高海拔喀斯特地貌下光伏电站防雷技术分析及典型预防措施

方 磊

水电十四局大理聚能投资有限公司 云南 大理 671000

1 概述

截止到2019年底，我国集中式光伏电站累计装机容量已超过20 GW，根据光资源的分布情况，大多数光伏电站建于戈壁、沙漠和高原山区，地势的特点造成光伏电站在雷雨季节时极易遭受雷击，进而造成光伏电站内光伏组件、汇流箱、逆变器及站内设备受到损坏，直接影响光伏电站运行安全，对电站造成较大的经济损失和发电量损失。有效的光伏电站防雷设计、施工、接地检测工作是关系到光伏电站防雷安全的重要保障，对后续光伏电站运行安全具有重要意义。

2 某光伏电站防雷概况

某光伏电站地处云南省西部山区，海拔高度为1800 m-1960 m，光伏电站场区为喀斯特地貌，现场地形复杂，裸露岩石较多，年平均雷暴日为49.1天，为雷暴多发区域，自投运以来，两次出现因雷击造成光伏组件背板接线盒二极管、汇流箱测控模块及电源模块、站内SVG 设备元器件损坏及送出线路跳闸情况。雷电活动严重影响了光伏电站的安全运行。

该光伏电站防雷按区域划分主要有两大部分组成，开关站防雷和光伏阵列防雷。开关站防雷采用水平接地体为主，垂直接地体为辅的复合型接地网，水平接地体为60 mm*6 mm 镀锌扁钢，垂直接地体采用2.5 m 长50 mm*5 mm*5 mm 镀锌角钢。光伏阵列地网采用水平接地体和利用光伏支架基础为垂直接地体结合的方式，光伏阵列区域光伏支架、汇流箱、箱变、逆变器、电缆分接箱接地形成等电位连接，构成一个完整的大接地网。最终形成开关站地网与光伏阵列地网连接的接地方式。其中，开关站接地电阻值不大于0.5Ω，独立避雷针接地电阻值不大于10Ω，光伏阵列接地电阻值不大于3.5Ω。

3 光伏电站受雷击典型案例分析

3.1 光伏阵列接地检测情况 光伏电站投运后，电站每年均组织开展了光伏阵列及开关站、独立避雷针的接地电阻检测工作，检测结果为三个区域光伏阵列接地电阻分别为0.7Ω、3.2Ω、1.4Ω，开关站接地电阻为0.39Ω，独立避雷针独立接地网阻抗值为6.62Ω。电站接地情况满足设计要求。场区地表电位梯度和跨步电势良好，所抽测设备接触电势、转移电位测试结果均良好。

受雷击后雷电流释放能力影响，电站在两次出现场区雷电活动时均出现了光伏组件背板接线盒二极管烧坏、汇流箱测控模块及电源模块损坏情况。在光伏阵列接地电阻满足设计要求的情况下仍出现雷击造成设备损坏。经分析，造成设备损坏的主要原因为雷电感应至光伏组件及直流线路上时无法及时释放雷电流造成。

3.2 雷电侵入分析 雷电的入侵方式主要直击雷、感应雷和雷电波三种方式，从电站两次雷击损坏设备元器件的状态分析，电站损坏的电气元器件均为过流烧坏，未出现严重的受外力冲击造成的机械损坏，分析为感应雷引起直流电缆和RS485通信线上产生过电流造成元器件损坏。因此，电站从预防感应雷方面开展设备防雷措施制定及实施。

3.3 光伏阵列防雷接地整改方式 根据现场光伏组件背板接线盒损坏情况分析，光伏接线盒主要输出单块光伏组件的电流，在接线盒处无相应防雷模块设计，单个光伏子阵18块组件之间连接通过接线盒输出直流电缆串联连接，最终汇集至汇流箱直流输入回路，在汇流箱直流母线上才安装了浪涌保护器，详见下图：

经分析，因光伏子阵至汇流箱之间无任何防雷设施，且部分光伏子阵距离汇流箱距离在30-50米之间，此区域存在雷电时出现感应过电压情况，雷电过电压感应到光伏组件输出的直流电缆、光伏组件或者RS485通信线上，出现的雷电流会造成光伏组件接线盒内二极管损坏、汇流箱测控模块损坏。

为此，电站根据历年雷击组件及直流汇流箱损坏情况分区域、有重点的对雷击损坏设备严重的区域开展了防雷技改工作。电站采取了在光伏子阵末端直流电缆上增加浪涌保护器(SPD)的整改方式进行光伏组件防雷整改工作，具体增加方式为在光伏子阵末端正、负极电缆接线上并联浪涌保护器(SPD)，防雷器接地端采用16 mm2软铜线直接接入光伏列阵的主接地网上，以此增加光伏子阵上光伏组件及直流电缆雷电过电压时的雷电释放能力。具体接线方式如下图：

其中，浪涌保护器(SPD)的参数应与直流汇流箱、线路的参数相匹配，避免选择的避雷器参数与保护设备、线路参数不一致情况。

3.4 直流汇流箱接地整改方式 在出现雷击感应过电压后，电站汇流箱测控模块也受过电压损坏情况。根据光伏阵列的防雷措施，电站采取了在汇流箱测控模块RS485通信线测增加浪涌保护器的防雷措施。同时，对通信线的屏蔽线进行接地处理。

在电站对光伏阵列及光伏汇流箱按上述整改措施技改后，经过三年的雷雨季节，光伏组件、直流汇流箱未发生过因雷击造成的组件接线盒二极管及汇流箱测控模块损坏情况，进一步验证了增加浪涌保护器的整改效果较好。

3.5 其它方面 在开展光伏阵列区域防雷整改的同时，我公司结合开关站内设备、送出线路防雷特点对开关站内SVG 冷却风扇电源和RS485通信线上均增加了浪涌保护器。根据电站送出线路受雷击跳闸的影响，在架空线路上选取一定数量地势较高的铁塔在其顶部增加线路避雷器的防雷整改方式。通过对站内设备和架空线路的防雷技改工作，电站受雷击影响造成的设备跳闸次数大幅度降低，防雷技改工作具有积极的效果。

4 结论

结合我公司光伏电站防雷设计施工及后期整改工作，建议同类型光伏电站在新建、改扩建及后期运营时重点关注以下工作：

(1)在电站建设前，充分对光伏电站光伏组件布置区域的地形、地质条件全面分析，收集多年电站区域雷暴日情况，根据地形、地质条件有针对性的开展光伏阵列防雷设计及施工，掌握布置光伏组件区域的土壤电阻率，清晰判定常规接地方式或特殊接地方式哪种能够满足光伏阵列防雷技术要求。将接地施工设计及施工方案在电站建设前期准确判定。

(2)可充分利用光伏组件金属支架基础作为垂直接地体，在施工阶段将支架基础施工与接地施工有效衔接。

(3)光伏组件子阵之间基础水平接地体、组件与支架之间的金属部分须形成有效的等电位连接，确保光伏阵列设备电位一致。

(4)避免光伏组件之间直流电缆及汇集输出至汇流箱的直流电缆出现外露情况，应全部采用穿PVC管组件背板后敷设及穿PVC管入地敷设的方式，最大限度的减少雷击时感应到直流电缆上的过电压。

(5)在土壤电阻率高的区域可采用同光伏组件、直流电缆、汇流箱同电压等级的浪涌保护器进行设备防雷，按照“分级保护，就近释放”的原则进行浪涌保护器安装。

(6)定期开展光伏电站光伏阵列区域及开关站防雷检测工作，确保接地电阻满足设计要求。日常巡检、定检过程中注意已安装的浪涌保护器的运行情况，出现损坏时及时更换。