光伏发电站的防雷设计

O引言

太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的青睐，在人们生活、工作中有广泛的作用。太阳能光伏发电作为新兴的环保型发电产业，得到政府支持开始逐渐发展[l门，但国内尚没有一个独立的光伏电站的防雷接地设计规范来确保电站的安全持久运行。目前，国内大都依据《建筑物防雷设计规范》l4]进行参照设汁，设计结果针对性不强，防雷接地效果有待验证。太阳能电池板在太阳光照射下产生直流电，众多太阳能电池组件的直流输出是通过电缆串联、并联之后，沿电缆槽盒、电缆桥架等送至逆变器，经逆变器将直流逆变为交流并升压后送至电网的。在整个太阳能光伏发电的环节中，直流输出部分占了很大的比例，可以说在大面积的太阳能电池方阵中，直流电缆、电缆桥架、直流汇流箱等电气设备是大量穿插布置的。如果将光伏电站作为一个发电系统，按照电力系统的有关规范进行设计，关注的核心就会是电力系统交流电气设备的防雷接地，缺少了对直流电防护的要求。光伏发电项目与电力系统中的常规电站、输变电系统不同，即使与小型的输变电工程相比，其重要程度和发生灾害后的损失程度也不同，简单地采用电力系统有关规范进行交流电气设备的防雷接地设计，是不满足光伏发电项目的特征要求的阎。笔者以常州佳讯110.4k脚的光伏并网发电项目为例，探讨光伏发电防雷技术。项目安装地为多雷区，电池板占地面积广，处在位置较高的屋顶，根据这些特点以及常州近60年雷暴日和近5年闪电数据，分析太阳能电池方阵遭受雷击可能性，并参照《建筑物防雷设计规范》(GB50057一2010)和《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/219964一2005)问等研究太阳能发电站的防雷设计。

1项目简介

本项目建设地位于江苏省南部，常州市新北区，属美丽富饶的长江金三角地区，江苏省平均年日照数为1400一3000h，太阳能资源年理论储量每平方米1130一1530kw时，每年每平方米地表吸收的太阳能相当于140一190kg标准煤热量，太阳能资源比较丰富，开发利用前景较为广阔。本项目共使用230饰组件480块，全部为固定安装方式，总容量为lro.4kwp，每20块组件进行串联，共计24串。使用四台6进1出的汇流箱进行汇流后接人直流配电柜再次汇流后接人逆变器。方阵全部安装在佳讯光电办公大楼屋顶中部的南北两侧。北侧安装240块组件，共12个组串，接人两个6进1出汇流箱;南侧安装240块组件，共12个组串，也接人两个6进l出汇流箱。方阵汇流后直流电缆通过桥架敷设从大楼中部电缆井直接下至1楼，交流配电柜和逆变器放置在1楼车间测试区，逆变后直接并人测试区配电柜。光伏发电系统原理框图如图1，太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分，太阳能量通过电池组件转化为直流电，再通过并网逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的交流电，全部或部分给当地负荷供电，剩余电力馈人电网或全部电力馈人电网。

2雷电特征分析

常州位于江苏省南部.属于长江下游地区.北靠长江性气候南临太湖，濒临东海，属于北亚热带海洋常年气候温和，雨量充沛，四季分明。境内地势西南略高，东北略低，高低相差Zm左右。地貌类型属高沙平原，山丘平好兼有。南为天目山余脉，西为茅山山脉，北为宁镇山脉尾部，中部和东部为宽广的平原、抒区。独特的气候和地势条件有利于雷暴的发生发展，年平均雷暴日约为犯天，属于雷暴多发区。太阳能丰富的同时，也有敝处，就是雷暴频发，影响太阳能发电的正常运行。

2.1霄撰月变化规律

利用最接近项目所在地的常州龙虎塘观测站的1952一2009年雷暴日资料，分析项目周围长期雷暴活动规律。常州各月雷暴分布差异明显(图2)，全年只有的0.11%的雷暴出现在1月，2月也只有0.92%，每年3月开始雷暴逐渐增多，4月雷暴较5月略多，6月雷暴增多明显，平均雷暴日达到3.9天，7月猛增达到峰值，月均雷暴日为9.7天，占全年的30.52%，8月略有减小，平均雷暴日为7.7天，而9月雷暴迅速减少至幻天，10、n月雷暴都很少发生，12月出现雷暴最少，和1月的平均雷暴日一样都只有Q04天，1、12月几乎不会发生雷暴。针对各月雷暴发生的特点，应有效地采取防雷措施，发现雷击及时恢复设备正常运行，以免影响正常供电。尤其是夏季作为太阳能发电的重要时期，雷暴却频繁发生，一方面需主动防御，时刻关注天气变化，实施雷电预警;另一方面，应注意防范雷击，及时采取补救措施，减少雷暴造成的损失。

2.2地闪空间分布

分析2以巧一2010年常州地区发生的地闪分布特征(图3)，地闪密度围绕三个中心向周围逐渐减少，最大值出现在金坛中部，达到7次瓜mZa，其余两个出现在武进以及武进和戚墅堰交界处，约为6次瓜mZa。金坛遭受雷击的概率最大，其次为常州市中部地区，本项目处在地闪密度约为4次瓜mZa的地区，地闪相对较少，但其处在地闪密度变化区域，地闪密度梯度明显，增加了其遭受雷击的概率。

3防雷设计

作为最昂贵的部件，太阳能电池方阵占地面积大，电池的组件边框采用铝合金，电池板均采用角钢、槽钢等钢性物质固定，均为导电性能良好的金属材料，大面积的露天布置容易遭受直接雷击破坏，同时，项目所在地为雷暴多发区，雷击概率相对较高，雷云电荷容易在太阳电池内部电路、太阳电池组件边框及其支撑结构上形成感应过电压，直流配电柜和室内的交流配电柜可能遭受感应雷击损坏。因此针对屋面和内部系统，采取直击雷和雷击电磁脉冲防护措施，而良好的接地是整个防雷工程的有效保障。

3.1直击雷防护

直击雷防护主要采取避雷针、带、线，可采取提前放电式避雷针回，它是一种具有连锁反应装置的主动型避雷系统，在传统避雷针的基础上增加了一个主动触发系统，提前于普通避雷针产生上行迎面先导来吸引雷电，从而增大避雷针保护范围，可比普通避雷针降低安装高度。采用提前放电避雷针，能大量减少避雷针的数量，降低避雷针的安装高度，减小对太阳电池方阵的遮档影响。确定接闪器的安装位置及高度时，需先确定太阳能光伏方阵的防雷等级，根据防雷等级采用滚球法设计，同时考虑对太阳能电池方阵的阳光遮挡问题，布置的避雷针不能影响太阳能电池板接收的阳光。太阳能光伏发电系统的太阳能电池板一般安装在建筑物的屋面上，处于LPZO区(LPZ为防雷区)，如太阳能电池板不在建筑物原有防雷装置的保护范围内，应对其采取防直击雷措施。根据GB50057的规定，对于一般公共建筑物上的太阳能电池板可按6Om滚球半径采取防直击雷措施。太阳能电池板的金属支架应与避雷针做可靠的等电位连接，并与屋面防雷装置相连。太阳能控制器和逆变器一般都安装在室内，处于Lpzl区。如果控制器和逆变器安装在屋面(I正忆0区)，应处在接闪器的保护范围内，其金属外壳应与电池板金属支架、避雷针及屋面防雷装置相连。考虑到本项目为大型发电项目，一组太阳能发电板的损坏，对整体发电量影响甚小，并且针或线的布置很难保护所有电池板，因此采用的防护措施是将太阳能电池板四周铝合金框架与支架连接，所有支架均进行等电位连接，并与屋面避雷带可靠相连，在直击雷发生时，如果雷电能量通过铝框架立即泄人大地，就能使太阳能电池板得到保护，避免直击雷冲击而损坏。针对该项目的特点，利用本身作为接闪器是最经济可行的方法。