光伏系统防雷设计

钟顺太阳光伏并网发电系统防雷初步设计

成都兴业雷安电子有限公司易燕平林毅龙

1、前言

随着太阳能光伏电站和并网发电系统的数量、规模和应用规模的不断扩大和增容。如何减少雷害、减少维护，确保太阳能光伏并网发电系统安全可靠运行。对太阳能光伏并网发电系统的《防雷与接地设计》必须引起高度的重视。太阳能光伏并网发电系统的防雷与接地和一般电器的防雷既有区别又有联系，因此，要根据太阳能光伏电站及并网发电系统的特点、跟据站场、地域和气候特点来进行综合设计，以开放性大系统理论为指导，通过电气工程师、防雷工程师、基建工程师的通力合作，才能提高电站建设的质量，保证电站的安全运，获的良好的效费比。

2、雷电的危害

直击雷是由积雷雨云中电场突变，水滴群集合电子破发对大地或云间放电现象，地面上的建筑物或构筑物突出部形成接闪或尖端放电，电离通导的形成，流光柱下行，即直击雷。一个直击雷在2.5平方公里的范围内，由于电磁场作用对远处或防雷保护区之内的导线、金属管道，均能形成感应场，同时可以通过导线和金属管道传输到电子设备和太阳电池组件上，强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波，强烈的电磁辐射，所以能损坏放电通道上的输电线和电子设备，造成财产损失，甚至击死击伤人畜，造成生命损失。

雷云下表面分布着大量负电荷，对大地形成静电感应，并使各种金属支架和电缆等感应出高电压。闪电电流在闪电通道周围的空间产生强大的电磁场，使周围的各类金属导体上产生感应电动势或感生电流，从而损坏设备。

并且雷电感应高电压和雷电电磁脉冲的作用范围广，作用方式比较隐蔽，所以其后果往往比直击雷更严重。

如果没有采取等电位连接和钳位措施而且避雷针引下线与导线、金属管道或电器设备的工作地线间的距离小于安全间距，雷击发生时，导线感应雷电流，或者雷击建筑物导致地电位抬高，都会使设备的电源线、信号线和接地线之间存在电位差，如果电位差超过设备的耐受能力，则该设备必然被击坏。

3、太阳能光伏电站及并网发电系统的防雷设计

设计思路：环境识别、地线优化、端口加固、空域防护。

太阳能光伏电站及并网发电系统的基本组成为：太阳电池方阵、直流配电柜、交流配电柜和逆变器等。太阳电池方阵的支架采用金属材料并占用较大空间且一般放置在建筑物顶部或开阔地，

跟踪器9台，按照3×3的矩阵排列，跟踪器与跟踪器之间的间距为17米。跟踪器长宽高分别为9.8×7.3×6。

图1 站场布局

在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件和逆变器

比较昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，有效的防雷和电涌保护是必不可少的。太阳能光伏电站及并网电站防雷的主要措施有：

图2 综合防雷的主要措施

1）气象资料与地堪（环境识别）

雷暴日、地形地貌、土壤电阻率、冻土层深度、风口方向。

2）外部防雷（空域保护）

装置主要是避雷针、避雷带和避雷网等构成，通过这些装置可以减小雷电流流入建筑物内部产生的空间电磁场，以保护建筑物和构筑物的安全。防直击雷装置应严格按照国标B50057-94《建筑物防雷设计规范》的要求进行设置，其中避雷针必须按滚球法计算其保护范围和高度。

滚球法计算保护范围公式：

图3 单避雷针保护范围示意图

图4 双避雷针保护范围示意图

表1 确定接闪器高度的依据

方案一：采用传统避雷针，保护角按上述计算公式设计，3×3阵需要四根。LAZQ 120C（不含桅杆）。

方案二：采用CDP天幕拒雷装置，可减少传统避雷针的数量的1/2，3×3阵需要2根。LACPD（不含桅杆）。

3）接地和搭接（地线优化）

当光伏设备放置在空旷地区时加外部防雷系统，避雷针的布置需要既考虑光伏设备在保护范围内，又要尽量避免阴影投射到光伏组件上。良好的接地使接地电阻减小，才能把雷电流导入大地，减小地电位，各接地装置都要

通过接地排相互连接以实现共地防止地电位反击。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻必须小于10Ω。低压电力设备接地装置的接地电阻，不宜超过4Ω。光伏设备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。固定的金属支架大约每隔10m 连接至接地系统。太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接，在焊接处也要进行防腐防锈处理，这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。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。同样，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀带包裹起来。

图5 太阳能光伏并网发电系统防雷接地示意图

等电位连接，实现各金属物体之间等电位，防止互相之间发生闪络或击穿。防雷系统的关键部分是太阳能光伏并网发电系统的所有金属结构和设备外壳连通并接地。具体的做法是：太阳电池组件和支架及设备的外壳直接接到等电位系统上，直流和交流电缆通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。为防止部分雷电流侵入建筑物，等电位连接应尽可能靠近系统的入口或建筑物的进线处。

屏蔽，实现建筑物、线路和设备对外界的电磁屏蔽隔离，防止电磁脉冲

和感应高电压。屏蔽是当雷电在系统附近的大地放电雷云在附近经过时，通过降低电磁场与系统输电线路的相互作用对系统提供保护。屏蔽可以采用密封的导电壳层、同轴外套或内通电缆的电缆管，或者在电缆沟中电缆上面敷高裸露保护线等方式。屏蔽装置的外壳应连接到设备地线上。

方案一：3×3阵列，将基座钢筋龙骨，采用编钢互连（电气焊接），焊接点的防腐处理，地埋后互通形成以大地网。

方案二：3×3阵列，在直立跟踪器塔架上，高度大于2米处，架设钢绞线网格，8×8米网格，要求各节点电气搭接可靠，接触电阻要小，可不采用电气焊处理。

方案三：3×3阵列，在每个直立塔架基础上，采用深井单根地桩打入方式，50钢管7×LAD1200加降阻剂材料LAD001(7包)，深度可在5～8米，测量地阻值小于4Ω达标，目的是3×3阵列每个基座的接地电阻误差最小。可免作地网或架空网减少工程造价，又能达到安全和防雷要求。

4）设备防雷（端口加固）

采用SPD浪涌保护，通过在带电电缆上安装浪涌保护器实现，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池方阵外，还有配电线路、接地线等，所以太阳能光伏并网发电系统需要采取以下防护措施：

（1）在逆变器的每路直流输入端装设SPD浪涌保护装置。

（2）在并网接入控制柜中安装浪涌保护器，以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器, 过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值。

当太阳能电池方阵架设在接闪器保护范围内时，太阳能电池方阵置于LPZ0B 区内，配电设备和逆变器必须置于LPZ1 区内，为此应在逆变器的直流输入端配置直流电源浪涌保护器（如图5 所示），直流电源浪涌保护器可选用专门用于直流配电系统的浪涌保护器，也可选用交流配电系统的浪涌保护器，

并按换算公式Vdc= 1.414 Vac 计算。

图6 交/直流浪涌保护器安装示意图

第一级浪涌保护应该选择开关型浪涌保护器以泄放大的雷电流，直流浪涌保护器的主要技术参数应满足如下要求：

≥额定放电冲击电流Iimp ≥ 5kA（10/350μs）；最大持续运行电压U

C 1.15Udc（Uc 为太阳电池方阵开路电压）；

电压保护水平U P≤ 0.8U W（U W为逆变器耐冲击过电压额定值，一般情况下U W=4000V）为保护用电设备，在逆变器与并网点之间必须加装第二级电源防雷器，可选限压型浪涌保护器，具体型号应根据工作电压和现场情况确定。综合采用以上措施可以逐级将雷电流降低，最终控制在设备能承受的电压范围之内。大量实践证明这些措施是非常有效的。

注：

（1）直流SPD浪涌保护器采用2+1组合，三个同参数指标的模块，连接方式为星形连接方式。

（2）交流SPD浪涌保护器采用2+1组合，对地共模2参数相同（电压保护水平为小于1200V），线间差模1（电压保护水平小于500V）。

（3）两级限压型浪涌保护器之间的间隔只有4m，不符合要求。为了保证多级浪涌保护器之间的能量配合问题，GB50057-94 规定，开关型浪涌保护器与限压型浪涌保护器之间的安装距离是10m，限压型浪涌保护器与限压型浪涌保护器之间的安装距离是5m。电源线路中安装了多级电源浪涌保护器时，由于各级浪涌保护器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，就会出现某级浪涌保护器动作泄流的盲点。如果两级浪涌保护器的间距达不到要求，可以在线路中串联安装适当的退耦原件。

（4）注意保险丝安装位置和选型错误。保险丝作为浪涌保护器的后备保护应位于浪涌保护器支路的前端，起过电流保护作用，其分断能力应等于或大于安装处的预期短路电流。根据计算可得，在太阳辐照度为1000W/m2温度为25℃时流过熔断器的可能最大电流约为15.48A。而系统使用的熔断器的额定电流为16A，即使浪涌保护器失效使电路短路，流过熔断器的电流也不会超过熔断器的额定电流，所以熔断器起不到短路保护的作用。

（5）直流防雷器的标称工作电压太大。太阳电池方阵的直流输出端电压比较稳定，工作时此系统中12 串3 并的太阳电池方阵正常工作时输出电压约为422.2V，开路时电压约为530V，8 串3 并的太阳电池方阵正常工作时输出电压约为281.6V，开路时电压约为353.6V。由于太阳电池方阵是由各个太阳电池组件连接起来的，容易出现因接线错误或其他原因导致直流输出电压超过逆变器最大输入电压的情况，为更好地保护逆变器，建议与12 串3 并的太阳电池方阵连接的浪涌保护器标称工作电压为600-700V，与8串3并的太

阳电池方阵连接的浪涌保护器标称工作电压为400V-750V。

（5）系统主要组成部分的具体配置如下（设计参考）：

表2 单晶硅太阳电池组件参数

表3 SMA 光伏逆变器参数

表4 直流电源防雷器基本电气性能指标

5、SPD选型

1．跟踪控制箱

包括，AC220～24V 开关电源，AC220～12V开关电源各一台；控制板，驱动板各一套。交流线采用交流空开，电池板下来的光伏先先进入控制箱的直流空开，然后再出控制箱。公司目前接法具体如下：

1）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流电压620V时，SPD启动值。385表示施加工频交流电压385V时，SPD 启动值。）连接方式：三角形方式，安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

2）DC24：LAYM30 D24C，安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

3）DC12：LAYM10 D12C。安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

配电柜部分

包括对每台跟踪器的交流送电，以及每台跟踪的直流汇集。下面是3台

跟踪发电机（线聚光跟踪，平板跟踪，平板固定）的配电柜接线图。

三台跟踪器的配电柜接线图

电压参数

跟踪器直流光伏线电压一般在120～800之间，交流采用220V民用交流电，通信线采用485协议，屏蔽双绞线。双绞线工作电压5V。

1）DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（注：470表示在直流1mA 下，施加直流电压470V时，SPD启动值。300表示施加工频交流电压300时，SPD启动值。）连接方式：星形方式，安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

2）AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（注：620表示在直流1mA下，施加直流电压620V时，SPD启动值。385表示施加工频交流电压385V时，SPD 启动值。）连接方式：三角形方式，安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

3）RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C，安装位置靠近设备端口,轨道安装固定。

注：上游设备与下游设备之间，地面上超过5米跨距需采用点对点两端同时加装相同型号的SPD浪涌保护器。在地面下超过10米要加装点对点SPD。

6、防雷材料汇总：

1．LAZQ 120C（不含桅杆）

2．LACPD（不含桅杆）（可选）

3．50钢管7×LAD1200

4．LAD001(7包)

5．AC220：LAYM40（2+1） M0V620（385）（跟踪控制箱）6．DC24：LAYM30 D24C（跟踪控制箱）

7．DC12：LAYM10 D12C（跟踪控制箱）

8．DC120-800：LAYM40（2+1） M0V470（300）（配电柜部分）9．AC220：LAYM60（2+1） M0V620（385）（配电柜部分）10．RS485 DCV：LAXM06C或LAXCH3-06C（配电柜部分）