独立光伏电站的防雷设计

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可再生能源

Renewable Energy Resources

第28卷第4期2010年8月

Vol.28No.4Aug.2010

0引言

独立光伏电站的防雷问题是非常重要的，它直接关系到人身和设备的安全。独立光伏电站大多安装在偏远的山区，容易受到雷击而损坏设备，造成停电故障，因此，必须充分地重视独立光伏电站的防雷设计工作。只有做好了独立光伏电站的防雷设计，才能提高电站运行的稳定性和可靠性。

1独立光伏电站易遭雷击的主要部位

独立光伏电站主要由太阳能电池方阵、控制器、逆变器、蓄电池组、交流配电柜和低压架空输出线路组成。独立光伏电站易遭受雷击的部位有两处：太阳能电池板和机房［1］。

电池板是由真空钢化玻璃夹层和四周的铝合金框架组成，铝合金框架与金属支架连接。电池板易遭受直击雷侵袭，也易遭受感应雷侵袭。机房内有控制器、逆变器、交流配电柜等电气设备，易遭受感应雷和雷电波的侵入；另外，在雷电的作用下，雷电波也可能侵入机房内，危及人

身安全或损坏设备，严重的雷电袭击会对整个独立光伏电站造成极大的破坏。

独立光伏电站投资巨大，电站的防雷非常重要。在进行系统的防雷设计时，必须做到全方位防护，既要经济合理，又要安全有效，以确保独立光伏电站设备的安全。

2独立光伏电站的防雷保护装置设计

避雷针是防护直击雷破坏的主要装置，在一般的民用建筑中得到了广泛的应用。《建筑物防雷设计规范》对非建筑类工业露天场地是否安装避雷针有明确的规定：当场地内预计雷击次数N ≥0.06次/a 时，宜设置独立避雷针，以防直击雷［2］。根据青海省独立光伏电站所在地区年平均雷暴日数及太阳电池阵列占地面积等基础数据，计算出不同地区太阳电池阵列年预计雷击次数N ＜0.06次/a ，故独立光伏电站场区内可以不进行直击雷防护。

对感应雷和雷电波的防护，工程中选用避雷器。避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。在独立光伏电站防雷系统

独立光伏电站的防雷设计

摘

要：指出了独立光伏电站易遭受雷击的主要部位，针对独立光伏电站防雷设计进行了详细的论述。在独立

光伏电站的防雷设计中，应当选择合理的设计方案，采取有效措施，才能保证独立光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行。

关键词：光伏电站；防雷；设计中图分类号：TK519；TM86

文献标志码：B

文章编号：1671-5292（2010）04-0106-03

吴国楚

（青海新能源（集团）有限公司，青海西宁

810008）

Lightening protection design for stand-alone PV power station

WU Guo-chu

（Qinghai New Energy （Group ）Co.,Ltd.，Xining 810008，China ）

收稿日期：2009-11-05。

作者简介：吴国楚（1973-），男，黑龙江双城人，助理研究员，研究方向为新能源研究及利用技术。E-mail ：wuguochu@https://www.wendangku.net/doc/e812098607.html,

Abstract:This paper pointed out the main parts that are vulnerable to lightening,and put forward the lightening protection design for stand-alone PV power station.It explained that the effective mea -sures and the effective &reasonable design plans should be adopted in lightening protection for stand-alone PV power station,which will ensure the long-term stability,safety and reliability of the running the stations.

Key words:PV power station ；lightening protection ；design

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设计中，我们选用了MYS5和MYS8系列过电压保护器。3太阳电池阵列的防雷设计3.1直击雷防护设计

光伏阵列中，太阳电池板四周的铝合金框架与支架导通连接，所有支架均采用等电位连接接地，来防护直击雷。在直击雷发生之时，其感应电荷主要集中在太阳能电池板的铝框架上。

防直击雷原理如图1所示，其中：R AI 为电池方阵铝框架电阻，R AI =0；R C 为电池方阵电阻，R C ≥100M Ω；R g 为接地电阻，R g ≤10Ω。

由于太阳能电池板是由抽真空的钢化玻璃夹层组成，其本身就是绝缘体，R C ＞＞R AI 。所以当雷击发生时，强大的电磁场在电池板平面内会出现磁通量的急剧变化，该平面内的导体上会产生过电压和过电流，该过电压和过电流只会产生于铝合金框架闭合回路上，并通过R AI 和R g 进入大地。

3.2静电感应过电压防护设计

如果直击雷或云间雷发生在太阳能电池板的附近，则会在电池板上产生静电感应雷电过电压。由于电池板的正负导线相距很近，则在两导线上同时形成对地静电感应过电压U C 。

U C =U e -t/RC U =Q ／C

式中：Q 为导线上感应积累的电荷量，C ；U 为发生闪电时，导线对大地间的电压，V ；R 为导线对大地散流电阻，

Ω；C 为导线对雷云间的电容，F ；t 为闪击发生后延续时

间，s 。

可见，电池板内部正负导线回路中没有静电过电压产生，即静电感应雷击对电池板内部回路没有损坏。

当电池板附近发生直击雷和云间雷击时，强大的电磁场在电池板平面内会出现磁通量的急剧变化，该平面内的导体上会产生过电压和过电流。显然该过电压和过电流只会产生于铝合金框架闭合回路上，并通过支架进入大地。因此，电磁感应过电压不会对太阳能电池板产生冲击损坏。另外，太阳能电池方阵的高度远低于低压架空输出线电杆高度，故而电杆接地可以作为电池方阵的避

雷防护措施之一。

4直流输入、输出电缆的防雷设计

太阳能电池板背面引出的导线采用BV -1×6

mm 2型电缆线，导线的脉冲绝缘耐压大于30kV ，与供

电系统设备达到绝缘配合。同时在太阳电池阵列后面的汇线箱内加装了过电压保护器，即分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-385/40与MYS8-

FD2串联组合体。光伏阵列至机房控制器的直流电缆采

用铠装电缆，其金属外皮均同太阳电池阵列支架连接，并可靠接地，同时在控制器的直流输入端同样将铠装电缆的金属外皮可靠接地，这样就避免了雷电波通过直流输入、输出线进入机房，从而避免了控制器等电气设备遭受感应雷的侵袭。

为了避免太阳能电池方阵、供配电系统和架空线输电系统之间的电位反击，须将太阳能电池板四周铝合金

边框、支架、供配电设备外壳保护接地，架空电杆均应采用等电位连接接地。

平时，还要经常检查防雷器件。每年雨季前应对防雷装置做一次系统检查，如果器件损坏一定要及时更换。雷雨后，更应注意对防雷装置的巡视，如发现防雷装置有熔化或损坏的，光伏阵列汇线盒中的防雷模块被烧毁、腐蚀和锈蚀的，应及时予以更换，否则可能因此遭受雷击。

另外，须检查出线杆上避雷箱内的防雷模块是否被击穿。如果此模块已被击穿，应更换新的防雷模块。除此之外，还要定时检查引下线各部分连接是否良好，检查固定避雷器是否安装牢固，检查各部分腐蚀和锈蚀的情况。

5机房内设备的防雷设计

对机房内的设备，只须进行感应雷电（静电感应、电磁感应）和雷电波的防护。

控制器保护是在太阳电池阵列的汇线箱内和控制器的输入端加装过电压保护器。逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端相连接，因此对逆变器的保护是在逆变器的输出端（即在火线与地间、零线与地间和火线与零线间）安装过电压保护器。同时，机房内各设备均可靠接地，并与阵列、外架线路的接地体，保持同一电位，以防止雷电波的侵入和感应雷。对交流配电柜的保护是在交流配电柜的输出端，即架空线路的火线与地间、零线与地间和火线与零线间安装过电压保护器。此防雷器件全部安装于防雨防尘的避雷箱内，固定在架空线杆上，固定位置距架空线接地处越近越好。

控制器内被保护的器件主要是IGBT ，其正负极间直流耐压一般大于500V ，其脉冲耐压预计是1300V ，电池板正负极间正常工作电压为直流260V （但在很长时间

图1防直击雷原理图

Fig.1Direct Lightning Protection Diagram

R AI

R C

R g

吴国楚独立光伏电站的防雷设计

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达到390V ），要达到此雷电防护目的，在控制器进行一级保护是不可能的，必须采用两级防护。两级防护方案：在电池板背后的汇线箱内进行一级防雷保护，分别在正极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS8-385/40与

MYS8-FD2串联组合体；在控制器内的输入端，分别在正

极对地、负极对地间安装过电压保护器MYS5-275/20；电池板背后的汇线箱与控制器间距应大于10m 。控制器防雷保护原理如图2所示。

逆变器输入端与蓄电池并联，输出端和交流配电柜输入端连接，逆变器的对地脉冲绝缘耐压2.5kV 。根据感应雷分配原则，在逆变器的输出端须进行纵横向全模保护，即在火线与地间、零线与地间安装过电压保护器

MYS5-385/20与MYS5-FD2串联组合体；在火线与零线

间安装过电压保护器MYS5-320/20与MYS5-FD2串联组合体（图3）。

距交流配电柜几米处有8m 高的220V 架空线杆，对架空线进行防雷保护即可保护配电柜。交流配电柜的输出电压为220V ，为防止感应雷电流从外界直接进入供电系统，分别在交流配电柜输出端，即架空线的火线与地间、零线与地间安装过电压保护器MYS8-385/40与

MYS8-FD2串联组合体；火线与零线间安装过电压保护

器MYS5-320/20与MYS5-FD2串联组合体。此防雷器件全部安装于防雨防尘的避雷箱内，固定在架空线杆上，距架空线接地处越近越好，避雷箱距逆变器的输出端应大于10m 。交流配电柜防雷保护原理如图4所示。

6输电线路的防雷设计

在架空线路的火线与零线间安装防雷器件（电压保护器MYS5-320/20与MYS5-FD2串联组合体），此防雷

器件安装在防尘防雨的避雷箱内，固定在架空线路出线杆上，防止雷电波通过输出线进入机房，避免交流配电柜等电气设备遭受雷电波的侵袭（图5）。

7独立光伏电站接地装置

独立光伏电站接地装置的作用是把雷电流尽快地散逸到大地。接地装置包括接地体、接地线和接地引入线，

对接地装置的要求是要有足够小的接地电阻和合理的布局。埋在地下的钢管、角钢或钢筋混凝土基础等都可作为接地极使用。

8结束语

雷电会对建筑物及电气设备造成严重破坏。在独立光伏电站的防雷设计中，应当选择合理的设计方案，采取有效的措施，做好独立光伏电站的防雷设计，防止直击雷、感应雷、雷电波对独立光伏电站设备的破坏，这样才能保证独立光伏电站长期稳定、安全、可靠地运行，为用户提供优质的电能。参考文献：

[1]王长贵，崔荣强，周篁.新能源发电技术[M].北京:中国电力出版社，2003.

[2]

GB50057-94，建筑物防雷

设计规范[S].

图5避雷箱安装示意图

Fig.5Lightning protection box iInstallation diagram 焊接

与接地系统连接

500m m

图3逆变器防雷保护原理图

Fig.3Lightning protection diagram of inverter

逆变器

交流220V

L

N

PE

PE

PE

MYS5-320/20

MYS5-FD2

MYS8-FD2

MYS5-385/20

图2控制器防雷保护原理图

Fig.2Lightning protection diagram of controller

汇线箱

PE

PE

MYS8-3855/40MYS8-FD2

MYS5-275/20

IGBT

控制

器

图4交流配电柜防雷保护原理图

Fig.4Lightning protection box installation diagram 交流配电柜

避

雷箱

PE

PE

MYS5-FD2

MYS5-320/20

MYS8-3855/40

MYS8-FD2