林瑞基
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【摘要】 光伏电站的防雷是一个系统而且重要的工程，本文从雷击对于光伏发电系统的危害出发，根据工程设计经验及相关规范，从防感应雷设施措施上，对光伏的防雷接地进行了探讨。
【关键词】 光伏发电系统；防雷；接地设计
一、感应雷的特性
感应雷电能产生的能量很少，但是他的发生频次、对光伏电站设备的情况影响远远高于直击雷，一般光伏电站设计时，主要考虑防感应雷为主。从形成方式上来看主要可以分成静电和电磁感应两种来源。
1、静电感应雷
静电感应雷是指在雷云来临之时地面上的导体会因为静电感应产生大量的同雷电极性相反的束缚电荷。当雷云发生放电反应之后隐藏在导体之中的束缚电荷就会演变成自由电荷了进而产生高压的静电电压，他的电压增幅可能瞬间达到几万甚至十几万，造成光伏发电系统内部导线以及不良接地金属导体以及金属设备的放电现象。
2、电磁感应雷
电磁感应雷主要发生在雷电的放电期间。因为雷电的极其能量巨大的变化率在其周围形成了剧变的强力磁场。这种剧变磁场会引发附近导体的电动势。电磁感应累主要是沿着导体传播会损坏电路设备以及电路元件。
二、雷击对于光伏发电系统的危害
1、对组件的危害
光伏组件是光伏发电系统的核心部分，也是光伏发电系统中价值最高的部分，其作用是将太阳能的辐射能量转换为电能。雷击会对组件产生：①对太阳能组件的损害。太阳能电池由半导体硅材料制作而成，雷击主要会对硅材料或体内PN结产生伤害，破坏电池片PN结晶体场，使电池片PN结产生缺陷，引起杂质的迁移，最终会导致半导体寿命下降，影响太阳能电池组件的使用寿命或直接造成组件的损坏；②对保护器件的损害。对浪涌保护器（SPD）破坏性冲击，造成功能失效，如未及时发现，将无法保护设备而引起损失；对组件旁路二极管造成破坏，雷电的过电流极易损坏旁路二极管，导致组件的保护功能损坏。
2、对逆变器的危害
逆变器是将光伏组件所发出的直流电转换成为交流电的装置。当光伏电站遇到感应雷电时会致使发电设备接地有些的电势（与基准点比照的某一点的电压）上升，感应电势会致使发电设备内的主电路发作过度性异常高电压——浪涌电压。这种电压会损坏发电设备内的主板，进而损坏逆变器。如逆变器损坏将会出现以下情况。①用户负载无电压输入，用电设备无法工作。②逆变器无法将电压逆变，导致太阳能电池板上的直流电压直接供负载使用，如果电压过高就会烧毁光伏组件。
3、对开关站设备的危害
光伏电站开关楼的直流系统承担了保护、自动装置及其控制、信号回路提供稳定可靠电源的职责，直流系统直流母线失压会导致继电保护及安全自动装置无法正确动作，进而在系统发生故障时保护将越级跳闸，对电站产生经济损失。当直流系统遭受到雷击或过电压损坏时会出现以下情况。①直流系统故障，无法为二次设备供电，光伏电站处于一种无人控制状态，当厂区高压设备、或设备柜出现故障时，设备越级跳闸会给高压设备带来损坏②引发二次设备过压烧毁，导致光伏电站运行时缺失继电保护及安全自动装置、或二次信号。导致电站人员无法正确判断电站的运行情况，如盲目操作，则会带来触电安全危险。
三、光伏发电站防雷接地设计方案
1、避雷针设计
架设避雷针是光伏变电站防直击雷的常用措施，避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器，其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中，从而起到保护设备效果。光伏变电站装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。对于光伏变电站的开关站，保护室外设备及架构安全，必须装有独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于五米，主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于三米，独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10Ω，并需满足不发生反击事故的要求；电压等级配电装置的绝缘水平较高，可将避雷针直接装设在配电装置的架构上，同时避雷针与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度应大于十五米。因此，雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。
2、等电位接地设计
光伏场区的预防感应雷措施主要是采用等电位联结方式，这就意味着进入光伏系统的金属导电部件也必须接入等电位联结系统。把单元内的光伏电池板铝合金框架、方轴、立柱及固定支架等形成可靠的金属连接，构成局部等电位联结。再把每单元光伏方阵支架的四个角的立柱，与由水平接地和垂直接地组成的光伏接地网连接，构成大的等电位联结系统。这个等电位联结系统是预防感应雷的关键措施。等电位连接实现各金属物体之间等电位，防止互相之间发生闪络或击穿。防雷系统的关键部分是太阳能光伏并网发电系统的所有金属结构和设备外壳连通并接地。具体的做法是：太阳电池组件和支架及设备的外壳直接接到等电位系统上，直流和交流电缆通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。为防止部分雷电流侵入建筑物，光伏组件边框上的接地孔须用BVR-1x6铜绞线逐个跨接，直至两边边缘与支架的连接螺栓用线鼻可靠固定，站内所有设备（主要为光伏组件及其附件，包括组件支架）均应按DL/T621《交流电气装置接地》要求可靠接地；光伏方阵区内相邻组件间、相邻矩阵间均需通过接地线相连，并最终与主接地网连接。
3、光伏场区接地网设计
良好的接地使接地电阻减小，才能把雷电流导入大地，减小地电位，各接地装置都要通过接地排相互连接以实现共地防止地电位反击。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻必须小于10Ω。低压电力设备接地装置的接地电阻，不宜超过 4Ω。光伏设备的接地系统设计为环形接地极（水平接地电极），建议网络大小为 20m×20m。固定的金属支架大约每隔 10m 连接至接地系统。太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接，在焊接处也要进行防腐防锈处理，这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。水平接地极铺设在至少 0.5m 深的土壤中（距离冻土层深 0.5m），使用十字夹相互连接成网格状。
另外，光伏系统还有升压变压器的接地装置、高压上网的真空开关和避雷器的接地装置。在两个以上不同方向、不同接入点，用镀锌扁铁把光伏接地网和接地装置联接起来，把不同的接地装置联接起来。扁铁联接的距离应大于15米以上。上述光伏接地网、接地装置的接地电阻同样应小于4欧姆。光伏接地网和接地装置全部联接起来，可以降低接地电阻，也可防雷击事故的发生。
4、设备防雷设计
在升压变压器的低压配电侧，及交流配电箱的地零线间加装交流过压保护器，在汇流箱、逆变器的输入端分别安装浪涌抑制器，这些措施也可以避免因雷击而产生的过电压。
四、结语
采用安装避雷针、等电位接地设计、光伏场区接地网设计、以及设备防雷设计等预防光伏电站的雷击事故有助于光伏发电站的设计推广，对于整个电力行业的发展进步起到积极的促进作用。
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