中電投電力工程有限公司 ■ 張禮彬

0 引言

太陽(yáng)能發(fā)電作為一種潔凈可再生的新能源，越來(lái)越受到人們的重視，其中光伏發(fā)電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有目共睹。如今，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的主流形式與國(guó)外分布式發(fā)電有所不同，主要以大規(guī)模集中并網(wǎng)的光伏電站為主。其中大型地面光伏電站所處地形一般為開(kāi)闊平地或山地丘陵，由于大面積的金屬部件及大量電氣設(shè)備布置于光伏陣列區(qū)域，雖然構(gòu)筑物高度都較低，但仍較容易受到雷擊而造成設(shè)備損壞，導(dǎo)致停電故障，影響光伏電站發(fā)電可靠性。隨著光伏發(fā)電裝機(jī)容量在電源結(jié)構(gòu)中所占比重的增大，對(duì)于光伏電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也越來(lái)越高。因此，逐步完善大型地面光伏電站的防雷保護(hù)措施勢(shì)在必行。

目前，針對(duì)大型地面光伏電站的防雷接地規(guī)范尚未實(shí)施，光伏電站的防雷設(shè)計(jì)主要參照GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，其適用程度具有一定的局限性。本文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范，從工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)角度出發(fā)，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性，介紹較為可行的大型地面光伏電站防雷接地設(shè)計(jì)方案。

1 光伏電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)范圍

大型集中并網(wǎng)型地面光伏電站主要由光伏發(fā)電方陣、集電線路、管理區(qū)及升壓站組成，對(duì)于總裝機(jī)容量較大(一般在50 MWp以上)或位于復(fù)雜地形(山地丘陵)的光伏電站，還可適當(dāng)采用架空集電線路，在適當(dāng)區(qū)域設(shè)置局部匯流站。其中，管理區(qū)、升壓站、匯流站、逆變器室，以及架空輸電線路的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)已較為成熟，可參照相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

對(duì)光伏電站的光伏發(fā)電陣列區(qū)域防雷保護(hù)設(shè)計(jì)，涉及的設(shè)備及構(gòu)筑物包括：光伏電池組件、組件支架、匯流箱、陣列升壓箱變、布置于逆變器室內(nèi)的直流配電柜、逆變器等。

2 光伏陣列區(qū)常規(guī)防雷設(shè)計(jì)方案

雷電對(duì)大型地面光伏電站的危害方式有直擊雷、感應(yīng)雷和雷電侵入波3種。

光伏發(fā)電方陣占地面積較大，若在陣列中裝設(shè)避雷針不但工程量較大，且會(huì)對(duì)光伏組件產(chǎn)生光斑效應(yīng)，直接影響組件壽命及整個(gè)電站的發(fā)電量。因此，目前的光伏發(fā)電陣列均不配置避雷針，主要通過(guò)電池組件和支架與廠區(qū)接地網(wǎng)連接進(jìn)行直擊雷和感應(yīng)雷保護(hù)，但組件支架作為接閃器的可靠性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，為防止集電線路上雷電侵入波電壓，匯流箱、直流配電柜、逆變器及箱式變電站內(nèi)均逐級(jí)裝設(shè)避雷器。

3 光伏發(fā)電方陣區(qū)防雷裝置

3.1 晶硅光伏組件邊框作為接閃器的可行性

光伏發(fā)電方陣區(qū)域內(nèi)的大面積金屬部件主要是指晶體硅光伏組件的鋁合金邊框及與其連接的鍍鋅鋼組件支架(位于組件下部)。因此，對(duì)光伏發(fā)電陣列區(qū)的防雷保護(hù)，最可行的方案便是考慮組件邊框兼顧防雷接閃器，或根據(jù)組件實(shí)際布置情況在最上層組件上部增設(shè)避雷帶。前者是目前國(guó)內(nèi)采用晶體硅光伏組件的光伏電站主流的防雷設(shè)計(jì)方案，后者則為采用薄膜型光伏組件(無(wú)金屬邊框)的光伏電站主要考慮的防雷設(shè)計(jì)方案。

3.1.1 材料及截面校驗(yàn)

晶體硅光伏組件的鋁合金邊框一般為截面厚1.6～2 mm、高度h為40 mm或50 mm、剖面寬度b為10 mm的中空幾何結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，截面積一般在220 mm2左右。

圖1 典型組件邊框剖面結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)接閃器的材料、結(jié)構(gòu)和最小截面要求，若接閃帶材料為鋁合金單根扁形導(dǎo)體時(shí)，其最小截面積不應(yīng)小于50 mm2、厚度不小于2.5 mm；為鋁合金單根圓形導(dǎo)體時(shí)，其最小截面積不應(yīng)小于50 mm2、直徑不小于8 mm?？梢?jiàn)，雖然晶體硅光伏組件的鋁合金邊框截面積遠(yuǎn)大于規(guī)范對(duì)接閃器的要求，但其截面結(jié)構(gòu)并不能完全滿足接閃器要求。因此，需對(duì)其承受雷擊電流的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定進(jìn)行校驗(yàn)。

雷電流的參數(shù)采用《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的3類建筑首次正極性雷擊的雷電流參量、首次負(fù)極性雷擊的雷電流參量、首次負(fù)極性以后雷擊的雷電流參量、長(zhǎng)時(shí)間雷擊的雷電流參量。對(duì)于平原和低建筑物典型的向下雷擊，可能出現(xiàn)的最嚴(yán)苛的情況是首次正極性雷擊，其參量如下：幅值為imax=100 kA，半值時(shí)間t=350 μs，電荷量Q= 50 C。

1) 熱穩(wěn)定性校驗(yàn)

按式(1)校驗(yàn)：

式中：S為載流截面， cm2；I 為耐受電流，A，I=Q/t；t為電流持續(xù)時(shí)間，s；C為導(dǎo)體材料及發(fā)熱溫度有關(guān)的系數(shù)，按鋁合金允許最高溫度200 ℃考慮，C=87。

經(jīng)計(jì)算：

因此，典型的晶體硅光伏組件鋁合金邊框能滿足雷電流熱穩(wěn)定性要求。

2) 動(dòng)穩(wěn)定性校驗(yàn)

考慮雷電流流過(guò)組件邊框時(shí)，兩塊光伏組件的相鄰邊框間會(huì)產(chǎn)生較大的、近似于沖擊電流流過(guò)兩個(gè)同相導(dǎo)體間所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。

圖2 典型組件支架示意圖

典型組件支架形式示意圖如圖2所示，采用典型組件支架形式，按式(2)效驗(yàn)：

經(jīng)計(jì)算：

σx=(0.255×9002)/(40×102)=51.6＜68.6 N/mm2(鋁合金最大允許應(yīng)力為68.6～70 N/mm2[1]

因此，典型晶體硅光伏組件鋁合金邊框按典型方式安裝，能滿足雷電流動(dòng)穩(wěn)定性要求。

3.1.2 保護(hù)范圍校驗(yàn)

光伏陣列的運(yùn)行方式有固定式，以及單軸跟蹤、斜單軸跟蹤、雙軸跟蹤方式。目前，固定式的運(yùn)行方式仍是國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電站的主要設(shè)計(jì)方案。因此，此處以簡(jiǎn)單的固定式布置于水平面上的方案作為分析對(duì)象，選用尺寸為1.65 m×0.99 m×0.004 m的常規(guī)晶體硅電池組件，布置方案采用雙排豎向排列方案，如圖3所示。圖中，α為組件支架傾角；h為組件最底部距離地面距離；H為組件支架高度。組件支架傾角由最佳傾角計(jì)算得到，取值一般為光伏電站所在地區(qū)緯度減1°～5°；組件最底部距地面距離根據(jù)光伏電站場(chǎng)地情況一般在0.3 ～0.5 m。此處距地面距離按h=0.5 m考慮。據(jù)此，分別采用滾球法對(duì)光伏組件邊框作為避雷接閃器的保護(hù)范圍進(jìn)行校驗(yàn)。

圖3 典型光伏組件布置方案示意圖

滾球半徑按一類建筑45 m考慮，假設(shè)0＜α＜90°，如圖4所示?？紤]滾球保護(hù)范圍剛好能夠覆蓋全部組件及其支架的極端情況(如圖5所示)，則可推得不等式：

其中：H=(3.33sinα+0.5)m。

經(jīng)計(jì)算可得：α≥13.77°，即當(dāng)安裝傾角大于13.77°時(shí)，組件頂部鋁合金邊框的保護(hù)范圍便可覆蓋全部光伏組件及其支架。目前，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電站所處緯度一般在不小于北緯20°的區(qū)域。因此，大型地面光伏電站組件布置的最佳傾角一般不小于15°，即大于α，滿足保護(hù)范圍的要求。

圖4 典型組件支架布置的防雷保護(hù)范圍示意圖

圖5 極限保護(hù)范圍時(shí)的傾角計(jì)算圖

3.2 晶體硅光伏組件邊框與支架連接

光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范中要求晶體硅光伏組件的金屬邊框必須可靠接地，目前建成或在建的光伏電站主要依靠組件固定螺栓連接或增設(shè)連接銅線兩種方式。其中，后者一般采用1根BV-1×4的導(dǎo)線通過(guò)組件接地孔將組件與支架進(jìn)行電氣連通。

然而，若同時(shí)考慮以此作為防感應(yīng)雷的等電位連接時(shí)，則不能滿足規(guī)范要求。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，從等電位連接帶至接地裝置或各等電位連接帶之間的連接導(dǎo)體材料為銅時(shí)最小截面為16 mm2，材料為鋁時(shí)最小截面為25 mm2，材料為鐵時(shí)最小截面為50 mm2。

故對(duì)BV導(dǎo)線的截面要求應(yīng)當(dāng)不小于16 mm2。由于大型地面光伏電站的光伏組件數(shù)量龐大，采用這一方案明顯會(huì)增加不少工程投資。因此，直接利用光伏組件與組件支架的機(jī)械連接(螺栓或壓塊安裝，壓塊安裝需要刺破陽(yáng)極氧化膜)作為等電位連接更為合理，既能滿足等電位可靠連接的要求，又不額外增加工程設(shè)備材料投資。

4 結(jié)論

1)采用晶體硅的大型地面光伏電站的陣列區(qū)域防雷保護(hù)一般不采用增設(shè)避雷針、避雷帶、避雷線等接閃器的措施；采用薄膜光伏組件的地面光伏電站，可在充分考量工程經(jīng)濟(jì)性的前提下在光伏組串最高點(diǎn)設(shè)置避雷帶進(jìn)行防直擊雷保護(hù)。

2)當(dāng)光伏組件采用常規(guī)安裝方式時(shí)，典型的晶體硅光伏組件鋁合金邊框作為防雷保護(hù)接閃器的熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定，以及保護(hù)范圍均能滿足要求。

3)光伏組件等電位連接應(yīng)盡量利用組件與支架的機(jī)械連接，以減少工程投資，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案。

[1]西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(電氣一次部分)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2011.

[2]GB50057-2010,建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[3]鄭軍.光伏電站的防雷接地技術(shù)[J].民營(yíng)科技, 2011, 3:51.