山地光伏电站防雷安全有效性分析

浙江正泰新能源开发有限公司 ■ 盛春杨松 沈道军 罗易 李春阳 诸荣耀 周承军

山地光伏电站防雷安全有效性分析

浙江正泰新能源开发有限公司 ■ 盛春*杨松 沈道军 罗易 李春阳 诸荣耀 周承军

对雷电特性分析确定其对光伏电站的危害，并结合光伏电站受雷击造成损坏的实例，介绍一系列提升山地光伏电站防雷安全有效性的措施。

雷电；山地光伏电站；二极管；防雷有效性

0　引言

随着传统能源日益短缺、光伏技术快迅发展及人们环境保护意识的增强，光伏电站装机量和建设规模不断扩大，同时电站形式也日新月异。为确保光伏电站的安全稳定运行，防雷设计的有效性、安全性日益重要，尤其像新兴的山地、梯田等运维难度高的电站，运行的稳定性、安全性更为重要。山地光伏电站的防雷与普通光伏电站的防雷既有联系又有区别，因此我们借鉴传统的光伏防雷设计，并结合山地电站的特性设计合理优化防雷方案。

1　雷电作用的形式

雷电是雷云放电的自然现象，拥有巨大的破坏力。其破坏形式主要有：直击雷、雷电感应和雷电波入侵。

直击雷是雷电直接击中电力设备、建筑物或其他物体的作用形式。被直击雷作用的物体，其电位会骤升，从而形成过电压。通常电力设备会因过电压产生闪络或损坏，而且雷电波还会沿线路和导体传播。若直击雷作用的电力设备或建筑物带有防雷引下线，人在引下线接地点附近就会受到跨步电压和接触电压带来的生命危险。直击雷放电短暂，产生的巨大电流可直接使电力设备、建筑物造成物理损坏、火灾，甚至发生爆炸事故。

雷电感应是指雷云放电过程在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使建筑物金属部件之间产生火花放电，也可能导致电力线路的绝缘闪络和损坏［1］。静电感应是因雷云放电前携带大量电荷与电力设备等物体之间形成感应电荷，若感应电荷量过大且不能及时稀释，被感电力设备就会过电压，从而受损。

雷电波入侵是指电力设备受到直击雷或感应雷，雷电波沿着线路或导体入侵到电力系统中，造成更大范围的雷击损坏。

2　传统设计下电站受雷电危害实例分析

2.1设计

传统的光伏电站防雷设计主要侧重于入侵雷电保护和配电室、升压站等二次建筑的直击雷防护。下文我们介绍的项目延用了常规设计。

1）直击雷保护。在电气配电室与办公楼安装避雷带，以保护其免受直击雷的危害。考虑到太阳电池板安装高度较低，光伏组件方阵内不安装独立接闪器防直击雷装置，只在分站房上装设防雷避雷带防直击雷。

2）侵入雷电波保护。为防止侵入雷电波对电气设备造成危害，在35 kV线路进出端、35 kV升压变高低压侧、35 kV段母线、直流汇流箱、汇流直流柜和逆变器的进出口侧安装防雷模块。

3）接地。系统各设备的保护接地、工作接地合二为一。所有的屏柜体、打印机等设备的金属壳体可靠接地。全站的总的接地电阻值≤4 Ω，但微机保护接地电阻≤2 Ω。光伏组件采用接地电缆将组件支架与厂区接地网连接。

2.2实例

A公司建设于海拔850～1000 m的某山地光伏电站，在2014年9月受雷击造成200余块电池板损坏。失效形式主要表现在接线盒功能异常，成因多为二极管击穿损坏呈电阻性过度发热所致。

1）接线盒温度异常，温度明显高于正常接线盒，内部焊锡重熔。损坏接线盒与正常接线盒测温对比见图1，接线盒内部焊锡重熔见图2。

图1　异常接线盒检测温度与正常接线盒检测温度对比图

图2　损坏接线盒内部焊锡重熔图

2）盒内二极管均正向VF-High反向电压击穿，取其中1个接线盒内的3个二极管做电性分析，所得数据见表1。

表1　雷击损坏二极管电性测试

3）内部晶粒出现缺损、崩边与烧伤。该次雷击事故造成损坏的接线盒解剖至晶粒图见图3。

图3　接线盒解剖图（晶粒）

2.3分析

光伏组件遭受雷击时损坏有下列3种途径：

1）电击损坏。接线盒中旁路二极管遭受短时反向高电压造成击穿损坏；当雷击电流正向通过二极管，此时不会受损；但当雷击电流反向通过二极管，此时会反向偏置，二极管将被击穿，而且根据电流由高压向低压处流的原理，会产生逐个击穿直到地电位或能量消失为止。这就是造成损坏的主要原因，且一般损坏面积大。

2）强电场损坏。旁路二极管是一种静电敏感电子元件，雷击发生时，周围会生成强大的雷电磁场，在高强静电场作用下，导致其损坏。

3）电容性耦合损坏。当系统电路或系统器件遭受雷击产生强大的电流时，由于电容的耦合作用，导致另一条线路上产生耦合电流，如果这种耦合电流能量较大，将损毁与之连接的二极管及保险管。

受雷击程度轻的电站，太阳电池板的p-n结会被击穿，破坏组串回路，影响整个阵列的发电效率；受雷击程度重的电站则在逆变器与汇流箱之间、逆变器与变压器之间、逆变器与直流负载之间等设备输送电线路上产生浪涌电压，损坏外围电气设备，甚至可能对电网产生干扰。太阳电池板主要由晶体硅半导体组成p-n结，其接线盒的旁路二极管和直流汇流输出端的防反二极管在正常工作环境下p-n结可承受静电感应电等一系列高电压冲击，但在雷电等超高电压环境下容易损坏，较轻微的雷击就可能使其损坏。

3　山地光伏电站的防雷设计及优化

与普通地面光伏电站相比，山地光伏电站具有的特点为：总体地势高、分布相对分散、区域拥有最高点、多坡多朝向。也正是这些独特之处，使其与传统电站防雷设计匹配性不足。总体阵列安装地势被迫抬高，在电池阵列端不得不单独设置直击雷防护设备。分布分散，光伏组件到直流汇流箱的线路长度相比普通型地面电站，在不同的区域会有不同程度的增加，这使组件远远超出直流汇流箱防雷模块的安全保护距离。

针对山地电站的特点及传统设计的匹配纰漏，结合雷电不同作用形式，进行不同的防雷设计优化。

1）直击雷的防护，光伏阵列增加接闪杆。接闪杆采用12 mm圆钢，为减小接闪杆对电站发电效率的影响，要尽可能避免接闪杆的投影落在阵列上。结合山地电站本身的特性，位置优先选南北坡相交处，既满足高度优势也符合避让投影，具体设计结合各项目实际地况等因素而定。按电力标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，电力线路等设备的防雷保护接闪杆的防护距离使用“折线法”来计算确定。

在高度为hx的水平面上，保护半径rx为：

式中，hx为被保护物的高度，m；rx为避雷针在hx水平面上的保护半径，m；h为避雷针的高度，m；p为避雷针的高度影响系数，当h≤30 m时，p=1；当30 m＜h≤120 m时，p=5.5/√h；当h＞120 m时，p=0.5。

由式（1）可得：rx=1.5hp。

2）感应雷的防护，主要优化走线结合屏蔽原理，电池每列增加限压防雷模块。太阳电池板阵列，直流汇线尽可能走太阳电池板下方，借助支架较高的空间位置优先感应，对自身起到保护作用。不能经阵列下走的导线，敷设增套镀锌钢管，并将镀锌钢管与阵列接地扁钢做可靠的接地措施。接地采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8 mm，扁钢的截面≥4 mm［2］。单个区域内太阳电池板各阵列做等电位链接，避免局部地电压过高，加重设备受感应电压的损坏程度。

4　结论

山地光伏电站由于地势高，不对光伏阵列做直击雷防护设计的传统防雷设计存在显著的纰漏。也因其阵列相对分散，迫使阵列组件到直流汇流箱的线程加大，使电池板脱离直流汇流箱防雷模块的安全防护距离。针对上述两大问题，主要做以下几点优化，以提高电站的防雷有效性：1）光伏阵列区依托地形合理增设接闪杆；2）组件到直流汇流箱走线优化结合屏蔽原理，降低导线对雷电产生的感应，电池每列出线断增设一限压防雷模块。

2015-11-12

盛春（1991—），男，系统工程师，主要从事光伏发电系统的技术研究及电气设计工作。Chun.sheng@astronergy.com

［1］ 翁双安.供电工程［M］. 北京: 机械工业出版社， 2012， 256-257.

［2］ GB 50057-2010， 建筑防雷设计规范［S］.