光伏發電項目雷電易損性分析及雷電防護檢測技術探究

王瑞陽

摘 要：光伏電站一般位于空曠的野外，極易遭受雷擊，造成設備損壞、人員傷亡。因此，確保防雷裝置完善至關重要。本文通過鶴壁晶科電力20MWp分布式光伏發電項目防雷檢測，探究項目所在地年預計雷擊次數，并進行陣列區接地電阻檢測、等電位檢測、SPD檢查等。

關鍵詞：光伏發電;雷電易損性;雷電防護

中圖分類號：P429 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0133-03

Discussion on Lightning Protection Detection Technology?of Distributed Photovoltaic Power Generation Project

Absrtact： Photovoltaic power plants are generally located in the open field， which are vulnerable to lightning， resulting in equipment damage and casualties. Therefore， it is very important to ensure the improvement of lightning protection devices. Through the lightning protection detection of Hebi Jingke 20MWp Distributed Photovoltaic Power Generation Project， this paper explored the annual estimated lightning strike times of the project location， and conducted grounding resistance detection， equipotential detection， SPD inspection in the array area.

Keywords： photovoltaic power generation;lightning vulnerability;lightning protection

1 項目情況

1.1 基本情況

本工程占地面積約38萬m2，土地性質為荒山、荒坡及未利用地。本工程本期建設容量為20MWp，共安裝79 200塊功率為255WP的多晶硅光伏組件。本工程為并網電站項目，以35kV電壓等級接入110kV大呂寨變電站，光伏電站每1MWp為一單元模塊進行設計，每1MWp光伏發電單元經逆變器轉變為交流電后，通過一臺1 000kVA箱式升壓變壓器，將電壓升至35kV。每10個1MWp光伏發電單元并聯后經一回35kV電纜線路接入35kV開關站，本期共設有2回35kV電纜線路接入35kV開關站，再通過1回35kV架空線路與系統并網。

1.2 項目位置

項目位于鶴壁市鶴山區鶴壁集鎮境內，距鶴壁市約40km。站址地貌為丘陵地形，海拔高度為228～287m，場址內現有的道路經過拓寬改造可做為光伏場區進場道路。

2 前期準備工作

2.1 勘測光伏陣列區檢測路線圖

經過實地勘查，并查閱項目分布圖，確定光伏陣列區分為三個部分，三個部分都有水泥路面，作業車輛可以通過，檢測較為方便。

2.2 工程地質情況

鉆孔揭穿深度范圍內未見地下水，可不考慮其對基礎的影響。場地環境類別為Ⅲ類環境，場地土對混凝土結構、混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。因此，地質對陣列區垂直接地體、水平接地體及接地基礎的腐蝕影響較小。

2.3 安全工作

根據現場特點準備安全帽、絕緣手套等勞保用品，尤其要注意陣列區高壓塔附近。檢測人員應提前學習現場安全管理規定，并根據防雷檢測項目確定檢測安全注意事項。

3 年預計雷擊次數

3.1 雷擊大地密度

3.1.1 近三年地閃資料估算雷擊大地密度。鶴壁市地閃密度如圖1所示。

由圖1可知，項目所在地附近雷擊大地密度為：[Ng]=1.9次/（km2·a）。

3.1.2 雷暴日估算雷擊大地密度。氣象資料統計鶴壁市鶴山區近50年平均雷暴日[Td]為22.6，在溫帶地區可以做以下估算：

[Ng=0.1Td] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

由（1）式可以得到，[Ng]=2.26次/（km2·a）。

3.1.3 綜合計算雷擊大地密度。由插值和時間權重計算雷擊大地密度，計算公式為：

[Ng=Ng1×t1+Ng1×t2t1+t2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，[t1]為3，[t2]為50，通過計算可知：[Ng]=2.2次/（km2·a）。

3.2 年預計雷擊次數

計算公式為：

[N=NgAdCd×10-6] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

光伏發電項目位于山丘上，所以位置因子[Cd]取2;項目占地約38萬m2，由于光伏陣列區光伏板位置很低，所以[Ad]等效截收面積約為380 000m2，將相關數值帶入公式（3）計算得出N=1.67次。參考《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）[1]，可接受最大雷擊次數[Nc=5.8×10-1/C]，C大于1。因此，年預計雷擊次數明顯大于可接受最大雷擊次數，光伏發電陣列區較易遭受雷擊，應做好直擊雷和雷擊電磁脈沖防護措施。

4 現場檢測

4.1 光伏陣列區接地電阻測試

4.1.1 陣列區防雷防護情況

4.1.1.1 直擊雷防護。①光伏電池方陣區域直擊雷防護：在光伏陣列區域不單獨設置避雷針，利用光伏組件金屬邊框和光伏支架，光伏組件金屬邊框和光伏支架連接后再與主接地網可靠連接，作為直擊雷防護設施。

②其他區域直擊雷防護：在逆變升壓配電室屋頂設置避雷帶用于直擊雷防護。交流側的直擊雷防護按照電力系統行業標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（GB/T 50064—2014）進行。

4.1.1.2 雷擊電磁脈沖防護。在太陽能組件的不同控制部分，分別設置二次防雷模塊，避免其受感應雷和操作過電壓沖擊。

4.1.1.3 接地。光伏發電區域的接地網采用水平地網與垂直接地極相結合的復合接地網方式。整個水平地網做成“田字格模式”。對太陽電池方陣，將每排電池支架連為一體，并就近與水平地網相連（連接點不小于2點）。保護接地、工作接地采用共網接地方式。

4.1.2 接地電阻測試。光伏陣列區面積較大，對角線達4km以上，如果按照規范，陣列區地網接地電阻測試應使用大型地網接地電阻測試儀測量，電流極應設置在16km以外，考慮到項目位置（在山坡上）及測量成本，可行性差。由于地網邊界效應的存在，增加地網面積，對接地阻值影響很小，所以，在實際檢測中，可對某1MWp的光伏陣列區地網進行檢測，將其與其他方陣地網斷開，若其阻值符合規范要求，其他陣列區只要與其等電位連接良好，則符合規范要求。

實地檢測中，多次測量電阻值的平均數約為1.7Ω，小于4Ω，符合規范要求。地網與地網之間過渡電阻平均值為0.12Ω，小于0.2Ω，符合規范要求。

4.2 光伏陣列區等電位連接

為防止人身傷害，陣列區內變壓器、匯流箱等所有正常不帶電設備金屬外殼和金屬部件均應與地網進行可靠連接，連接情況通過目測連接質量、連接導體的材料尺寸與過渡電阻檢測相結合的方式確定。

設備與地網連接情況評價方法[依據《接地裝置特性參數測量導則》（DL∕T 475—2017）[2]]如下：①50mΩ以下：狀況良好;②50～200mΩ：尚可，宜在例行測試中重點關注其變化，重要設備宜在適當時候檢查出來;③200mΩ～1Ω：不佳，應盡快對重要設備進行檢查和處理;④1Ω以上：設備與主地網未連接，應盡快檢查處理;⑤獨立避雷針的測試值應大于500mΩ。

經測量，過渡電阻阻值為0.04～0.06Ω，基本符合規范要求。

4.3 光伏陣列區電涌保護器

匯流箱和逆變器直流輸入端安裝直流SPD;逆變器交流輸出端和箱變內裝有交流SPD。標稱電流[In]和沖擊電流[Iimp]的選擇參考《太陽能光伏系統防雷技術規范》（QX/T 263—2015）[3]。交流SPD依據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）[1]第6.4章進行判斷。

4.4 升壓站防雷檢測

升壓站建筑物及設備共用接地裝置，內設獨立的接閃桿，測量方法與4.1部分光伏陣列區相同。主控室、配電室設備應與最近地網可靠連接，SPD安裝要求應符合《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）[1]的要求。

5 結論

①光伏陣列區年預計雷擊次數N=1.67次，較易遭受雷擊，應注意做好直擊雷防護。

②光伏陣列區地網接地電阻測試使用大型地網接地電阻測試儀測量，電流極需設置很遠，通常要大于10km，考慮到地理位置和測量成本，測量可行性差。因此，在實際檢測中，可對某一光伏陣列區地網進行檢測，將其與其他方陣地網斷開，若其阻值符合規范要求，其他陣列區只要與其等電位連接良好，則符合規范要求[4]。

③為防止人身傷害，項目內變壓器、匯流箱、主控室內機柜等所有正常不帶電設備金屬外殼和金屬部件均應與直接或通過等電位端子與地網進行可靠連接，連接情況通過目測連接質量、連接導體的材料尺寸與過渡電阻檢測相結合的方式確定。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].北京：中國建設出版社，2010.

[2]國家能源局.接地裝置特性參數測量導則：DL∕T 475—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[3]中國氣象局.太陽能光伏系統防雷技術規范：QX/T 263—2015[S].北京：氣象出版社，2015.

[4]楊仲江.雷電災害風險評估與管理基礎[M].北京：氣象出版社，2010.