光伏发电系统的防雷接地设计

光伏发电系统的防雷接地设计

苏波 1 邱思宁

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中国轻工业南宁设计工程有限公司 广西南宁 530007

广西壮族自治区计量检测研究院 广西南宁 530007

【摘要】选择清洁可持续的能源进行发电是科学家们目前重点研究的课题。太阳能能源因为其符合这个特点一直是在现实应用的热点。光伏发电系统在实际发电应用中常遇到雷击问题这是限制其发展的一个重要原因。光伏发电系统无论是并网发电系统还是离网发电系统都需要安装在户外，在遭到雷击时轻则产生轻微的火花，重则会直接导致线路被击穿，甚至引发因线路短路而发生的火灾现象。所以要对光伏发电系统进行防雷设计。

【关键词】 光伏发电系统；防雷；接地设计

1. 雷击对于光伏发电系统的危害

能够对光伏发电站产生雷击影响的主要有三种直击雷和雷电感应以及雷电波侵入，要了解这三种雷击的特性才能够提出具体的解决方案。

1. 1. 直击雷的特性

直击雷顾名思义就是直接落雷击打在受害物体之上进而造成目标物体破坏的现象。他的成因是因为带电的积云同地面的目标物体之间产生放电现象，放电生热产生机械力在破坏目标物体的同时还可能会对人畜造成伤亡。直击电压可以瞬间达到几万伏特甚至是几百万，这样强力的电压主要是因为雷云中隐藏的能量能够在很短的时间瞬间释放出来。这种瞬发的雷电灾害会对光伏发电站造成巨大的伤害。

1.2 感应雷的特性

感应雷电能对光伏发电站作用产生的能量很少，但是他的发生频次远远高于直击雷。感应雷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。

1.2.1 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。

1.2.2 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。

光伏发电系统中的电缆线路复杂为电磁感应雷在光伏发电站内部的传输提供了物质条件。光伏发电系统目前因为智能化信息化的升级，而光伏发电系统设备随着科技的发展，智能化程度越来越高，光伏发电站中的集成电路板以及低压电路应用广泛。这几种电路元件的抗电压能力越来越差，一旦受到高压往往是核心的电路器件受损，所以一定要严格预防感应雷的侵害。

1.3 雷电波侵入特性

雷电波的侵入主要是发生在架空线路、埋地较浅的金属管道以及之间。这些位置会因为附近落雷而产生强力的高电压，大量的电压会产生脉冲浪涌。这样大量的电荷不能迅速接地会使雷电冲击波沿金属导体传播，会破坏很大范围之内的设备连接。

二、光伏发电站防雷接地设计方案

2.1 避雷针的安装

避雷针是常见的一种预防雷击接地措施。避雷针对于印制直击雷对建筑造成的危害具有抑制和屏蔽的作用。为了减小被直接雷击的机会可以安装接闪器，在布置引下线的时候尽量采用多根引下线均匀布置降低引下线沿线减压避免被侧击。并使引下线泻流产生的磁场强度减小。引下线的均匀布置可使引下线泻流产生的电磁场在建筑物内空间内部部分抵消，以抑制感应雷的产生强度。引下线应该连接在环形地网的四周可以在雷电流散流以及实现内部电位的均衡。

接闪器的避雷设备应该根据实际情况选用。避雷针在地平面上保护半径 ，那么，避雷针在h_x高度的平面上保护半径:_。

2.2 接地的基本概念

带点导体即使与大地接触但是接触点的电压还是很高的，一旦操作人员操作不当就会发生危险。要去电压的将低幅度不能过大，电压降U_Z同流入大地的电流I_Z之间的比值被称为接地电阻R_Z，得到的公式如下所示。

当I_Z一定时，R_Z越大，U_Z也越大。规避风险就要把电阻控制在安全数值之下，用以保证光伏发电系统以及施工人员的人身安全。接地主要是为了保证电器设备的正常运转以及施工人员的人生安全，一般是用金属导线同接地装备连接将电器设备的安全隐患电流电压引入地下避免发生用电事故和火灾爆炸的发生。

电流自接地装置的周围向大地流散所遇到的全部电阻称为流散电阻。有高频特性的雷电冲击电流，使接地极本身电抗增大全部电阻称为冲击电阻。而冲击电阻远小于流散电阻，可以忽略。电接地装置的流散电阻与接地装置至总接地端子的接地导体电阻的总和称为接地电阻。

概括地说，接地是为了保证电力设备正常工作和人身安全所采取的一种安全用电措施，通过金属导线与接地装置连接来实现接地。接地装置能够将电力设备和其他生产设备上可能发生的漏电流、静电荷以及雷电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故的发生。

三、光伏系统防范感应雷措施

光伏系统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。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。

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，这些措施可以避免因雷击而产生的过电压。

四、结语

采用安装避雷针以及接地设备预防光伏电站的雷击事故有助于光伏发电站的推广应用。另外研究种直击雷和雷电感应以及雷电波侵入这三种雷击的特点可以应用于其他电力设备的用电安全之中，对于整个电力行业的发展进步起到积极的促进作用。

参考文献

[1]李永梅,高三星保.浅析柴达木光伏发电工作中防雷检测技术的运用[J].智能城市,2020,6(06):79-80.

[2]陈晓亮. 七台河市800kWp分布式光伏发电项目系统设计与实现[D].东北农业大学,2019.

[3]张明军.雷击对光伏发电系统的危害及防范[J].农村电工,2019,27(01):38.

[4]赵清江,王玥.屋顶光伏发电系统雷击浪涌防护[J].电瓷避雷器,2018(03):116-120.

[5]窦志鹏. 光伏发电系统雷电危害及防护研究[D].南京信息工程大学,2018.