1、光伏发电系统的雷电防护设计浅析【摘要】本文分析光伏发电系统雷电防护的一般设计方向，并根据分析提出实用、经济的雷电防护方案要求。 【关键词】光伏发电系统防雷措施 中图分类号：TM61 文献标识码： A 引言 我国是世界上为数不多的几个以煤炭为主的能源消费国家，煤炭消费的比重虽然这几年有一定程度的下降，但目前还是超过了 65，能源消费结构不合理。同时中国的能源消费从整体上讲还属于粗放型能源利用方式，与现代集约经济发展的要求存在很大的差距。因此，从长远来看，包括太阳能在内的新能源和可再生能源将大力发展，以逐步改善以煤炭为主的能源结构，促进常规能源资源更加合理有效地利用，使我国能源、经济与环境的发展相
2、互协调，实现可持续发展目标已成为国家战略。国家计委、国家科委、国家经贸委制订的19962010 年新能源和可再生能源发展纲要则进一步明确，要按照社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业建设步伐。20112015 年，我国将大规模推广应用新能源和可再生能源技术，使新能源和可再生能源的开发利用量达到 4300 万吨标准煤，占我国当时商品能源消费总量的 2%。国家能源法也明确提出“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源” 。因此，积极开发利用可再生能源，替代部分煤电，减轻能源对外依靠的压力，对改善我国能源结构和走能源可持续发展的道路是十分必要的。对“十二五”末光伏产业发展的估计：201
3、5 年中国太阳电池年产量至少达到50GWp，占全球产量的 50%以上;中国国内光伏市场发展速度将在政策扶持下快速发展，但会保持一定节奏，直至实现用户侧平价上网;2015 年国内累计装机量目标如定在 15GW,实际装机有可能超过该目标;如果国内安装量保持在年平均增长 50%左右,2020 年完全可以实现 50GW 的目标。如果要实现 100GW 的更高目标，年平均增速需保持在 60%以上。光伏电站工程的实施则是诠释优化能源结构和相应国家号召的一个很好的实例。 本文从光伏发电系统防雷的必要性、可行性和需要采取的雷电防护措施和要求论述，希望可以对此行业的雷电防护有一定的帮助。 1.光伏发电系统的组成
4、与分类 光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。一般将光伏系统分为独立发电系统和并网发电系统。如果根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Small DC） ；简单直流系统（Simple DC） ；大型太阳能供电系统（Large DC） ；交流、直流供电系统（AC/DC） ；并网系统（Utility Grid Connect） ；混合供电系统（Hybrid） ；并网混合系统。 。 2.光伏发电系统雷电防护方面存在的
5、隐患和简单原因分析 光伏产业是一个新兴的环保产业，它自身的雷电防护还未有一个完整的体系。目前大家还依然按照常规的雷电防护方法进行雷电防护设计。在这其中光伏发电系统的防雷减灾工作存在一系列问题。 光伏产业的开发商们和项目操作者对雷电灾害的防范意识薄弱，总爱走擦边球路线，存在侥幸心里。 防雷工程未完全考虑到该行业的一些特殊性，按照常规雷电防护进行设计施工。 防雷工程中的防雷产品质量参差不齐，为了减少成本投入使用一些劣质产品。 防雷基础理论和应用理论的研究工作刚刚起步，还未完善。 防雷工程后期部分防雷措施不能很好的发挥防雷作用，主要是由于后期维护未正常进行。 3. 光伏发电系统雷电防护一般措施和要求
6、 3.1 现以太阳能光伏电站为例进行分析，太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，雷电防护等级为 C 级。 3.1.1 太阳能光伏电站防雷和接地涉及到以下的方面： 尽量避免将光伏电站建筑在雷电易发生的和易遭受雷击的位置进行建设; 尽量避免避雷针的投影落在太阳电池组件上。适当的条件下可不单独设避雷针，以太阳能电池组件的金属框架作为接闪器; 防止雷电感应：控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。在进出线处可增设防雷隔离箱，内装防雷保安器（分电源防雷保安器和通道防雷保安器两种） 防止雷电波侵入:在出线杆上安装
7、阀型避雷器，对于低压的 220/380V可以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于 30 欧姆。接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。 接地系统的要求所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据,建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。 光伏电站接地阻值的要求电气设备的接地电阻 R4 欧姆，满足屏蔽接地和工作接地的要求。在中性点直接接地的系统中，要重复接地，R10 欧姆防
8、雷接地应该独立设置，要求 R30 欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在 3M 以上。 总的来讲，光伏系统的接地包括以下方面。 防雷接地:包括避雷针、避雷带以及低压避雷器、外线出线杆上的瓷瓶铁脚还有连接架空线路的电缆金属外皮。 工作接地:逆变器、蓄电池的中性点、电压互感器和电流互感器的二次线圈。 保护接地:光伏电池组件机架、控制器、逆变器、以配电屏外壳、蓄电池支架、电缆外皮、穿线金属管道的外皮。 屏蔽接地:电子设备的金属屏蔽。 重复接地:低压架空线路上，每隔 1 公里处接地。 材料选择和规格要求： 接闪器如果采用避雷针可以采用直径为 12mm 圆钢为制作材料，如果采用避雷带，则宜采用圆钢或者扁
9、钢，圆钢直径不应小于 8 mm。扁钢截面面积48mm2，厚度不应该小于等于 4 mm。 引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用直径8mm 的圆钢，扁钢截面面积48mm2，厚度不应该小于等于 4 mm。 接地装置:人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢；水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于 10mm，扁钢截面不应小于100 mm2，角钢厚度不宜小于 4mm，钢管厚度不小于 3.5mm。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于 0.5mm，需要热镀或其他锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。但在实际操作中本文建议以埋入土中的水泥基础内钢筋为基地装置，这就要求水泥基础内钢筋在施工中可适
10、当增加规格和良好的导通能力。并且做好预留端以备以后接地使用。如果还无法达到接地要求的情况下可补加接地体。如图所示： 3.1.2 太阳能光伏电站的雷电防护有关浪涌保护器方面： 对于大型的光伏发电系统，为了提高系统的可靠性，方便操作及维护，一般都需要在汇流箱内安装高压防雷器保护装置和逆变器房内配置直流配电柜，将户外的光伏方针接入后进行汇流，再与逆变器的直流侧连接。在直流配电柜中分了几个单元（数目看工程具体情况而论） ，每个直流配电单元的直流输出侧都要配置光伏专用的避雷器。这样和汇流箱内的避雷器实现多级防护的作用。直流配电柜如下图所示： 在施工时需要注意：逆变器运行后，需打开盘门进行检测时，必须确认
11、无电压残留后才允许作业。逆变器在运行状态下，严禁断开无断弧能力的汇流箱总开关或熔断器。如需接触逆变器带电部位，必须切断直流侧和交流侧电源、控制电源。严禁施工人员单独对逆变器进行测试工作。 逆变器后是交流配电柜，在此柜中须装避雷器。如下图所示： 在监控系统、信息系统和语音系统等系统中需要装设适配避雷器。按照一般性监控系统的浪涌保护器的方法进行设计和安装。 环境测试仪和数据采集器等其他小型设备需要安装浪涌保护器，但要注意安装避雷器后需要保证这些设备的正常运行，不能影响仪器的测量值。建议这些仪器做全面的防护。 如果光伏发电系统并网供电，在变压器的前后需要安装适配的避雷器。 注：在接闪装置遭到雷击时，
12、为了减小在太阳能模块产生的机械应力，在发电机接线盒中尽可能靠近光伏发电机的地方安装了具有热监控功能的电涌保护器。对于电压高达 1000V 直流发电机电压，在正极和负极对地之间安装电涌保护器（例如电涌保护器 DEHNguard PV 500 SCP）.因为光伏板处于外部防雷装置的保护范围内，该 SPD 已足以满足保护要求.为延长保护装置周期性现场检查的时间间隔，根据实践证明，使用带有浮动触点的电涌保护器来指示热脱扣装置的工作状态是一个行之有效的方法。 3.13 在二次调试后一切雷电防护措施必须都能够正常运行。光伏电站防雷与接地系统安装应符合电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范GB 50169
13、 的相关规定，和设计文件的要求。 3.2 对于一些如直流节能灯、小型基站供电等简单的光伏发电系统按照上述方法简化后进行雷电防护。 4 防雷工程完成后的维护和管理 查看避雷器是否正常工作，如果不能正常工作需要找当地防雷中心或正规防雷公司进行咨询或整改。检查项目：有无接触不良、漏电流是否过大、发热、绝缘是否良好、积尘是否过多等。 防雷装置需要周期性维护，每年在雷雨季节到来之前，应进行一次全面的检测。检测项目如防雷接地电阻是否大于规定值、电器通路是否良好等，须向当地防雷中心报检。 对于防雷装置锈蚀、脱焊等情况，在咨询当地防雷中心后可自行按照规范进行维护。 防雷装置，应有熟悉雷电防护技术的专职或兼职人
14、员负责管理。投入使用后，应建立管理制度。对防雷装置的设计、安装、隐蔽工程图纸资料、年间测试记录等，均应及时归档，妥善保管，以便后期维护和改造。 5 结束语 光伏发电是一个新兴的行业，这个行业的规范还未完善。希望也能够全面规范的去做雷电防护，让光伏发电这个行业的雷电防护尽快走入正轨，成为各行业的一个雷电防护典范。本文主要简述了光伏发电系统雷电防护需要防护的地方和方法，以及一些主要的注意事项。 主要参考文献 GB50057-94/GB50057-2010 GB50343-2012 GB50169-92 梅卫郡 江燕如编著的 建筑防雷与设计（第三版） 光伏电站施工规范征求意见稿 王斯成（国家发改委能源研究所） 国内外大型光伏电站新进展及大型光伏电站的优化设计 阳光电源股份有限公司 300KW 光伏发电低压侧并网方案介绍
