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第6章太阳能光伏发电系统的整体配置与相关设计6.2.4防雷与接地系统的设计由于光伏发电系统的主要部分都安装在露天状态下，且分布的面积较大，因此存在着受直接和间接雷击的危害。光伏发电系统与相关电器设备及建筑物有着直接的连接，因此对光伏系统的雷击还会涉及相关的设备和建筑物及用电负载等。为了避免雷击对光伏发电系统的损害，就需要设置防雷与接地系统进行防护。1．关于雷电及开关浪涌的有关知识雷电是一种大气中的放电现象。在云雨形成的过程中，它的某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，当这些电荷积聚到一定程度时，就会产生放电现象，形成雷电。4.5.1关于雷电直击雷雷电分为直击雷和感应雷，直击雷是指直接落到太阳能方阵、直流配电系统、电气设备及其配线等处，以及近旁周围的雷击。直击雷的侵入途径有两条，一条是上述所说的直接对太阳能方阵等放电，使大部分高能雷电流被引入到建筑物或设备、线路上；另一条途径是雷电直接通过避雷针等可以直接传输雷电流入地的装置放电，使得地电位瞬时升高，一大部分雷电流通过保护按地线反串入到设备、线路上。感应雷感应雷是指在相关建筑物、设备和线路的附近及更远些的地方产生的雷击，引起相关建筑物、设备和线路的过电压，这个浪涌过电压通过静电感应或电磁感应的形式串入到相关电子设备和线路上，对设备线路造成危害。除了雷电能够产生浪涌电压和电流外，在大功率电路的闭合与断开的瞬间、感性负载和容性负载的接通或断开的瞬间、大型用电系统或变压器等断开等也都会产生较大的开关浪涌电压和电流，同样会对相关设备、线路等造成危害。对于较大型的或安装在空旷田野、高山上的光伏发电系统，特别是雷电多发地区，必须配备防雷接地装置。2．太阳能光伏发电系统的防雷措施和设计要求(1)太阳能光伏发电系统或发电站建设地址选择，要尽量避免放置在容易遭受雷击的位置和场合。(2)尽量避免避雷针的投影落在太阳能电池方阵组件上。(3)根据现场状况，可采用避雷针、避雷带和避雷网等不同防护措施对直击雷进行防护，减少雷击概率。并应尽量采用多根均匀布置的引下线将雷击电流引入地下。多根引下线的分流作用可降低引下线的引线压降，减少侧击的危险，并使引下线泄流产生的磁场强度减小。(4)为防止雷电感应，要将整个光伏发电系统的所有金属物，包括电池组件外框、设备、机箱机柜外壳、金属线管等与联合接地体等电位连接，并且做到各自独立接地，图6-26是光伏发电系统等电值连接示意图。(5)在系统回路上逐级加装防雷器件，实行多级保护，使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。一般在光伏发电系统直流线路部分采用直流电源防雷器，在逆变后的交流线路部分，使用交流电源防雷器。防雷器在太阳能光伏发电系统中的应用如图6-27所示(6)光伏发电系统的接地类型和要求①防雷接地。包括避雷针（带）、引下线、接地体等，要求接地电阻小于10Ω，并最好考虑单独设置接地体。②安全保护接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏电池组件外框、支架，控制器、逆变器、配电柜外壳，蓄电池支架、金属穿线管外皮及蓄电池、逆变器的中性点等，要求接地电阻≤4Ω。⑧当安全保护接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地等四种接地共用一组接地装置时，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷已单独设置接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值。④条件许可时，防雷接地系统应尽量单独设置，不与其他接地系统共用。并保证防雷接地系统的接地体与公用接地体在地下的距离保持3m以上。3．接地系统的材料选用避雷针一般选用直径12～16mm的圆钢，如果采用避雷带，则使用直径8mm的圆钢或厚度4mm的扁钢。避雷针高出被保护物的高度，应大于等于避雷针到被保护物的水平距离，避雷针越高保护范围越大。接地体宜采用热镀锌钢材，其规格一般为：直径为50mm的钢管，壁厚不小于3.5mm：50mm×50mm×5mm角钢或40mm×4mm的扁钢，长度一般为1.5～2.5m。接地体的埋设深度为上端离地面0.7m以上。引下线一般使用直径为8mm的圆钢。要求较高的要使用截面积为35mm2的多股铜线。专用降阻剂接地模块与降阻剂的用量计算4．防雷器的选型防雷器也叫电涌保护器（SurgeProtectionDevice），形如图6-28所示。防雷器内部主要有热感断路器和金属氧化物压敏电阻组成，另外还可以根据需要同NPE火花放电间隙模块配合使用。其结构示意图如图6-29所示。光伏发电系统常用防雷器品牌有080、DEHN(德和盛)等。其中常用的型号为OBO的V25-B+C/3、V25-B+C/4、V25-B+C/3+NPE、V20-C/3，V20-C/3+NPE交流电源防雷器和V20-C/3-PH直流电源防雷器，DEHN的DLGPV1000、DGPV500SCP、DGPV500SCPFM、DGMTN275和DVMTNC255等。表6-9是080的V25-B+C和V20-C防雷器模块的技术参数，供选型时参考。光伏发电系统常用防雷器主要技术参数的具体说明(1)最大持续工作电压（Uc）：该电压值表示可允许加在防雷器两端的最大工频交流电压有效值。在这个电压下，防雷器必须能够正常工作．不可出现故障。同时该电压连续加载在防雷器上，不会改变防雷器的工作特性。(2)额定电压（Un）：是指防雷器正常工作下的电压。这个电压可以用直流电压表示，也可以用正弦交流电压的有效值来表示。(3)最大冲击通流量(Imax):是指防雷器在不发生实质性破坏的前提下，每线或单模块对地，通过规定次数、规定波形的最大限度的电流峰值数。最大冲击通流量一般大于额定放电电流的2.5倍。(4)额定放电电流(In)：额定放电电流也叫标称放电电流，是指防雷器所能承受的8/20us雷电流波形的电流峰值。(5)脉冲冲击电流(Iimp)：是指在模拟自然界直接雷击的波形电流（标准的10/350us雷电流模拟波形）下，防雷器能承受的雷电流的多次冲击而不发生损坏的电流值。(6)残压（Ures）：是指雷电放电电流通过防雷器时，其端子间呈现出的电压值。(7)额定频率（fn：是指防雷器的正常工作频率。在防雷器的具体选型时要特别考虑的几个参数和功能的选择。(1)最大持续工作电压（Uc）的选择。氧化锌压敏电阻防雷器的最大持续工作电压值（Uc），是关系到防雷器运行稳定性的关键参数。在选择防雷器的最大持续工作电压值时，除了符合相关标准要求外，还应考虑到安装电网可能出现的正常波动及可能出现的最高持续故障电压。例如在三相交流电源系统中，相线对地线的最高持续故障电压，有可能达到额定工作电压交流220V的1.5倍，即有可能达到330V。因此在电流不稳定的地方，建议选择电源防雷器的最大持续工作电压值大于330V的模块。在直流电源系统中，最大持续工作电压值与正常工作电压的比例，根据经验一般取1.5倍到2倍。(2)残压（Ures）的选择。在确定选择防雷器的残压时，单纯考虑残压值越低越好并不全面，并且容易引起误导。首先不同产品标注的残压数值，必须注明测试电流的大小和波形，才能有一个共同比较的基础。一般都是以20kA(8/20us)的测试电流条件下记录的残压值作为防雷器的标注值，并进行比较。其次，对于压敏电阻防雷器选用残压越低时，将意味着最大持续工作电压也越低。因此，过分强调低残压，需要付出降低最大持续工作电压的代价，其后果是在电压不稳定地区，防雷器客易因长时间持续过电压而频繁损坏。在压敏电阻型防雷器中，选择最合适的最大持续工作电压和最合适的残压值，就如同天平的两侧，不可倾向任何一边。根据经验，残压在2kV以下（20kA、8/20us），就能对用户设备提供足够的保护。(3)报警功能的选择。为了监测防雷器的运行状态，当防雷器出现损坏时，能够通知用户及时更换损坏的防雷器模块，防雷器一般都附带各种方式的损坏指示和报警功能，以适应不同环境的不同要求。①窗口色块指示功能：该功能适合有人值守且天天巡查的场所。所谓窗口色块指示功能就是在每组防雷器上都有一个指示窗口，防雷器正常时，该窗口是绿色，当防雷器损坏时，该窗口变为红色，提示用户及时更换。②声光信号报警功能：该功能适合用在有人值守的环境中使用。声光信号报警装置是用来检查防雷模块工作状况，并通过声光信号显示状态的。装有声光报警装置的防雷器始终处于自检测状态，防雷器模块一旦损坏，控制模块立刻发出一个高音高频报警声，监控模块上的状态显示灯由绿色变为闪烁的红灯。当将损坏的模块更换后，状态显示灯显示为绿色，表示防雷模块正常工作，同时报警声音关闭。⑧遥信报警功能：该遥信报警装置主要用于对安装在无人值守成难以检查位置的防雷器进行集中监控。带遥信功能的防雷器都装有一个监控模块，持续不断检查所有被连接的防雷模块的工作状况，如果某个防雷模块出现故障，机械装置将向监控模块发出指令，使监控模块内的常开和常闭触点分别转换为常闭和常开，并将此故障开关信息发送到远程有相应的显示或声音装置上，触发这些装置工作。④遥信及电压监控报警功能：该遥信及电压监控报警装置除了上述功能外，还能在防雷器运行中对加在防雷器上的电压进行监控，当系统有任意的电源电压下降或防雷器后备保护空气开关（或保险丝）动作以及防雷器模块损坏等，远距离信号系统均会立即记录并报告。该装置主要用于三相电源供电系统。4.5.3避雷元件的选择作为防雷措施所使用的部件，大致分为避雷元件和防雷变压器。在PV系统中一般使用作为避雷元件的避雷针（器）或者浪涌吸收器。①避雷针（器）。对于因雷电产生的冲击性过电压，将电气设备的端子电压降低在规定值以内，不引起停电，系统可复原状的装置。②浪涌吸收器（防雷器也叫浪涌保护器）。缓和从线路侵入的异常电压的严重程度，且降低雷电浪涌峰值的装置。③防雷变压器。以屏蔽绝缘变压器为主体，附加避雷器和电容器的装置。在雷电浪涌侵入的场合，因内置的避雷器一次侧和二次侧间的高度绝缘以及屏蔽作用，雷电浪涌完全被阻断。避雷器避雷元件的选择方法作为在接线箱内及配电盘内安装的避雷元件，一般选择避雷器（放电电流额定值大的），作为在阵列的主回路内安装的避雷元件，选择浪涌吸收器（放电电流额定值小的）(1)避雷器的具体选择方法①在接线箱内选择厂商产品目录中避雷器的最大允许电压（可连续使用的电压最大值）栏或者额定电压栏中记载的电压比要安装端子间的最大电压大且接近的型号。在配电盘内则选择与厂商产品目录中的额定电压栏中记载的电压符合的型号，或者厂商推荐的电压的型号。②避雷器的电流为1000A(8/20us)时，选择控制电压（浪涌电流流过时浪涌电压被限制而残留在避雷器两端子之间的电压）为2000V以下的避雷器。报道说，作为感应雷的浪涌电流，最大有1000A。还有，太阳能电池阵列的脉冲耐电压（将标准雷脉冲电压波形1.2/50us正负各3次施加时没有引起绝缘破坏的最大电压）为4500V，考虑到避雷器接地线引起浪涌阻抗（雷电电流流过时的阻抗）的增大，所以把控制电压限制在2000V以下。接地线要尽量短。③感应产生的波形不仅有8/20us的，还有比这个更长的能量大的波形，所以避雷器的放电电流额定值(浪涌电流额定值是指没有引起实质上的障碍，5分钟间隔2次流过规定波形(8/20us或者4/10us)的放电电流波峰值的最大限度）为最低4000A以上，如果可能20kA为理想值。④避雷器希望有从电路易脱开的结构。测绝缘电阻时，操作性提高。⑤避雷器（氧化锌系列）由于雷电流的冲击性能劣化，最坏的情况是处于短路状态，所以选择性能劣化时具有能从电路自动脱离功能的产品，且容易维修检查。选择避雷器的举例列于表4.5中将避雷器安装在接线箱内的举例示于图4.2，安装在配电盘内的举例示于图4.12(2)浪涌吸收器的具体选择方法①首先确认要安装的端子间的最大电压，然后从厂商产品目录中的最大允许电路电压DC(V)栏中选择高于该电压的型号。②感应雷的浪涌电流为1000A(8/20us)时，选择控制电压值在2000V以下的浪涌吸吸器。③放电电流额定值最低4kA以上的浪涌吸收器。④选择具有能从电路中容易脱离结构的浪涌吸收器。防雷变压器的