关键词：大型；地面；光伏电站；防雷保护
前言
大型并网光伏电站一般定义为装机50MW以上，接入电压等级为110KV及以上电网的光伏电站。在雷电多发区，电站需要建设防雷设施，但目前缺少大型并网光伏电站防雷相关设计标准。现针对大型光伏发电项目的防雷问题提出具体的防雷方案，供参考。
1光伏方阵区的防雷
1.1晶硅光伏组件边框作为接闪器的可行性
光伏发电方阵区域内的大面积金属部件主要是指晶体硅光伏组件的铝合金边框及与其连接的镀锌钢组件支架（位于组件下部）。因此，对光伏发电阵列区的防雷保护，最可行的方案便是考虑组件边框兼顾防雷接闪器，或根据组件实际布置情况在最上层组件上部增设避雷带。前者是目前国内采用晶体硅光伏组件的光伏电站主流的防雷设计方案，后者则为采用薄膜型光伏组件（无金属边框）的光伏电站主要考虑的防雷设计方案。
1.1.1材料及截面校验
晶体硅光伏组件的铝合金边框一般为截面厚1.6～2mm、高度h为40mm或50mm、剖面宽度b为10mm的中空几何结构（如图1所示），截面积一般在220mm2左右。
根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中对接闪器的材料、结构和最小截面要求，若接闪带材料为铝合金单根扁形导体时，其最小截面积不应小于50mm2、厚度不小于2.5mm；为铝合金单根圆形导体时，其最小截面积不应小于50mm2、直径不小于8mm。可见，虽然晶体硅光伏组件的铝合金边框截面积远大于规范对接闪器的要求，但其截面结构并不能完全满足接闪器要求。因此，需对其承受雷击电流的热稳定和动稳定进行校验。雷电流的参数采用《建筑物防雷设计规范》中的3类建筑首次正极性雷击的雷电流参量、首次负极性雷击的雷电流参量、首次负极性以后雷击的雷电流参量、长时间雷击的雷电流参量。对于平原和低建筑物典型的向下雷击，可能出现的最严苛的情况是首次正极性雷击，其参量如下：幅值为imax=100kA，半值时间t=350s，电荷量Q=50C。
1.1.2保护范围校验
光伏阵列的运行方式有固定式，以及单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪方式。目前，固定式的运行方式仍是国内光伏发电站的主要设计方案。因此，此处以简单的固定式布置于水平面上的方案作为分析对象，选用尺寸为1.65m×0.99m×0.04m的常规晶体硅电池组件，布置方案采用双排竖向排列方案，如图3所示。图中，为组件支架倾角；h为组件最底部距离地面距离；H为组件支架高度。组件支架倾角由最佳倾角计算得到，取值一般为光伏电站所在地区纬度减1°～5°；组件最底部距地面距离根据光伏电站场地情况一般在0.3～0.5m。此处距地面距离按h=0.5m考虑。据此，分别采用滚球法对光伏组件边框作为避雷接闪器的保护范围进行校验。滚球半径按一类建筑45m考虑，假设0＜ɑ＜90°，如图4所示。考虑滚球保护范围刚好能够覆盖全部组件及其支架的极端情况（如图5所示)，则可推得不等式：ɑ≥arccos45-H/45，即cosɑ≤45-H/45（3）
其中：H=（3.33sinɑ+0.5）m。经计算可得：ɑ≥13.77°，即当安装倾角大于13.77°时，组件顶部铝合金边框的保护范围便可覆盖全部光伏组件及其支架。目前，国内光伏发电站所处纬度一般在不小于北纬20°的区域。因此，大型地面光伏电站组件布置的最佳倾角一般不小于15°，即大于ɑ，满足保护范围的要求。
1.2晶体硅光伏组件边框与支架连接
光伏电站设计规范中要求晶体硅光伏组件的金属边框必须可靠接地，目前建成或在建的光伏电站主要依靠组件固定螺栓连接或增设连接铜线两种方式。其中，后者一般采用1根BV-1×4/1×6mm2的导线通过组件接地孔将组件与支架进行电气连通。然而，若同时考虑以此作为防感应雷的等电位连接时，则不能满足规范要求。根据《建筑物防雷设计规范》要求，从等电位连接带至接地装置或各等电位连接带之间的连接导体材料为铜时最小截面为16mm2，材料为铝时最小截面为25mm2，材料为铁时最小截面为50mm2。故对BV导线的截面要求应当不小于16mm2。由于大型地面光伏电站的光伏组件数量庞大，采用这一方案明显会增加不少工程投资。因此，直接利用光伏组件与组件支架的机械连接（螺栓或压块安装，压块安装需要刺破阳极氧化膜）作为等电位连接更为合理，既能满足等电位可靠连接的要求，又不额外增加工程设备材料投资
2控制机房的防雷
控制机房不仅要注意防感应雷，还要注意雷电电磁脉冲，其设备和控制机房的防雷和接地应符合SJ/T11127－1997《光伏（PV）发电系统过电压保护－导则》的规定。雷电电磁脉冲辐射对光伏电站电子系统的破坏力更大，概率更高。电站机房属于第一类防雷场所，根据规定，其防直击雷装置应能承受200KA的首次雷击。
（1）措施1：机房设备须可靠接地;在逆变器室装设避雷器，以阻止和隔离雷电感应电流在各发电方阵之间蔓延，确保雷电过电流就地下泻。
（2）措施2：控制室进出线处均增设防雷隔离箱，内装防雷保护器，防止感应雷。
（3）措施3：配电柜内加装防雷模块（防雷器）。
（4）措施4：通信设备应加装防雷保护器具体可参考YD5098－2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》。
3升压站的防雷
升压站并网接口设备和升压站的防雷应满足SJ/T11127－1997和DL/T621－1997《交流电气装置的接地》的规定。
（1）措施1：110KV升压站设置独立避雷针，建筑物屋顶墙上敷设避雷带；
（2）措施2：在升压站110KV侧应适当配置氧化锌避雷器，减少雷电侵入波过电压；
（3）措施3：110KV升压站按复合接地网设计，水平接地体为网格状，兼均压带。水平接地体镀锌扁钢为50mm×6mm，垂直接地体镀锌角钢为50mm×5mm。全站工作接地、保护接地和避雷针共用一个接地网，接地电阻值按不大于0.5Ω设计。若为了减少投资而在升压站出线铁塔（杆）上设立避雷针，则必须将这基塔（杆）的绝缘强度提高，且接地电阻值应不大于15Ω，以防发生反击事故，威胁线路运行安全。为防止发生反击，出现感应雷及雷电绕击导线后形成的雷电侵入波过电压的危害，应在线路终端至变电站构架之间线路上配置适当的避雷器以保护站内设备。
4接地系统设计
电气系统的接地应符合GB50169－2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的规定。光伏电站的接地系统设计为环形接地极（水平接地电极），建议网格大小为20m×20m；固定光伏板的金属支架大约每隔10m连接至接地系统。系统接地保护的设计要求接地连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。大型并网光伏电站接地电阻值R应≤4Ω，并满足电子设备的金属屏蔽接地和逆变器、变压器等工作接地的要求；防雷接地应该独立设置，要求R≤30Ω，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上；中性点直接接地的系统中要求重复接地，R≤10Ω。光伏设备和控制机房的接地系统通过热镀锌钢相互连接。通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，能显著减小雷电作用在光伏阵列和厂房建筑之间的连接电缆上所产生的过电压。水平接地极铺设在至少0.5m深的土壤中（距离冻土层深0.5m），使用十字夹相互连接成网格状；接地头用耐腐蚀带包裹。埋于土壤中的人工垂直接地体采用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的人工水平接地体采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小于100mm2，厚度不应小于4mm；角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚度不应小于3.5mm。
5结语
总而言之，大型并网光伏电站的防雷目前虽然没有明确的国家标准，但从防雷击人身伤亡和设备损毁，进而影响电网运行安全的角度出发，大面积防雷设计是必要的，决不能以国家规定不明确和降低工程造价为理由，降低防雷标准。
参考文献：
[1]水利电力西北电力设计院．电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M]．北京：中国电力出版社，2011
[2]郑军，胡东升．光伏电站的防雷接地技术[J]．民营科技，2011（3）