光伏系统防雷与接地系统的设计

光伏系统防雷与接地系统的设计

张铁鑫

（国网吉林省电力有限公司柳河县供电公司）

摘要：由于光伏发电系统的主要部分都安装在露天状态下，且分布的面积较大，因此存在着受直接和间接雷击的危害。同时，光伏发电系统与相关电气设备及建筑物有着直接的连接，因此对光伏系统的雷击还会涉及相关的设备和建筑物及用电负载等。为了避免雷击对光伏发电系统的损害，就需要设置防雷与接地系统进行防护。

关键词：光伏发电系统；并网发电；防雷

一、关于雷电及开关浪涌的有关知识

雷电是一种大气中的放电现象。在云雨形成的过程中，它的某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，当这些电荷积聚到一定程度时，就会产生放电现象，形成雷电。

雷电分为直击雷和感应雷。直击雷是指直接落到光伏方阵、直流配电系统、电气设备及其配线等处，以及近旁周围的雷击。感应雷是指在相关建筑物、设备和线路的附近及更远些的地方产生的雷击，引起相关建筑物、设备和线路的过电压，这个浪涌过电压通过静电感应或电磁感应的形式串入到相关电子设备和线路上，对设备、线路造成危害。对于较大型的或安装在空旷田野、高山上的光伏发电系统，特别是雷电多发地区，必须配备防雷接地装置。

二、雷击对光伏发电系统的危害

1、对太阳能电池组件的危害。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。但其所在位置极易遭受具有强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力的直击雷的冲击而导致整个系统瘫痪。

2、对蓄电池的危害。太阳能光伏发电系统一般采用铅酸蓄电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。当系统遭受到雷击时过电压入侵到蓄电池时轻则损害蓄电池、缩短电池的使用寿命，重则导致电池爆炸，引起严重的系统故障和人员伤亡。

3、对逆变器的危害。太阳能的直接输出电压要转变为AC220V/AC380V为电器提供电能，需要将太阳能光伏发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。如果逆变器损坏将会出现以下情况。

①用户负载无电压输入，用电设备无法工作。

②逆变器无法将电压逆变，导致太阳电池板上的直流电压直接供负载使用，如果太阳能电池板电压过高将直接烧毁用电设备。

三、太阳能光伏发电系统的防雷措施和设计要求

1、太阳能光伏发电系统或发电站建设地址的选择，要尽量避免放置在容易遭受雷击的位置和场合。

2、尽量避免避雷针的投影落在太阳能电池方阵组件上。

3、根据现场状况，可采用避雷针、避雷带和避雷网等不同防护措施对直击雷进行防护，减小雷击概率，并应尽量采用多根均匀布置的引下线将雷击电流引入地下。

4、为防止雷电感应，要将整个光伏发电系统的所有金属物，包括电池组件外框、设备、机箱/机柜外壳、金属线管等与联合接地体等电位连接，并且做到各自独立接地。

5、在系统回路上逐级加装防雷器件，实行多级保护，使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。一般在光伏发电系统直流线路部分采用直流电源避雷器，在逆变后的交流线路部分使用交流电源避雷器。

6、光伏发电系统的接地类型和要求主要包括以下几个方面。

①防雷接地。包括避雷针（带）、引下线、接地体等，要求接地电阻小于10欧姆，并最好考虑单独设置接地体。

②安全保护接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏电池组件外框、支架，控制器、逆变器、配电柜外壳，蓄电池支架、金属穿线管外皮及蓄电池、逆变器的中性点等，要求接地电阻小于等于4欧姆。

③当安全保护接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地4种接地共用一组接地装置时，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷已单独设置接地装置时，其余3种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值。

④条件许可时，防雷接地系统应尽量单独设置，不与其他接地系统共用，并保证防雷接地系统的接地体与公用接地体在地下的距离保持在3m以上。

四、接地系统的材料选用

1、避雷针。

避雷针一般选用直径12~16mm的圆钢，如果采用避雷带，则使用直径8m的圆钢或厚度4mm的扁钢。避雷针高出被保护物的高度应大于等于避雷针到被保护物的水平距离，避雷针越高保护范围越大。

2、接地体。

接地体宜采用热镀锌钢材，其规格一般为：直径50mm的钢管，壁厚不小于3.5mm；50mm*50mm*5mm角钢或4mm的扁钢，长度一般为1.5m-2.5m。接地体的埋设深度为上端离地面0.7m以上，因连接焊接过的部位要重新做防腐防锈处理。

3、引下线。

引下线一般使用圆钢或扁钢，要优先选用圆钢，直径不小于8mm；如用扁钢，截面积应不小于4mm²；要求较高的要使用截面积为35mm²的双层绝缘多股铜线。

4、专用降阻剂。

接地系统专用降阻剂属于物理性长效防腐环保降阻剂，是由高分子吸水材料、电子导电材料、碳基复合材料结合而成的树脂类共生物，具有无毒、无异味、无腐蚀、无污染等优点，符合国家优质土壤环境标准的要求。其导电能力不受酸、碱、盐、温度等变化的影响，具有良好的吸湿、保湿、防冻能力，不会因地下水的存在而产生流失，对土壤电阻率有长期改良作用。在接地系统中使用专用降阻剂可节约工程成本，降低土壤电阻率，使接地电阻稳定，接地系统寿命长久。

五、避雷器的选型

避雷器也叫浪涌保护器（surgeprotectiondevice，spd）。光伏发电系统常用避雷器的外形。避雷器内部主要由热感断路器和金属氧化物压敏电阻组成，另外还可以根据需要同火花放电间隙模块配合使用。

下面是光伏发电系统常用避雷器主要技术参数的具体说明

1、最大持续工作电压（uc)：该电压值表示可允许加在避雷器两端的最大工频交流电压有效值。在这个电压下，避雷器必须能够正常工作，不可出现故障。同时，该电压连续加载在避雷器上，不会改变避雷器的工作特性。

2、额定电压（un)：避雷器正常工作下的电压。这个电压可以用直流电压表示，也可以用正弦交流电压的有效值来表示。

3、最大冲击通流量（umax)：避雷器在不发生实质性破坏的前提下，每线或单模块对地通过规定次数、规定波形的最大限度的电流峰值数。最大冲击通流量一般大于额定放电电流的2.5倍。

4、额定放电电流（in)：也叫标称放电电流，是指避雷器所能承受的8/20us雷电流波形的电流峰值。

5、脉冲冲击电流（iimp)：在模拟自然界直接雷击的波形电流（标准的10/350us雷电流模拟波形）下，避雷器能承受的雷电流的多次冲击而不发生损坏的数值。

6、残压（ures)：雷电放电电流通过避雷器时，其端子间呈现出的电压值。

7、额定频率（fn)：避雷器的正常工作频率。

在避雷器的具体选型时，除了各项技术参数要符合设计要求外，还要特别考虑下列几个参数和功能的选择。

1、最大持续工作电压（uc)的选择。

氧化锌压敏电阻避雷器的最大持续工作电压值（uc)是关系到避雷器运行稳定性的关键参数。在选择避雷器的最大持续工作电压值时，除了符合相关标准要求外，还应考虑到安装电网可能出现的正常波动及可能出现的最高持续故障电压。例如，在三相交流电源系统中，相线对地线的最高持续故障电压有可能达到额定交流工作电压220V的1.5倍，即有可能达到330V。因此在电流不稳定的地方，建议选择电源避雷器的最大持续工作电压值大于330V的模块。

在直流电源系统中，最大持续工作电压与正常工作电压的比例，根据经验一般取1.5～2。

2、残压（ures)的选择。

在确定选择避雷器的残压时，单纯考虑残压值越低越好并不全面，并且容易引起误导。首先不同产品标注的残压数值，必须注明测试电流的大小和波形，才能有一个共同比较的基础。一般都是以20ka(8/20us）的测试电流条件下记录的残压值作为避雷器的标注值，并进行比较。其次对于压敏电阻避雷器选用残压越低时，将意味着最大持续工作电压也越低。因此过分强调低残压，需要付出降低最大持续工作电压的代价，其后果是在电压不稳定地区，避雷器容易因长时间持续过电压而频繁损坏。

在压敏电阻型避雷器中，选择最合适的最大持续工作电压值和最合适残压值，就如同天平的两侧，不可倾向任何一边。根据经验，残压在2kv以下（20ka、8/20us），就能对用户设备提供足够的保护。

六、结束语

本章针对屋顶光伏电站的电力系统设计，首先根据发电设备选择的设计方案，在保证安全、经济基础上进行设备安装、防雷设计，使设计更加合理可靠。

参考文献

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