方 磊

水電十四局大理聚能投資有限公司 云南 大理 671000

1 概述

截止到2019年底，我國(guó)集中式光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量已超過(guò)20 GW，根據(jù)光資源的分布情況，大多數(shù)光伏電站建于戈壁、沙漠和高原山區(qū)，地勢(shì)的特點(diǎn)造成光伏電站在雷雨季節(jié)時(shí)極易遭受雷擊，進(jìn)而造成光伏電站內(nèi)光伏組件、匯流箱、逆變器及站內(nèi)設(shè)備受到損壞，直接影響光伏電站運(yùn)行安全，對(duì)電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和發(fā)電量損失。有效的光伏電站防雷設(shè)計(jì)、施工、接地檢測(cè)工作是關(guān)系到光伏電站防雷安全的重要保障，對(duì)后續(xù)光伏電站運(yùn)行安全具有重要意義。

2 某光伏電站防雷概況

某光伏電站地處云南省西部山區(qū)，海拔高度為1800 m-1960 m，光伏電站場(chǎng)區(qū)為喀斯特地貌，現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，裸露巖石較多，年平均雷暴日為49.1天，為雷暴多發(fā)區(qū)域，自投運(yùn)以來(lái)，兩次出現(xiàn)因雷擊造成光伏組件背板接線盒二極管、匯流箱測(cè)控模塊及電源模塊、站內(nèi)SVG 設(shè)備元器件損壞及送出線路跳閘情況。雷電活動(dòng)嚴(yán)重影響了光伏電站的安全運(yùn)行。

該光伏電站防雷按區(qū)域劃分主要有兩大部分組成，開關(guān)站防雷和光伏陣列防雷。開關(guān)站防雷采用水平接地體為主，垂直接地體為輔的復(fù)合型接地網(wǎng)，水平接地體為60 mm*6 mm 鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用2.5 m 長(zhǎng)50 mm*5 mm*5 mm 鍍鋅角鋼。光伏陣列地網(wǎng)采用水平接地體和利用光伏支架基礎(chǔ)為垂直接地體結(jié)合的方式，光伏陣列區(qū)域光伏支架、匯流箱、箱變、逆變器、電纜分接箱接地形成等電位連接，構(gòu)成一個(gè)完整的大接地網(wǎng)。最終形成開關(guān)站地網(wǎng)與光伏陣列地網(wǎng)連接的接地方式。其中，開關(guān)站接地電阻值不大于0.5Ω，獨(dú)立避雷針接地電阻值不大于10Ω，光伏陣列接地電阻值不大于3.5Ω。

3 光伏電站受雷擊典型案例分析

3.1 光伏陣列接地檢測(cè)情況 光伏電站投運(yùn)后，電站每年均組織開展了光伏陣列及開關(guān)站、獨(dú)立避雷針的接地電阻檢測(cè)工作，檢測(cè)結(jié)果為三個(gè)區(qū)域光伏陣列接地電阻分別為0.7Ω、3.2Ω、1.4Ω，開關(guān)站接地電阻為0.39Ω，獨(dú)立避雷針獨(dú)立接地網(wǎng)阻抗值為6.62Ω。電站接地情況滿足設(shè)計(jì)要求。場(chǎng)區(qū)地表電位梯度和跨步電勢(shì)良好，所抽測(cè)設(shè)備接觸電勢(shì)、轉(zhuǎn)移電位測(cè)試結(jié)果均良好。

受雷擊后雷電流釋放能力影響，電站在兩次出現(xiàn)場(chǎng)區(qū)雷電活動(dòng)時(shí)均出現(xiàn)了光伏組件背板接線盒二極管燒壞、匯流箱測(cè)控模塊及電源模塊損壞情況。在光伏陣列接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求的情況下仍出現(xiàn)雷擊造成設(shè)備損壞。經(jīng)分析，造成設(shè)備損壞的主要原因?yàn)槔纂姼袘?yīng)至光伏組件及直流線路上時(shí)無(wú)法及時(shí)釋放雷電流造成。

3.2 雷電侵入分析 雷電的入侵方式主要直擊雷、感應(yīng)雷和雷電波三種方式，從電站兩次雷擊損壞設(shè)備元器件的狀態(tài)分析，電站損壞的電氣元器件均為過(guò)流燒壞，未出現(xiàn)嚴(yán)重的受外力沖擊造成的機(jī)械損壞，分析為感應(yīng)雷引起直流電纜和RS485通信線上產(chǎn)生過(guò)電流造成元器件損壞。因此，電站從預(yù)防感應(yīng)雷方面開展設(shè)備防雷措施制定及實(shí)施。

3.3 光伏陣列防雷接地整改方式 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光伏組件背板接線盒損壞情況分析，光伏接線盒主要輸出單塊光伏組件的電流，在接線盒處無(wú)相應(yīng)防雷模塊設(shè)計(jì)，單個(gè)光伏子陣18塊組件之間連接通過(guò)接線盒輸出直流電纜串聯(lián)連接，最終匯集至匯流箱直流輸入回路，在匯流箱直流母線上才安裝了浪涌保護(hù)器，詳見(jiàn)下圖：

經(jīng)分析，因光伏子陣至匯流箱之間無(wú)任何防雷設(shè)施，且部分光伏子陣距離匯流箱距離在30-50米之間，此區(qū)域存在雷電時(shí)出現(xiàn)感應(yīng)過(guò)電壓情況，雷電過(guò)電壓感應(yīng)到光伏組件輸出的直流電纜、光伏組件或者RS485通信線上，出現(xiàn)的雷電流會(huì)造成光伏組件接線盒內(nèi)二極管損壞、匯流箱測(cè)控模塊損壞。

為此，電站根據(jù)歷年雷擊組件及直流匯流箱損壞情況分區(qū)域、有重點(diǎn)的對(duì)雷擊損壞設(shè)備嚴(yán)重的區(qū)域開展了防雷技改工作。電站采取了在光伏子陣末端直流電纜上增加浪涌保護(hù)器(SPD)的整改方式進(jìn)行光伏組件防雷整改工作，具體增加方式為在光伏子陣末端正、負(fù)極電纜接線上并聯(lián)浪涌保護(hù)器(SPD)，防雷器接地端采用16 mm2軟銅線直接接入光伏列陣的主接地網(wǎng)上，以此增加光伏子陣上光伏組件及直流電纜雷電過(guò)電壓時(shí)的雷電釋放能力。具體接線方式如下圖：

其中，浪涌保護(hù)器(SPD)的參數(shù)應(yīng)與直流匯流箱、線路的參數(shù)相匹配，避免選擇的避雷器參數(shù)與保護(hù)設(shè)備、線路參數(shù)不一致情況。

3.4 直流匯流箱接地整改方式 在出現(xiàn)雷擊感應(yīng)過(guò)電壓后，電站匯流箱測(cè)控模塊也受過(guò)電壓損壞情況。根據(jù)光伏陣列的防雷措施，電站采取了在匯流箱測(cè)控模塊RS485通信線測(cè)增加浪涌保護(hù)器的防雷措施。同時(shí)，對(duì)通信線的屏蔽線進(jìn)行接地處理。

在電站對(duì)光伏陣列及光伏匯流箱按上述整改措施技改后，經(jīng)過(guò)三年的雷雨季節(jié)，光伏組件、直流匯流箱未發(fā)生過(guò)因雷擊造成的組件接線盒二極管及匯流箱測(cè)控模塊損壞情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了增加浪涌保護(hù)器的整改效果較好。

3.5 其它方面 在開展光伏陣列區(qū)域防雷整改的同時(shí)，我公司結(jié)合開關(guān)站內(nèi)設(shè)備、送出線路防雷特點(diǎn)對(duì)開關(guān)站內(nèi)SVG 冷卻風(fēng)扇電源和RS485通信線上均增加了浪涌保護(hù)器。根據(jù)電站送出線路受雷擊跳閘的影響，在架空線路上選取一定數(shù)量地勢(shì)較高的鐵塔在其頂部增加線路避雷器的防雷整改方式。通過(guò)對(duì)站內(nèi)設(shè)備和架空線路的防雷技改工作，電站受雷擊影響造成的設(shè)備跳閘次數(shù)大幅度降低，防雷技改工作具有積極的效果。

4 結(jié)論

結(jié)合我公司光伏電站防雷設(shè)計(jì)施工及后期整改工作，建議同類型光伏電站在新建、改擴(kuò)建及后期運(yùn)營(yíng)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注以下工作：

(1)在電站建設(shè)前，充分對(duì)光伏電站光伏組件布置區(qū)域的地形、地質(zhì)條件全面分析，收集多年電站區(qū)域雷暴日情況，根據(jù)地形、地質(zhì)條件有針對(duì)性的開展光伏陣列防雷設(shè)計(jì)及施工，掌握布置光伏組件區(qū)域的土壤電阻率，清晰判定常規(guī)接地方式或特殊接地方式哪種能夠滿足光伏陣列防雷技術(shù)要求。將接地施工設(shè)計(jì)及施工方案在電站建設(shè)前期準(zhǔn)確判定。

(2)可充分利用光伏組件金屬支架基礎(chǔ)作為垂直接地體，在施工階段將支架基礎(chǔ)施工與接地施工有效銜接。

(3)光伏組件子陣之間基礎(chǔ)水平接地體、組件與支架之間的金屬部分須形成有效的等電位連接，確保光伏陣列設(shè)備電位一致。

(4)避免光伏組件之間直流電纜及匯集輸出至匯流箱的直流電纜出現(xiàn)外露情況，應(yīng)全部采用穿PVC管組件背板后敷設(shè)及穿PVC管入地敷設(shè)的方式，最大限度的減少雷擊時(shí)感應(yīng)到直流電纜上的過(guò)電壓。

(5)在土壤電阻率高的區(qū)域可采用同光伏組件、直流電纜、匯流箱同電壓等級(jí)的浪涌保護(hù)器進(jìn)行設(shè)備防雷，按照“分級(jí)保護(hù)，就近釋放”的原則進(jìn)行浪涌保護(hù)器安裝。

(6)定期開展光伏電站光伏陣列區(qū)域及開關(guān)站防雷檢測(cè)工作，確保接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求。日常巡檢、定檢過(guò)程中注意已安裝的浪涌保護(hù)器的運(yùn)行情況，出現(xiàn)損壞時(shí)及時(shí)更換。