淺析光伏組件接地導體選擇及效果

張超 ZHANG Chao；朱勇 ZHU Yong；亢亞軍 KANG Ya-jun

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

“太陽能光伏組件接地”是確保工作人員與使用環境安全的關鍵。系統處于開斷狀態時，置于戶外的太陽能光伏組件仍持續發電，工作人員在維護檢修時將會面臨很高的觸電風險。另外，大規模光伏電站大部分位于空曠場地，存在雷擊的風險。光伏組件接閃桿遭受雷擊后，組件框架和接地支架上產生較高的過電壓，波形呈現較為明顯的震蕩，幅值可達幾十千伏，極易造成對電池單元的反擊。同時當雷云接近大面積光伏組件時，就會在光伏組件上產生靜電感應過電壓，其感應電荷主要集中在組件的鋁合金邊框上。增加光伏組件單獨接地，可使感應電荷直接泄入大地，保護光伏組件。因此，太陽能光伏組件的接地是十分必要的。

在設計中光伏組件的主要接地方式為借助接地導線和借助墊片，除此外還存在一些例如特殊夾具的接地方式。從工程經濟性角度考慮，借助墊片進行接地的成本是遠遠小于借助接地導線的。但是由于組件邊框氧化鋁層的存在，使得普通墊片的接地效果往往不理想。因此，是否存在一種特殊的墊片，與導線接地之間具有等效性，將成為本文研究的重點。

1 光伏電站接地的規范要求

目前在我國光伏發電項目設計和施工中，防雷接地部分主要參照的規范有GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》、GB/T 32512-2016《光伏發電站防雷技術要求》和NB/T 10128-2019《光伏發電工程電氣設計規范》。按照規范要求，光伏組件金屬邊框應可靠接地，同時光伏方陣場地內應設置接地網，接地網除應采用人工接地極外，還應充分利用支架基礎的金屬構件。接地設計應根據實測土壤電阻率和短路電流計算結果對接地裝置區域進行接地電阻計算，光伏方陣接地應連續、可靠，接地電阻應小于4Ω。

2 接地導線選擇及等阻值接地墊片

以榆林某168MW光伏發電項目為例，光伏組件先與支架檁條進行連接，形成接地電氣通路。再經過支架橫梁與水平接地體與大地之間接地導通。依此則有：

R=R+R+R，其中R為接地總電阻，R為入地電阻，R為橫梁電阻，R為組件與檁條之間的接地導體電阻。

2.1 入地電阻計算

按照IEEE Std80-2013《交流變電站接地安全導則》中入地電阻的簡化計算公式，有：

式中：R——入地電阻值，Ω；

ρ——土壤電阻率，按照GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中，干燥氣候環境的沙土電阻率為1000Ω·m及以上，計算取1000Ω·m；

A——接地網敷設面積，m。

在此電站的光伏區接地系統設計中，主接地網面積大約為1500畝，合100000m。

2.2 橫梁電阻計算

此工程的組件支架橫梁為鍍鋅鋼材質，導體電阻率為ρ=9.78×10Ω·m。橫梁為單根長度11.2m的空心方鋼結構，截面尺寸為100mm×50mm，厚度為1.6mm。按此計算橫梁截面積為S=（2×100＋2×50）×1.6=4.8×10m。一套組件支架內由于組件位置不同，串入接地回路中的橫梁長度也不同。為保證計算可靠性，組件接地回路串入的電阻值按照之間支架最遠端考慮，即導體長度按照L=11.2m取值。

2.3 接地導體選擇

該榆林光伏項目選用440Wp、445Wp及450Wp三種規格雙玻光伏組件，查閱廠家資料可得單塊450Wp組件的最大運行狀態下短路電流為11.58A。取極端情況下一套支架內的所有56塊組件之間全部短路，故障電流全部從單根接地導體流出，則總故障電流I=648.48A。假如組件與檁條之間的接地導體選用銅導線，則根據IEEE Std80-2013《交流變電站接地安全導則》中的公式：

式中：A——接地導體的截面積，k=MCM；

I———故障電流有效值，kA；

t— —電流持續時間，s；

K— —接地材料在不同T值和環境溫度（T）為40℃時的常數。

t取較大值2s，這樣可以保證截面積校驗的可靠性更高。在IEEE Std80-2013中查表可得，硬質銅材的K取7.06。由此得出A=6.71MCM=3.402mm，故選擇1×4mm規格的銅導線進行組件接地合適。

目前常用的光伏組件接地方式中，除借助于接地導線和普通平墊片外，還可應用外鋸齒鎖緊墊圈進行接地。相較于普通平墊片，外鋸齒鎖緊墊圈的鋸齒在螺栓緊固安裝過程中可破壞光伏組件邊框的氧化鋁層，形成更良好的接地電氣通路。若要使組件通過外鋸齒鎖緊墊圈接地的效果等同于接地導線，則外鋸齒鎖緊墊圈的電阻值應不大于接地導線電阻值。

根據以上分析，榆林168MW光伏發電項目的單塊組件總接地電阻的理論計算值為R=R＋R＋R≈0.45Ω。但是由于實際中螺栓、檁條處的緊固件及連接件均會產生接觸電阻，實際測試阻值在滿足規范要求的前提下應一定程度的大于理論計算值。

3 接地效果測試試驗

3.1 試驗目的及方法

在該榆林光伏發電項目測試光伏組件在不同螺栓緊固力矩下的借助外鋸齒鎖緊墊圈接地的接地電阻，反映接地效果是否能夠等同于組件通過接地導線接地，試驗采用三極法或四極法測量接地電阻。

3.2 外鋸齒鎖緊墊圈的材料選取

工程上常用的金屬墊圈種類很多，按照形式及功能大致可分為平墊圈、彈簧墊圈、鎖緊墊圈和其他墊圈4大類。而鎖緊墊圈又可分為帶齒鎖緊墊圈、彈性鎖緊墊圈及雙疊自鎖墊圈等子類。其中帶齒鎖緊墊圈常用的有內齒、內鋸齒、外齒、外鋸齒及帶齒錐形幾種墊片。根據光伏組件邊框接地的功能需要，選取外鋸齒鎖緊墊圈。

市面上外鋸齒鎖緊墊圈的生產商較多，規格也較為繁雜，質量參差不齊。為確保接地效果，建議選用滿足國標或德標規格的外鋸齒鎖緊墊圈，其參考的規范為GB 862.2-1987或DIN-6798。

對于該光伏發電項目，所選用的螺栓為M8規格，組件接地連接件選用外鋸齒鎖緊墊圈。墊圈內孔徑為8.4mm～8.76mm，墊圈外徑為14.57mm～15mm，鋸齒齒厚為0.8mm，墊圈厚度為3倍齒厚，單片墊圈應有14齒。墊片材質為65Mn，表面經過熱處理氧化，墊圈樣式見圖1。

圖1 墊圈樣式

3.3 試驗過程

①選取10塊光伏組件作為試驗對象，其中靠近支架與主接地網一側的5塊，遠離支架與主接地網一側的5塊。試驗組件位置如圖2所示。

圖2 接地試驗示意圖

②在10塊試驗組件上安裝并緊固外鋸齒鎖緊墊圈。每塊組件的四角呈對角線方式安裝2枚外鋸齒鎖緊墊圈，采用電動力矩扳手緊固。緊固力矩共設18N·m、21N·m、24N·m、27N·m和30N·m五檔。

③在10塊試驗組件的邊框處制作接地測試點，在測試點上分別測量不同緊固力矩下的接地電阻并記錄結果。

④在10塊試驗組件上，組件間、組件與檁條間分別螺接1×4mm接地銅線，再次測量接地電阻并記錄結果，現場實地接地效果測試如圖3。

圖3 接地效果現場試驗測試

⑤分析整理全部試驗數據，比對所有測試結果。核查10號試驗組件的接地電阻是否小于設計要求值，同時確定接地效果最優的緊固力矩值。

4 試驗數據分析

根據試驗測得的數據整理為表1。

表1 接地電阻試驗數據

由試驗數據分析可得知，光伏組件利用外鋸齒鎖緊墊圈進行接地，接地電阻基本上與通過銅導線接地時一致。同時，對于M8固定螺栓而言，緊固力矩在21N·m～24N·m時接地效果最優。由于橫梁接口、檁條安裝件處產生的接觸電阻，整體實測值大于理論計算值，且遠離接地主網側的光伏組件接地電阻大于靠近接地網側。但整體接地電阻均小于國標規范中4Ω的要求，接地系統設計及施工合理。

5 結論

光伏組件的接地在實際工程中有多種方式，目前主要采用通過導線和通過墊片兩種接地方案。本文提出了通過外鋸齒鎖緊墊圈進行組件接地，從接地電阻及導體電阻的概念出發，通過計算和接地效果試驗得出以下結論：對于光伏組件常用的M8、M10等規格的安裝螺栓，選用滿足國標的外鋸齒鎖緊墊圈均能實現與接地導線的電阻值相同；對于M8螺栓而言，組件接地的最佳螺栓緊固力矩為21N·m～24N·m；由于支架橫梁鋼構件處接觸電阻的存在，遠離接地網側的組件接地電阻要大于靠近接地網側；在達到一定螺栓緊固力矩的前提下，光伏組件通過外鋸齒鎖緊墊圈和接地導線能達到相同的接地效果，在日后的光伏發電工程中可進行推廣應用。