浅析光伏组件接地导体选择及效果

张超 ZHANG Chao；朱勇 ZHU Yong；亢亚军 KANG Ya-jun

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

“太阳能光伏组件接地”是确保工作人员与使用环境安全的关键。系统处于开断状态时，置于户外的太阳能光伏组件仍持续发电，工作人员在维护检修时将会面临很高的触电风险。另外，大规模光伏电站大部分位于空旷场地，存在雷击的风险。光伏组件接闪杆遭受雷击后，组件框架和接地支架上产生较高的过电压，波形呈现较为明显的震荡，幅值可达几十千伏，极易造成对电池单元的反击。同时当雷云接近大面积光伏组件时，就会在光伏组件上产生静电感应过电压，其感应电荷主要集中在组件的铝合金边框上。增加光伏组件单独接地，可使感应电荷直接泄入大地，保护光伏组件。因此，太阳能光伏组件的接地是十分必要的。

在设计中光伏组件的主要接地方式为借助接地导线和借助垫片，除此外还存在一些例如特殊夹具的接地方式。从工程经济性角度考虑，借助垫片进行接地的成本是远远小于借助接地导线的。但是由于组件边框氧化铝层的存在，使得普通垫片的接地效果往往不理想。因此，是否存在一种特殊的垫片，与导线接地之间具有等效性，将成为本文研究的重点。

1 光伏电站接地的规范要求

目前在我国光伏发电项目设计和施工中，防雷接地部分主要参照的规范有GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》、GB/T 32512-2016《光伏发电站防雷技术要求》和NB/T 10128-2019《光伏发电工程电气设计规范》。按照规范要求，光伏组件金属边框应可靠接地，同时光伏方阵场地内应设置接地网，接地网除应采用人工接地极外，还应充分利用支架基础的金属构件。接地设计应根据实测土壤电阻率和短路电流计算结果对接地装置区域进行接地电阻计算，光伏方阵接地应连续、可靠，接地电阻应小于4Ω。

2 接地导线选择及等阻值接地垫片

以榆林某168MW光伏发电项目为例，光伏组件先与支架檩条进行连接，形成接地电气通路。再经过支架横梁与水平接地体与大地之间接地导通。依此则有：

R=R+R+R，其中R为接地总电阻，R为入地电阻，R为横梁电阻，R为组件与檩条之间的接地导体电阻。

2.1 入地电阻计算

按照IEEE Std80-2013《交流变电站接地安全导则》中入地电阻的简化计算公式，有：

式中：R——入地电阻值，Ω；

ρ——土壤电阻率，按照GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中，干燥气候环境的沙土电阻率为1000Ω·m及以上，计算取1000Ω·m；

A——接地网敷设面积，m。

在此电站的光伏区接地系统设计中，主接地网面积大约为1500亩，合100000m。

2.2 横梁电阻计算

此工程的组件支架横梁为镀锌钢材质，导体电阻率为ρ=9.78×10Ω·m。横梁为单根长度11.2m的空心方钢结构，截面尺寸为100mm×50mm，厚度为1.6mm。按此计算横梁截面积为S=（2×100＋2×50）×1.6=4.8×10m。一套组件支架内由于组件位置不同，串入接地回路中的横梁长度也不同。为保证计算可靠性，组件接地回路串入的电阻值按照之间支架最远端考虑，即导体长度按照L=11.2m取值。

2.3 接地导体选择

该榆林光伏项目选用440Wp、445Wp及450Wp三种规格双玻光伏组件，查阅厂家资料可得单块450Wp组件的最大运行状态下短路电流为11.58A。取极端情况下一套支架内的所有56块组件之间全部短路，故障电流全部从单根接地导体流出，则总故障电流I=648.48A。假如组件与檩条之间的接地导体选用铜导线，则根据IEEE Std80-2013《交流变电站接地安全导则》中的公式：

式中：A——接地导体的截面积，k=MCM；

I———故障电流有效值，kA；

t— —电流持续时间，s；

K— —接地材料在不同T值和环境温度（T）为40℃时的常数。

t取较大值2s，这样可以保证截面积校验的可靠性更高。在IEEE Std80-2013中查表可得，硬质铜材的K取7.06。由此得出A=6.71MCM=3.402mm，故选择1×4mm规格的铜导线进行组件接地合适。

目前常用的光伏组件接地方式中，除借助于接地导线和普通平垫片外，还可应用外锯齿锁紧垫圈进行接地。相较于普通平垫片，外锯齿锁紧垫圈的锯齿在螺栓紧固安装过程中可破坏光伏组件边框的氧化铝层，形成更良好的接地电气通路。若要使组件通过外锯齿锁紧垫圈接地的效果等同于接地导线，则外锯齿锁紧垫圈的电阻值应不大于接地导线电阻值。

根据以上分析，榆林168MW光伏发电项目的单块组件总接地电阻的理论计算值为R=R＋R＋R≈0.45Ω。但是由于实际中螺栓、檩条处的紧固件及连接件均会产生接触电阻，实际测试阻值在满足规范要求的前提下应一定程度的大于理论计算值。

3 接地效果测试试验

3.1 试验目的及方法

在该榆林光伏发电项目测试光伏组件在不同螺栓紧固力矩下的借助外锯齿锁紧垫圈接地的接地电阻，反映接地效果是否能够等同于组件通过接地导线接地，试验采用三极法或四极法测量接地电阻。

3.2 外锯齿锁紧垫圈的材料选取

工程上常用的金属垫圈种类很多，按照形式及功能大致可分为平垫圈、弹簧垫圈、锁紧垫圈和其他垫圈4大类。而锁紧垫圈又可分为带齿锁紧垫圈、弹性锁紧垫圈及双叠自锁垫圈等子类。其中带齿锁紧垫圈常用的有内齿、内锯齿、外齿、外锯齿及带齿锥形几种垫片。根据光伏组件边框接地的功能需要，选取外锯齿锁紧垫圈。

市面上外锯齿锁紧垫圈的生产商较多，规格也较为繁杂，质量参差不齐。为确保接地效果，建议选用满足国标或德标规格的外锯齿锁紧垫圈，其参考的规范为GB 862.2-1987或DIN-6798。

对于该光伏发电项目，所选用的螺栓为M8规格，组件接地连接件选用外锯齿锁紧垫圈。垫圈内孔径为8.4mm～8.76mm，垫圈外径为14.57mm～15mm，锯齿齿厚为0.8mm，垫圈厚度为3倍齿厚，单片垫圈应有14齿。垫片材质为65Mn，表面经过热处理氧化，垫圈样式见图1。

图1 垫圈样式

3.3 试验过程

①选取10块光伏组件作为试验对象，其中靠近支架与主接地网一侧的5块，远离支架与主接地网一侧的5块。试验组件位置如图2所示。

图2 接地试验示意图

②在10块试验组件上安装并紧固外锯齿锁紧垫圈。每块组件的四角呈对角线方式安装2枚外锯齿锁紧垫圈，采用电动力矩扳手紧固。紧固力矩共设18N·m、21N·m、24N·m、27N·m和30N·m五档。

③在10块试验组件的边框处制作接地测试点，在测试点上分别测量不同紧固力矩下的接地电阻并记录结果。

④在10块试验组件上，组件间、组件与檩条间分别螺接1×4mm接地铜线，再次测量接地电阻并记录结果，现场实地接地效果测试如图3。

图3 接地效果现场试验测试

⑤分析整理全部试验数据，比对所有测试结果。核查10号试验组件的接地电阻是否小于设计要求值，同时确定接地效果最优的紧固力矩值。

4 试验数据分析

根据试验测得的数据整理为表1。

表1 接地电阻试验数据

由试验数据分析可得知，光伏组件利用外锯齿锁紧垫圈进行接地，接地电阻基本上与通过铜导线接地时一致。同时，对于M8固定螺栓而言，紧固力矩在21N·m～24N·m时接地效果最优。由于横梁接口、檩条安装件处产生的接触电阻，整体实测值大于理论计算值，且远离接地主网侧的光伏组件接地电阻大于靠近接地网侧。但整体接地电阻均小于国标规范中4Ω的要求，接地系统设计及施工合理。

5 结论

光伏组件的接地在实际工程中有多种方式，目前主要采用通过导线和通过垫片两种接地方案。本文提出了通过外锯齿锁紧垫圈进行组件接地，从接地电阻及导体电阻的概念出发，通过计算和接地效果试验得出以下结论：对于光伏组件常用的M8、M10等规格的安装螺栓，选用满足国标的外锯齿锁紧垫圈均能实现与接地导线的电阻值相同；对于M8螺栓而言，组件接地的最佳螺栓紧固力矩为21N·m～24N·m；由于支架横梁钢构件处接触电阻的存在，远离接地网侧的组件接地电阻要大于靠近接地网侧；在达到一定螺栓紧固力矩的前提下，光伏组件通过外锯齿锁紧垫圈和接地导线能达到相同的接地效果，在日后的光伏发电工程中可进行推广应用。