设计可参考GB50057—1994(2000)《建筑物防雷设计规范》[6]，大型并网光伏电站典型防雷方案如图1所示。

1 光伏方阵的防雷

自然界的雷主要通过三种方式对地面物体形成灾害，即直击雷、雷电感应和雷电波侵入，需要在设计中分别对其加以防范。《建筑物防雷设计规范》(GB50057—1994(2000))中，对非建筑类露天堆场是否安装避雷针有明确规定，即：当场内年预计雷击数N≥0.06次/a时，宜设置独立避雷针防直击雷。光伏方阵不属于建筑物，其可能易受雷击的直接原因是占地面积较大，增加了其易受雷击的可能性。避雷针体积庞大，使得在偏远无电地区安装电站的施工难度增大；受机房与阵列间场地的限制，如果避雷针位置距离光伏方阵、机房较近，存在雷电反击的隐患。

可采取的防雷措施包括：

(1) 架设避雷针防止低空直击雷；为满足保护半径的要求，针体高度绝大部分约在24～30m[2]，并根据光伏电站面积大小，利用滚球法计算所需避雷针的数量。

(2) 光伏方阵支架可靠接地。

(3) 汇流箱内，输入、输出处加装防雷器，正负极都具备双重防雷功能，可承受的直流电压值≥1000V DC，各机壳均可靠接地。

在设计汇流箱时，注意在箱体内留有足够的空间位置，利用低压刀闸隔离技术，使接入汇流箱的各光伏板与其他光伏板实现分区隔离；在汇总端加装熔丝保护，限制直击雷的破坏范围，并阻止雷电感应电流在不同光伏板分区之间窜越，以缩小因雷击引起的光伏板受损数量；尽可能减少雷击造成的直接损失和间接损失[3]。

目前很多太阳能设备厂家在生产汇流箱时已考虑防雷，如加装直流防雷模块的光伏汇流防雷箱等。用户可将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流防雷箱，在光伏防雷汇流箱内汇流后，通过直流断路器输出，与光伏逆变器配套使用构成完整的光伏发电系统。

2 交直流配电柜、逆变器、通讯设备的防雷

逆变器、交直流配电柜是把汇流控制和并网输出的重要设备，一般在控制机房室内集中布置，同通讯设备等都属于核心、全局控制设备，其防雷不仅要注意防感应雷，还要注意雷电电磁脉冲，其设备和控制机房的防雷和接地，应符合《光伏(PV)发电系统过电压保护导则》(SJ/T11127—1997)的规定。机房设备应按照分区原则，从LPZOA、LPZOB、LPZ1、LPZn+1逐级设计防护。

雷电电磁脉冲辐射对光伏电站电子系统的破坏力更大，概率更高。电站机房属于第一类防雷场所[1]，根据规定，其防直击雷装置应能承受200kA的首次雷击。

可采取的防雷措施包括：

(1) 机房属于LPZOA～LPZOB区，需可靠接地，机房内应敷设等电位带，机房内设备外壳和机架、直流地、防屏蔽线缆外层、防静电地、SPD接地等均应以最短距离与之直接连接；在机房还应装设避雷器，阻止和隔离雷电感应电流在各发电方阵之间漫游，确保雷电的过电流过程就地下泻。

(2) 控制机房进、出线处属于LPZ1区，要做等电位连接，采取屏蔽措施，均增设防雷隔离箱，内装防雷保安器，防止感应雷。

(3) 交直流配电柜内属于LPZ2区。直流配电柜应加装有直流断路器、防反二极管、光伏专用防雷器；交流配电柜同样要加装光伏防雷器和断路器。要注意的是大型光伏电站，并网电压一般都在10kV及以上，要根据具体并网电压等级来选择相应防护级别的光伏防雷器和断路器。

(4) 大型逆变器属于LPZ2区，在逆变器的每路直流输入端装设浪涌保护装置(SPD)。需注意根据逆变器是否有变压器和组件接入形式最终确定SPD工作电压要求。如果交直流配电柜均有完备的防雷措施，从减少SPD配合复杂度和减少投资角度，也可不再加装SPD。

(5) 通讯设备应加装单独防雷保护器，其天线处于LPZOA区，要加装天馈线避雷器。一方面要防止通讯天线外置导引的直击雷等，另一方面还要防止感应和雷电电磁脉冲辐射，防雷保护器可加装在UPS前端(大容量UPS往往加装有SPD)，通流容量≥150kA，要综合考虑通讯设备的工作速率、工作电流、动作电压和连接形式，具体可参考《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》(YD5098—2005)。

由于控制机房内设备众多，要注意多级浪涌保护器之间的能量配合问题。《建筑物防雷设计规范》(GB50057—1994)规定，开关型SPD与限压型SPD之间的安装距离是10m，限压型SPD与限压型SPD之间的安装距离是5m。线路中安装了多级SPD时，由于各级SPD的标称导通电压和标称放电电流的不同、安装方式及接线长短的差异，如果设计和安装时不考虑间距问题，他们之间能量配合不当，就会出现某级SPD动作泄流的盲点。如果两级SPD的间距达不到要求，可在线路中串联安装适当的退耦原件。

另外，大型光伏电站控制机房往往与升压站一并设计、建设，户外防雷、接地网也应一并综合考虑。

3 升压站的防雷

如果是10kV直接上网，应在电站第一级出线电杆处加装断路器和避雷器。有单独的110kV升压站的大型并网电站，并网接口设备和升压站的防雷，应满足《光伏(PV)发电系统过电压保护导则》(SJ/T11127—1997)和《交流电气装置的接地》(DL/T621—1997)的规定。

采取的防雷措施包括：

(1) 110kV升压站设置独立避雷针，建筑物屋顶女儿墙上敷设避雷带；变压器已在避雷针保护范围内，可不另设直击雷保护。

(2) 在升压站110kV侧及35kV/10kV侧应适当配置氧化锌避雷器减少雷电侵入波过电压。

(3) 110kV升压站按复合接地网设计，水平接地体为网络状，兼做均压带，水平接地体镀锌扁钢50mm×6mm，垂直接地体镀锌角钢50mm×5mm。全站工作接地、保护接地、避雷针共用一个接地网，接地电阻值按≤0.5Ω设计。

若为了减少投资而在升压站出线铁塔(杆)上设立避雷针，则必须将这基塔(杆)的绝缘提高，且接地电阻应≤15Ω，以防发生反击事故，威胁线路运行安全。为防止发生反击，出现感应雷及雷电绕击导线后形成的雷电侵入波过电压的危害，应在线路终端至变电站构架之间线路上，配置适当的避雷器以保护站内设备。因此，避雷器应避免和避雷针安装于同一杆塔上，避免在反击电压较高时，避雷器成为薄弱环节。应充分利用架空避雷线的分流作用，改良架空避雷线与杆塔接地引下线的联结方式，杜绝利用挂线金具构成回路的情况，减少接触电阻，降低反击电压幅值。

在电气接地装置与防雷的接地装置共用或相连的情况下：当Y, yno型或D, yn11型接线的配电变压器设在本建筑物内或附设于外墙处时，在高压侧采用电缆进线的情况下，宜在变压器高、低压侧各相上装设避雷器，在高压侧采用架空进线的情况下，除按国家现行有关规范的规定在高压侧装设避雷器外，还应在低压侧各相上装设避雷器[7]。

4 接地系统设计

电气系统的接地应符合《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB50169—2006)的规定。

光伏电站的接地系统设计为环形接地极(水平接地电极)，建议网络大小为20m×20m；固定光伏板的金属支架每隔约10m连接至接地系统。系统接地保护的设计，要求接地连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。大型并网光伏电站对接地电阻R≤4Ω，并满足电子设备的金属屏蔽接地和逆变器、变压器等工作接地的要求；防雷接地应独立设置，要求R≤30Ω，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上；中性点直接接地的系统中，要求重复接地，R≤10Ω[2]。

光伏设备和控制机房的接地系统通过热镀锌钢相互连接。通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，能显著减小雷电作用在光伏阵列和厂房建筑之间的连接电缆上所产生的过电压。水平接地极铺设在至少0.5m深的土壤中(距离冻土层深0.5m)，使用十字夹相互连接成网格状；接地头用耐腐蚀带包裹。埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径应≥10mm；扁钢截面应≥100mm，其厚应≥4mm；角钢厚度应≥4mm；钢管壁厚应≥3.5mm[6]。

四 结论及建议

(1) 大型并网光伏电站的防雷目前虽然没有明确的国家标准，但从防雷击人身伤亡和设备损毁，进而影响电网运行安全的角度出发，大面积防雷设计是必要的，决不能以国家规定不明确和降低工程造价为理由，降低防雷标准。

(2) 大型并网光伏电站的防雷设计应综合参考《建筑物防雷设计规范》(GB50057—1994(2000))、《光伏(PV)发电系统过电压保护导则》(SJ/T11127—1997)和《交流电气装置的接地》(DL/T621—1997)等国家行业规定，在保障防雷安全的前提下，明确电站不同建筑、设备的防雷重点，按照最佳性价比确定防雷方案。

(3) 光伏电站的光伏发电机有其特殊的电气特性，原本为交流电压系统开发的超高电压避雷器在用于光伏电站过电压保护时，存在对地电势具有正负极性等问题。因此，在为光伏电站选择气体避雷器时，应采用大型正规厂家的光伏专用避雷器。

(4) 以上方案已在靖边部分光伏电站建设中得到一定应用，但由于电站运行时间较短，该方案还有待在实践中检验完善。

[1]《光伏电站接入电网技术规定》(试行)[Z].北京: 国家电网公司, 2009.

[2]大型光伏并网电站安装与施工[R].上海: SAAE太阳能系统工程分公司, 2010.

[3]何明堂.太阳能光伏电站工程的环境适应体系初探[R].陕西:陕西地方电力集团公司, 2010.

[4]秦冰, 徐永玲, 欧梦常, 等.10kV配电网防雷改进研究及应用[J].陕西电力, 2007, (11): 13－15.

[5]光伏电站接入电网技术规定介绍[R].北京: 国网电力科学研究院, 2009.

[6]GB50057—1994(2000), 建筑物防雷设计规范[S].

[7]GB50169—2006, 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范[S].