四端子法在光伏电站接地连续性测试中的应用

曾 飞，黄瑜颂，刘书强，胡振球，詹佳才，边松涛

（广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528333）

光伏电站一般建在高处或者空旷的户外，光伏方阵、逆变器、汇流箱等电气设备暴露在自然界中，一旦遭受雷击，将对设备、人员造成严重的损害，为此，电气设备之间需形成良好的等电位连接，使电站在受到雷击时各部分设备之间不存在电位差，避免雷电流产生的高电位差对设备的破坏，从而达到保护的目的［1-3］。接地连续性是衡量等电位连接效果的一个指标，通过测量选定接地点对地电阻或者连接通路的连接电阻大小，判断设备之间电气连接是否良好，是一个重要的安规测试项目。何帆等［4］、戴穗等［5］我国多座光伏电站进行安规测试，发现目前国内光伏电站存在较多接地连续失效，安全隐患较大；张玉祥等［6］分析了光伏阵列之间金属连接部件的连接质量，提出多种阵列之间金属连接部件存在的质量问题。

1 检测依据和方法

1.1 检测依据

光伏电站接地连续性测试主要参考标准有CNCA/CTS 0004—2010《并网光伏发电系统工程验收基本要求》、CNCA/CTS 0016—2015《并网光伏电站性能检测与质量评估技术规范》2 项，其中前者的相关条款中对接触电阻没有明确的测试方法和限值要求，后者则提供了具体的测试和判定方法，限值为不高于0.1 Ω，如表1 所示。

表1 接地连续性相关测试标准

此外，IEC 62446：2009 Grid connected photovoltaic systems-Minimum requirements for system、GB/T 32512—2016《光伏发电站防雷技术要求》、GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》、GB 50057—2010《建筑物防雷规范》、GB/T 50065 《交流电气装置的接地设计规范》等标准均提出了光伏方阵或电气装置的接地电阻要求，但未对设备间接地连续性作明确规定。

1.2 测试原理

当电气设备之间的导通性良好时，接触电阻一般在mΩ 量级，此时连接测量仪器与探头的配线电阻、探头与被测对象之间产生的接触电阻将成为很大的障碍，极大地影响测量准确性。当采用两端子测量时，测试线自身的导体电阻以及接触电阻会被加算到被测对象电阻上，从而造成误差；四端子测量则可以消除接触电阻和引线电阻的影响，从而实现准确地测量。郭美玉等引入双回路设计，在一套设备中同时实现两端子和四端子两种方法测量功能，结果表明两端子法测试基本误差满足0.5 级设计要求，四端子法则满足0.1 级设计要求［7］。两端子与四端子测试法的原理如图1 所示。

1.3 测试方法比对

图1 两端子法和四端子法测量原理图

选择两端子法和四端子法测试仪各1 台，对比二者的准确性、重复性，其中四端子法的分辨率、测量精度都更优，但测量电流随着测试电阻的增加而降低，两端子法的测量电流则固定为200 mA。两个设备的主要性能参数如表2 所示。

表2 两端子法和四端子法测试仪设备性能

为对比两种测试方法的可靠性，在一个混凝土屋顶光伏电站选取4 处不同支架，分别测试支架之间的接地连续性，每个接触点重复测试10 次（xi），计算平均值（）和标准偏差（σ），标准偏差计算公式如下：

选取的4 个接触情况以及测试点位置如图2 所示，其中a、b 两处支架正常，未发现明显的锈蚀；c横梁未生锈，斜撑明显生锈；d 立柱和横梁均明显生锈。每次测试均重新夹鳄鱼夹，测试位置均为固定螺栓与支架型材之间。对2 种方法的测量值进行统计分析，按标准CNCA/CTS 0016—2015 进行判定，合格限值为0.1 Ω。

图2 选取4 种支架测试照片

表3 对两端子法和四端子法在不同接触点的测量结果进行了统计和判定，从表3 可知，两种方法的标准偏差均较小，尤其是四端子法重复性很高；当光伏支架明显生锈、接触电阻值较高时，二者测试结果比较接近；当接触电阻值较低时，二者有明显差别，使用两端子法测试的结果均比四端子法高，这是由于测量仪器的配线电阻、探头与支架之间的接触电阻等因素对测试结果造成影响所导致的。以0.1 Ω 为限值进行判定，两端子法全部判定为不合格，而四端子法则仅有d 一种情况不合格，可见，两端子法测试准确性较差，且容易产生误判，对光伏电站接地连续性的准确测量应使用四端子法。

表3 两端子法与四端子法测试不同接触点测量值统计结果及判定

2 测试结果分析

采用四端子法，选取2 个地面光伏电站和1 个彩钢瓦屋面电站进行大规模测试，每个电站各发现1 处接地连续性不合格的区域，经排查，发现3 种典型的等电位体连接失效的原因。

1）连接部件材料锈蚀松动。

某大型地面电站容量为60 MWp，分为16 个发电单元，测试组件与组件之间、组件与支架之间、支架与支架之间的接触电阻，每个单元抽测13 个点，共计624 个测试点，发现存在1 处支架与支架之间的连接电阻为0.394 7 Ω，不符合标准要求，其余623 处均低于0.1 Ω。经排查，支架之间的连接线采用螺栓固定，接地连续性异常处的其中一头使用的垫片已生锈且松动，更换垫片、重新连接后测试，结果符合标准要求。支架之间的连接线如图3 所示。

图3 支架连接线螺栓垫片锈蚀

文献［6］指出，光伏电站阵列之间金属连接部件存在的主要问题包括紧固螺栓松动、接触点锈蚀、镀锌扁钢锈蚀等，假设有若干组光伏阵列存在不良，产生的接触电阻、阵列之间连接材料电阻会出现串联累加效应，将严重影响雷电流的泄放，该成排光伏阵列遭雷击时易损坏。因此，连接部件材料的锈蚀、松动是光伏电站常见、隐患较大的等电位体连接失效问题。连接部件的材料锈蚀和松动导致的接触电阻升高一般并不显著，根据本文对两端子法和四端子法的比较可知，为避免误判，光伏电站中进行导通性检查应使用四端子法。

2）使用塑胶垫片。

在某2 MWp 彩钢瓦电站，抽测组件边框之间，方阵、汇流箱、逆变器和接地扁铁之间的接触电阻，分别抽测30 个点，共计120 个点，发现组件之间的30 个测试结果均超出设备量程，全部不符合要求，其余结果均小于0.1 Ω。排查组件之间接地连续性失效的原因，发现组件之间的接地线通过自攻螺钉固定在边框接地孔上，自攻螺钉与接地线之间使用塑胶垫片，使接地线与铝边框之间电气隔离，无法有效接触。对组件边框接地连接线进行整改，拆除胶垫，恢复后再进行测试，结果全部小于0.1 Ω。接地导线自攻螺钉胶垫照片见图4。

图4 接地导线自攻螺钉胶垫照片

3）导线绝缘皮残留。

在某地面电站现场抽测组件之间，方阵、汇流箱、逆变器和接地扁铁之间的接触电阻，分别抽测30个点，共计120 个点，发现逆变器与扁铁之间30 个测试结果全部超出设备量程，其余结果均小于0.1 Ω。经检查，连接组串式逆变器与扁铁的导线为带皮软铜线，导线与接线端子压接前未将绝缘皮全部修剪，导线与端子之间残留部分绝缘皮，造成电气隔离。剪除绝缘皮后重新压接并测试，结果全部小于0.1 Ω。接地导线的绝缘皮如图5 所示。

图5 接地导线的绝缘皮残留并压进铜线端子

3 结语

接地连续性是光伏电站一项重要的安规检测项目，直接关系到电站等电位体连接是否良好、能否安全运行。对于低电阻测试，一般采用四端子法原理，本文研究了四端子法在光伏电站接地连续性测试中的应用，对比了两端子法和四端子法对同一光伏支架接触点的测试，结果显示四端子法的准确性更高、重复性更好，而两端子法则很容易造成误判。在典型的光伏电站进行大批量检测，发现3 种典型的连接失效原因，即连接部件材料锈蚀松动、使用塑胶垫片、绝缘皮残留，经过整改后均恢复正常，其中连接部件材料锈蚀松动造成的接触电阻升高并不显著，为避免误判，应使用四端子法。