浅谈大型地面光伏电站的防雷保护

中电投电力工程有限公司 ■ 张礼彬

0 引言

太阳能发电作为一种洁净可再生的新能源，越来越受到人们的重视，其中光伏发电技术及其产业的快速发展有目共睹。如今，国内光伏发电的主流形式与国外分布式发电有所不同，主要以大规模集中并网的光伏电站为主。其中大型地面光伏电站所处地形一般为开阔平地或山地丘陵，由于大面积的金属部件及大量电气设备布置于光伏阵列区域，虽然构筑物高度都较低，但仍较容易受到雷击而造成设备损坏，导致停电故障，影响光伏电站发电可靠性。随着光伏发电装机容量在电源结构中所占比重的增大，对于光伏电站安全稳定运行的要求也越来越高。因此，逐步完善大型地面光伏电站的防雷保护措施势在必行。

目前，针对大型地面光伏电站的防雷接地规范尚未实施，光伏电站的防雷设计主要参照GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》，其适用程度具有一定的局限性。本文依据现行规程规范，从工程实际经验角度出发，综合考虑工程经济性，介绍较为可行的大型地面光伏电站防雷接地设计方案。

1 光伏电站防雷保护设计范围

大型集中并网型地面光伏电站主要由光伏发电方阵、集电线路、管理区及升压站组成，对于总装机容量较大(一般在50 MWp以上)或位于复杂地形(山地丘陵)的光伏电站，还可适当采用架空集电线路，在适当区域设置局部汇流站。其中，管理区、升压站、汇流站、逆变器室，以及架空输电线路的防雷保护设计已较为成熟，可参照相应的规程规范进行防雷保护设计。

对光伏电站的光伏发电阵列区域防雷保护设计，涉及的设备及构筑物包括：光伏电池组件、组件支架、汇流箱、阵列升压箱变、布置于逆变器室内的直流配电柜、逆变器等。

2 光伏阵列区常规防雷设计方案

雷电对大型地面光伏电站的危害方式有直击雷、感应雷和雷电侵入波3种。

光伏发电方阵占地面积较大，若在阵列中装设避雷针不但工程量较大，且会对光伏组件产生光斑效应，直接影响组件寿命及整个电站的发电量。因此，目前的光伏发电阵列均不配置避雷针，主要通过电池组件和支架与厂区接地网连接进行直击雷和感应雷保护，但组件支架作为接闪器的可靠性仍需进一步验证。另外，为防止集电线路上雷电侵入波电压，汇流箱、直流配电柜、逆变器及箱式变电站内均逐级装设避雷器。

3 光伏发电方阵区防雷装置

3.1 晶硅光伏组件边框作为接闪器的可行性

光伏发电方阵区域内的大面积金属部件主要是指晶体硅光伏组件的铝合金边框及与其连接的镀锌钢组件支架(位于组件下部)。因此，对光伏发电阵列区的防雷保护，最可行的方案便是考虑组件边框兼顾防雷接闪器，或根据组件实际布置情况在最上层组件上部增设避雷带。前者是目前国内采用晶体硅光伏组件的光伏电站主流的防雷设计方案，后者则为采用薄膜型光伏组件(无金属边框)的光伏电站主要考虑的防雷设计方案。

3.1.1 材料及截面校验

晶体硅光伏组件的铝合金边框一般为截面厚1.6～2 mm、高度h为40 mm或50 mm、剖面宽度b为10 mm的中空几何结构(如图1所示)，截面积一般在220 mm2左右。

图1 典型组件边框剖面结构示意图

根据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》中对接闪器的材料、结构和最小截面要求，若接闪带材料为铝合金单根扁形导体时，其最小截面积不应小于50 mm2、厚度不小于2.5 mm；为铝合金单根圆形导体时，其最小截面积不应小于50 mm2、直径不小于8 mm。可见，虽然晶体硅光伏组件的铝合金边框截面积远大于规范对接闪器的要求，但其截面结构并不能完全满足接闪器要求。因此，需对其承受雷击电流的热稳定和动稳定进行校验。

雷电流的参数采用《建筑物防雷设计规范》中的3类建筑首次正极性雷击的雷电流参量、首次负极性雷击的雷电流参量、首次负极性以后雷击的雷电流参量、长时间雷击的雷电流参量。对于平原和低建筑物典型的向下雷击，可能出现的最严苛的情况是首次正极性雷击，其参量如下：幅值为imax=100 kA，半值时间t=350 μs，电荷量Q= 50 C。

1) 热稳定性校验

按式(1)校验：

式中：S为载流截面， cm2；I 为耐受电流，A，I=Q/t；t为电流持续时间，s；C为导体材料及发热温度有关的系数，按铝合金允许最高温度200 ℃考虑，C=87。

经计算：

因此，典型的晶体硅光伏组件铝合金边框能满足雷电流热稳定性要求。

2) 动稳定性校验

考虑雷电流流过组件边框时，两块光伏组件的相邻边框间会产生较大的、近似于冲击电流流过两个同相导体间所产生的机械应力。

图2 典型组件支架示意图

典型组件支架形式示意图如图2所示，采用典型组件支架形式，按式(2)效验：

经计算：

σx=(0.255×9002)/(40×102)=51.6＜68.6 N/mm2(铝合金最大允许应力为68.6～70 N/mm2[1]

因此，典型晶体硅光伏组件铝合金边框按典型方式安装，能满足雷电流动稳定性要求。

3.1.2 保护范围校验

光伏阵列的运行方式有固定式，以及单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪方式。目前，固定式的运行方式仍是国内光伏发电站的主要设计方案。因此，此处以简单的固定式布置于水平面上的方案作为分析对象，选用尺寸为1.65 m×0.99 m×0.004 m的常规晶体硅电池组件，布置方案采用双排竖向排列方案，如图3所示。图中，α为组件支架倾角；h为组件最底部距离地面距离；H为组件支架高度。组件支架倾角由最佳倾角计算得到，取值一般为光伏电站所在地区纬度减1°～5°；组件最底部距地面距离根据光伏电站场地情况一般在0.3 ～0.5 m。此处距地面距离按h=0.5 m考虑。据此，分别采用滚球法对光伏组件边框作为避雷接闪器的保护范围进行校验。

图3 典型光伏组件布置方案示意图

滚球半径按一类建筑45 m考虑，假设0＜α＜90°，如图4所示。考虑滚球保护范围刚好能够覆盖全部组件及其支架的极端情况(如图5所示)，则可推得不等式：

其中：H=(3.33sinα+0.5)m。

经计算可得：α≥13.77°，即当安装倾角大于13.77°时，组件顶部铝合金边框的保护范围便可覆盖全部光伏组件及其支架。目前，国内光伏发电站所处纬度一般在不小于北纬20°的区域。因此，大型地面光伏电站组件布置的最佳倾角一般不小于15°，即大于α，满足保护范围的要求。

图4 典型组件支架布置的防雷保护范围示意图

图5 极限保护范围时的倾角计算图

3.2 晶体硅光伏组件边框与支架连接

光伏电站设计规范中要求晶体硅光伏组件的金属边框必须可靠接地，目前建成或在建的光伏电站主要依靠组件固定螺栓连接或增设连接铜线两种方式。其中，后者一般采用1根BV-1×4的导线通过组件接地孔将组件与支架进行电气连通。

然而，若同时考虑以此作为防感应雷的等电位连接时，则不能满足规范要求。根据《建筑物防雷设计规范》要求，从等电位连接带至接地装置或各等电位连接带之间的连接导体材料为铜时最小截面为16 mm2，材料为铝时最小截面为25 mm2，材料为铁时最小截面为50 mm2。

故对BV导线的截面要求应当不小于16 mm2。由于大型地面光伏电站的光伏组件数量庞大，采用这一方案明显会增加不少工程投资。因此，直接利用光伏组件与组件支架的机械连接(螺栓或压块安装，压块安装需要刺破阳极氧化膜)作为等电位连接更为合理，既能满足等电位可靠连接的要求，又不额外增加工程设备材料投资。

4 结论

1)采用晶体硅的大型地面光伏电站的阵列区域防雷保护一般不采用增设避雷针、避雷带、避雷线等接闪器的措施；采用薄膜光伏组件的地面光伏电站，可在充分考量工程经济性的前提下在光伏组串最高点设置避雷带进行防直击雷保护。

2)当光伏组件采用常规安装方式时，典型的晶体硅光伏组件铝合金边框作为防雷保护接闪器的热稳定、动稳定，以及保护范围均能满足要求。

3)光伏组件等电位连接应尽量利用组件与支架的机械连接，以减少工程投资，简化设计方案。

[1]西北电力设计院.电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M].北京:中国电力出版社, 2011.

[2]GB50057-2010,建筑物防雷设计规范 [S].

[3]郑军.光伏电站的防雷接地技术[J].民营科技, 2011, 3:51.