陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司 ■ 馬季

一 引言

大型并網(wǎng)光伏電站一般定義為裝機(jī)5MW以上、接入電壓等級為66kV及以上電網(wǎng)的光伏電站[1]。2009年以來，陜西在以靖邊為中心的陜北榆林地區(qū)大力發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，其中在靖邊設(shè)立的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)，擬建設(shè)裝機(jī)總量200MW的太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目。目前，華電集團(tuán)、國電集團(tuán)分別投資建設(shè)的5MW光伏發(fā)電項(xiàng)目和陜西光伏產(chǎn)業(yè)有限公司投資建設(shè)的10MW光伏發(fā)電項(xiàng)目已開工建設(shè)。由于靖邊是雷電多發(fā)區(qū)，電站需要建設(shè)防雷設(shè)施，但國家目前尚未頒布明確的大型并網(wǎng)光伏電站防雷相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文就大型光伏發(fā)電項(xiàng)目的防雷問題進(jìn)行了研究，并針對大型光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際狀況提出了大型光伏發(fā)電項(xiàng)目的防雷方案。

二 大型光伏發(fā)電項(xiàng)目的防雷需求

大型并網(wǎng)光伏電站主要由光伏方陣(固定或跟蹤)、匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、電網(wǎng)接入系統(tǒng)(升壓、計(jì)量設(shè)備等)、交/直流電纜、監(jiān)控及通訊裝置、防雷接地裝置等組成。目前的防雷設(shè)計(jì)主要針對獨(dú)立光伏電站進(jìn)行，而對于大型光伏電站，其占地面積相對較大，且場站沒有高大建筑物，對防雷方案會(huì)產(chǎn)生重大影響[2]。以靖邊陜西光伏電站為例，其裝機(jī)規(guī)模為10MW，光伏方陣區(qū)共安裝光伏板(方陣單元)1600個(gè)，場站長870m，寬260m，占地面積達(dá)23萬m2，相當(dāng)于4個(gè)足球場那么大[3]。如此大的場區(qū)，雖然設(shè)備安裝高度不高，但場內(nèi)安裝了眾多的電力設(shè)備，其工程屬性無疑為電力工程。相對常規(guī)電站而言，光伏設(shè)備造價(jià)相對較高，雖然目前沒有針對性的防雷規(guī)范，但針對常規(guī)電站的有關(guān)防雷原則對光伏發(fā)電同樣適用，卻不可完全照搬。以陜西靖邊光伏電站項(xiàng)目為例，其避雷方案的制定，就存在一些不同于常規(guī)電站的防雷需求：

(1) 陜西省靖邊縣位于毛烏素沙漠邊沿和陜北黃土高原丘陵區(qū)，屬干旱、半干旱氣候。該區(qū)域年平均雷暴日為30d，最大年雷暴日為40d，屬于高雷區(qū)[4]。光伏電站場區(qū)平坦寬曠，屬典型的曠野地貌，如不設(shè)防，不僅昂貴的光伏發(fā)電設(shè)備存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)，場區(qū)工作人員在進(jìn)行正常的場區(qū)巡邏時(shí)，同樣存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)；靖邊地區(qū)為干旱地區(qū)的綠洲濕地，電站所在地地下水埋深僅約1.5m，局地空氣濕度遠(yuǎn)大于周圍，構(gòu)成了雷電通過空氣下瀉的優(yōu)先通道，更易產(chǎn)生雷電。因此，必須對電站進(jìn)行大面積防雷防護(hù)。

(2) 光伏板的工作電壓雖然只有幾十伏，但由于大型光伏電站裝機(jī)一般都在5MW以上，匯集電流較大，且通過110kV線路并入榆林電網(wǎng)，已接入交流高壓電網(wǎng)。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，沿架空線路侵入高電位所造成的事故占總雷害事故的70%[4]，顯然需要做針對性的防雷設(shè)計(jì)。

(3) 光伏發(fā)電機(jī)一般是直流發(fā)電，直流方面過壓保護(hù)的應(yīng)用與在交流方面的應(yīng)用相比，有重大區(qū)別。傳統(tǒng)的過電壓避雷器主要從交流考慮，其對地電勢具有正負(fù)極性，最大持續(xù)電壓至少為光伏發(fā)電機(jī)開路電壓的50%，這是光伏發(fā)電機(jī)電流環(huán)路多年來的電路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；另外，光伏設(shè)備直流電流環(huán)路的特殊性也應(yīng)給予考慮。這些問題在防雷設(shè)計(jì)中若不加重視，將帶來嚴(yán)重的后果。

三 大型并網(wǎng)光伏電站防雷方案

目前，我國光伏電站發(fā)展與歐洲等國家以“分散開發(fā)、低電壓就地接入”的發(fā)展方式不同，呈現(xiàn)出“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”與“分散開發(fā)、低電壓就地接入”并舉的發(fā)展趨勢，且目前以“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”為主[5]，因此對光伏電站的防雷不僅影響電站本身的安全，還會(huì)對接入電網(wǎng)產(chǎn)生影響。因此，在現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范條件下，大型光伏電站防雷應(yīng)該以保障電站人員和主要設(shè)備安全運(yùn)行為基本出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮電站在電網(wǎng)中的重要性、影響程度、地理環(huán)境、投資成本等因素，力求使防雷設(shè)計(jì)重點(diǎn)突出、效果最大化、成本合理化。

光伏電站防雷設(shè)計(jì)可參考GB50057—1994(2000)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，大型并網(wǎng)光伏電站典型防雷方案如圖1所示。

1 光伏方陣的防雷

自然界的雷主要通過三種方式對地面物體形成災(zāi)害，即直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入，需要在設(shè)計(jì)中分別對其加以防范。《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—1994(2000))中，對非建筑類露天堆場是否安裝避雷針有明確規(guī)定，即：當(dāng)場內(nèi)年預(yù)計(jì)雷擊數(shù)N≥0.06次/a時(shí)，宜設(shè)置獨(dú)立避雷針防直擊雷。光伏方陣不屬于建筑物，其可能易受雷擊的直接原因是占地面積較大，增加了其易受雷擊的可能性。避雷針體積龐大，使得在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)安裝電站的施工難度增大；受機(jī)房與陣列間場地的限制，如果避雷針位置距離光伏方陣、機(jī)房較近，存在雷電反擊的隱患。

可采取的防雷措施包括：

(1) 架設(shè)避雷針防止低空直擊雷；為滿足保護(hù)半徑的要求，針體高度絕大部分約在24～30m[2]，并根據(jù)光伏電站面積大小，利用滾球法計(jì)算所需避雷針的數(shù)量。

(2) 光伏方陣支架可靠接地。

(3) 匯流箱內(nèi)，輸入、輸出處加裝防雷器，正負(fù)極都具備雙重防雷功能，可承受的直流電壓值≥1000V DC，各機(jī)殼均可靠接地。

在設(shè)計(jì)匯流箱時(shí)，注意在箱體內(nèi)留有足夠的空間位置，利用低壓刀閘隔離技術(shù)，使接入?yún)R流箱的各光伏板與其他光伏板實(shí)現(xiàn)分區(qū)隔離；在匯總端加裝熔絲保護(hù)，限制直擊雷的破壞范圍，并阻止雷電感應(yīng)電流在不同光伏板分區(qū)之間竄越，以縮小因雷擊引起的光伏板受損數(shù)量；盡可能減少雷擊造成的直接損失和間接損失[3]。

目前很多太陽能設(shè)備廠家在生產(chǎn)匯流箱時(shí)已考慮防雷，如加裝直流防雷模塊的光伏匯流防雷箱等。用戶可將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來，組成光伏串列，然后再將若干個(gè)光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流防雷箱，在光伏防雷匯流箱內(nèi)匯流后，通過直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用構(gòu)成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2 交直流配電柜、逆變器、通訊設(shè)備的防雷

逆變器、交直流配電柜是把匯流控制和并網(wǎng)輸出的重要設(shè)備，一般在控制機(jī)房室內(nèi)集中布置，同通訊設(shè)備等都屬于核心、全局控制設(shè)備，其防雷不僅要注意防感應(yīng)雷，還要注意雷電電磁脈沖，其設(shè)備和控制機(jī)房的防雷和接地，應(yīng)符合《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)導(dǎo)則》(SJ/T11127—1997)的規(guī)定。機(jī)房設(shè)備應(yīng)按照分區(qū)原則，從LPZOA、LPZOB、LPZ1、LPZn+1逐級設(shè)計(jì)防護(hù)。

雷電電磁脈沖輻射對光伏電站電子系統(tǒng)的破壞力更大，概率更高。電站機(jī)房屬于第一類防雷場所[1]，根據(jù)規(guī)定，其防直擊雷裝置應(yīng)能承受200kA的首次雷擊。

可采取的防雷措施包括：

(1) 機(jī)房屬于LPZOA～LPZOB區(qū)，需可靠接地，機(jī)房內(nèi)應(yīng)敷設(shè)等電位帶，機(jī)房內(nèi)設(shè)備外殼和機(jī)架、直流地、防屏蔽線纜外層、防靜電地、SPD接地等均應(yīng)以最短距離與之直接連接；在機(jī)房還應(yīng)裝設(shè)避雷器，阻止和隔離雷電感應(yīng)電流在各發(fā)電方陣之間漫游，確保雷電的過電流過程就地下瀉。

(2) 控制機(jī)房進(jìn)、出線處屬于LPZ1區(qū)，要做等電位連接，采取屏蔽措施，均增設(shè)防雷隔離箱，內(nèi)裝防雷保安器，防止感應(yīng)雷。

(3) 交直流配電柜內(nèi)屬于LPZ2區(qū)。直流配電柜應(yīng)加裝有直流斷路器、防反二極管、光伏專用防雷器；交流配電柜同樣要加裝光伏防雷器和斷路器。要注意的是大型光伏電站，并網(wǎng)電壓一般都在10kV及以上，要根據(jù)具體并網(wǎng)電壓等級來選擇相應(yīng)防護(hù)級別的光伏防雷器和斷路器。

(4) 大型逆變器屬于LPZ2區(qū)，在逆變器的每路直流輸入端裝設(shè)浪涌保護(hù)裝置(SPD)。需注意根據(jù)逆變器是否有變壓器和組件接入形式最終確定SPD工作電壓要求。如果交直流配電柜均有完備的防雷措施，從減少SPD配合復(fù)雜度和減少投資角度，也可不再加裝SPD。

(5) 通訊設(shè)備應(yīng)加裝單獨(dú)防雷保護(hù)器，其天線處于LPZOA區(qū)，要加裝天饋線避雷器。一方面要防止通訊天線外置導(dǎo)引的直擊雷等，另一方面還要防止感應(yīng)和雷電電磁脈沖輻射，防雷保護(hù)器可加裝在UPS前端(大容量UPS往往加裝有SPD)，通流容量≥150kA，要綜合考慮通訊設(shè)備的工作速率、工作電流、動(dòng)作電壓和連接形式，具體可參考《通信局(站)防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(YD5098—2005)。

由于控制機(jī)房內(nèi)設(shè)備眾多，要注意多級浪涌保護(hù)器之間的能量配合問題?！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—1994)規(guī)定，開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的安裝距離是10m，限壓型SPD與限壓型SPD之間的安裝距離是5m。線路中安裝了多級SPD時(shí)，由于各級SPD的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓和標(biāo)稱放電電流的不同、安裝方式及接線長短的差異，如果設(shè)計(jì)和安裝時(shí)不考慮間距問題，他們之間能量配合不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)某級SPD動(dòng)作泄流的盲點(diǎn)。如果兩級SPD的間距達(dá)不到要求，可在線路中串聯(lián)安裝適當(dāng)?shù)耐笋钤?/p>

另外，大型光伏電站控制機(jī)房往往與升壓站一并設(shè)計(jì)、建設(shè)，戶外防雷、接地網(wǎng)也應(yīng)一并綜合考慮。

3 升壓站的防雷

如果是10kV直接上網(wǎng)，應(yīng)在電站第一級出線電桿處加裝斷路器和避雷器。有單獨(dú)的110kV升壓站的大型并網(wǎng)電站，并網(wǎng)接口設(shè)備和升壓站的防雷，應(yīng)滿足《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)導(dǎo)則》(SJ/T11127—1997)和《交流電氣裝置的接地》(DL/T621—1997)的規(guī)定。

采取的防雷措施包括：

(1) 110kV升壓站設(shè)置獨(dú)立避雷針，建筑物屋頂女兒墻上敷設(shè)避雷帶；變壓器已在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，可不另設(shè)直擊雷保護(hù)。

(2) 在升壓站110kV側(cè)及35kV/10kV側(cè)應(yīng)適當(dāng)配置氧化鋅避雷器減少雷電侵入波過電壓。

(3) 110kV升壓站按復(fù)合接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，水平接地體為網(wǎng)絡(luò)狀，兼做均壓帶，水平接地體鍍鋅扁鋼50mm×6mm，垂直接地體鍍鋅角鋼50mm×5mm。全站工作接地、保護(hù)接地、避雷針共用一個(gè)接地網(wǎng)，接地電阻值按≤0.5Ω設(shè)計(jì)。

若為了減少投資而在升壓站出線鐵塔(桿)上設(shè)立避雷針，則必須將這基塔(桿)的絕緣提高，且接地電阻應(yīng)≤15Ω，以防發(fā)生反擊事故，威脅線路運(yùn)行安全。為防止發(fā)生反擊，出現(xiàn)感應(yīng)雷及雷電繞擊導(dǎo)線后形成的雷電侵入波過電壓的危害，應(yīng)在線路終端至變電站構(gòu)架之間線路上，配置適當(dāng)?shù)谋芾灼饕员Ｗo(hù)站內(nèi)設(shè)備。因此，避雷器應(yīng)避免和避雷針安裝于同一桿塔上，避免在反擊電壓較高時(shí)，避雷器成為薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)充分利用架空避雷線的分流作用，改良架空避雷線與桿塔接地引下線的聯(lián)結(jié)方式，杜絕利用掛線金具構(gòu)成回路的情況，減少接觸電阻，降低反擊電壓幅值。

在電氣接地裝置與防雷的接地裝置共用或相連的情況下：當(dāng)Y, yno型或D, yn11型接線的配電變壓器設(shè)在本建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻處時(shí)，在高壓側(cè)采用電纜進(jìn)線的情況下，宜在變壓器高、低壓側(cè)各相上裝設(shè)避雷器，在高壓側(cè)采用架空進(jìn)線的情況下，除按國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定在高壓側(cè)裝設(shè)避雷器外，還應(yīng)在低壓側(cè)各相上裝設(shè)避雷器[7]。

4 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)的接地應(yīng)符合《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50169—2006)的規(guī)定。

光伏電站的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)為環(huán)形接地極(水平接地電極)，建議網(wǎng)絡(luò)大小為20m×20m；固定光伏板的金屬支架每隔約10m連接至接地系統(tǒng)。系統(tǒng)接地保護(hù)的設(shè)計(jì)，要求接地連接在一個(gè)接地體上，接地電阻滿足其中的最小值，不允許設(shè)備串聯(lián)后再接到接地干線上。大型并網(wǎng)光伏電站對接地電阻R≤4Ω，并滿足電子設(shè)備的金屬屏蔽接地和逆變器、變壓器等工作接地的要求；防雷接地應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，要求R≤30Ω，且和主接地裝置在地下的距離保持在3m以上；中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)中，要求重復(fù)接地，R≤10Ω[2]。

光伏設(shè)備和控制機(jī)房的接地系統(tǒng)通過熱鍍鋅鋼相互連接。通過相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個(gè)等電位面，能顯著減小雷電作用在光伏陣列和廠房建筑之間的連接電纜上所產(chǎn)生的過電壓。水平接地極鋪設(shè)在至少0.5m深的土壤中(距離凍土層深0.5m)，使用十字夾相互連接成網(wǎng)格狀；接地頭用耐腐蝕帶包裹。埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。圓鋼直徑應(yīng)≥10mm；扁鋼截面應(yīng)≥100mm，其厚應(yīng)≥4mm；角鋼厚度應(yīng)≥4mm；鋼管壁厚應(yīng)≥3.5mm[6]。

四 結(jié)論及建議

(1) 大型并網(wǎng)光伏電站的防雷目前雖然沒有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)，但從防雷擊人身傷亡和設(shè)備損毀，進(jìn)而影響電網(wǎng)運(yùn)行安全的角度出發(fā)，大面積防雷設(shè)計(jì)是必要的，決不能以國家規(guī)定不明確和降低工程造價(jià)為理由，降低防雷標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 大型并網(wǎng)光伏電站的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)綜合參考《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—1994(2000))、《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)導(dǎo)則》(SJ/T11127—1997)和《交流電氣裝置的接地》(DL/T621—1997)等國家行業(yè)規(guī)定，在保障防雷安全的前提下，明確電站不同建筑、設(shè)備的防雷重點(diǎn)，按照最佳性價(jià)比確定防雷方案。

(3) 光伏電站的光伏發(fā)電機(jī)有其特殊的電氣特性，原本為交流電壓系統(tǒng)開發(fā)的超高電壓避雷器在用于光伏電站過電壓保護(hù)時(shí)，存在對地電勢具有正負(fù)極性等問題。因此，在為光伏電站選擇氣體避雷器時(shí)，應(yīng)采用大型正規(guī)廠家的光伏專用避雷器。

(4) 以上方案已在靖邊部分光伏電站建設(shè)中得到一定應(yīng)用，但由于電站運(yùn)行時(shí)間較短，該方案還有待在實(shí)踐中檢驗(yàn)完善。

[1]《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(試行)[Z].北京: 國家電網(wǎng)公司, 2009.

[2]大型光伏并網(wǎng)電站安裝與施工[R].上海: SAAE太陽能系統(tǒng)工程分公司, 2010.

[3]何明堂.太陽能光伏電站工程的環(huán)境適應(yīng)體系初探[R].陜西:陜西地方電力集團(tuán)公司, 2010.

[4]秦冰, 徐永玲, 歐夢常, 等.10kV配電網(wǎng)防雷改進(jìn)研究及應(yīng)用[J].陜西電力, 2007, (11): 13－15.

[5]光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定介紹[R].北京: 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 2009.

[6]GB50057—1994(2000), 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB50169—2006, 電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].