淺析光伏組件接地導(dǎo)體選擇及效果

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

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

“太陽(yáng)能光伏組件接地”是確保工作人員與使用環(huán)境安全的關(guān)鍵。系統(tǒng)處于開斷狀態(tài)時(shí)，置于戶外的太陽(yáng)能光伏組件仍持續(xù)發(fā)電，工作人員在維護(hù)檢修時(shí)將會(huì)面臨很高的觸電風(fēng)險(xiǎn)。另外，大規(guī)模光伏電站大部分位于空曠場(chǎng)地，存在雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。光伏組件接閃桿遭受雷擊后，組件框架和接地支架上產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，波形呈現(xiàn)較為明顯的震蕩，幅值可達(dá)幾十千伏，極易造成對(duì)電池單元的反擊。同時(shí)當(dāng)雷云接近大面積光伏組件時(shí)，就會(huì)在光伏組件上產(chǎn)生靜電感應(yīng)過(guò)電壓，其感應(yīng)電荷主要集中在組件的鋁合金邊框上。增加光伏組件單獨(dú)接地，可使感應(yīng)電荷直接泄入大地，保護(hù)光伏組件。因此，太陽(yáng)能光伏組件的接地是十分必要的。

在設(shè)計(jì)中光伏組件的主要接地方式為借助接地導(dǎo)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(jīng)濟(jì)性角度考慮，借助墊片進(jìn)行接地的成本是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于借助接地導(dǎo)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(dǎo)線接地之間具有等效性，將成為本文研究的重點(diǎn)。

1 光伏電站接地的規(guī)范要求

目前在我國(guó)光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工中，防雷接地部分主要參照的規(guī)范有GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 32512-2016《光伏發(fā)電站防雷技術(shù)要求》和NB/T 10128-2019《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》。按照規(guī)范要求，光伏組件金屬邊框應(yīng)可靠接地，同時(shí)光伏方陣場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)設(shè)置接地網(wǎng)，接地網(wǎng)除應(yīng)采用人工接地極外，還應(yīng)充分利用支架基礎(chǔ)的金屬構(gòu)件。接地設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)土壤電阻率和短路電流計(jì)算結(jié)果對(duì)接地裝置區(qū)域進(jìn)行接地電阻計(jì)算，光伏方陣接地應(yīng)連續(xù)、可靠，接地電阻應(yīng)小于4Ω。

2 接地導(dǎo)線選擇及等阻值接地墊片

以榆林某168MW光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，光伏組件先與支架檁條進(jìn)行連接，形成接地電氣通路。再經(jīng)過(guò)支架橫梁與水平接地體與大地之間接地導(dǎo)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(dǎo)體電阻。

2.1 入地電阻計(jì)算

按照IEEE Std80-2013《交流變電站接地安全導(dǎo)則》中入地電阻的簡(jiǎn)化計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》中，干燥氣候環(huán)境的沙土電阻率為1000Ω·m及以上，計(jì)算取1000Ω·m；

A——接地網(wǎng)敷設(shè)面積，m。

在此電站的光伏區(qū)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主接地網(wǎng)面積大約為1500畝，合100000m。

2.2 橫梁電阻計(jì)算

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

2.3 接地導(dǎo)體選擇

該榆林光伏項(xiàng)目選用440Wp、445Wp及450Wp三種規(guī)格雙玻光伏組件，查閱廠家資料可得單塊450Wp組件的最大運(yùn)行狀態(tài)下短路電流為11.58A。取極端情況下一套支架內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)體選用銅導(dǎo)線，則根據(jù)IEEE Std80-2013《交流變電站接地安全導(dǎo)則》中的公式：

式中：A——接地導(dǎo)體的截面積，k=MCM；

I———故障電流有效值，kA；

t— —電流持續(xù)時(shí)間，s；

K— —接地材料在不同T值和環(huán)境溫度（T）為40℃時(shí)的常數(shù)。

t取較大值2s，這樣可以保證截面積校驗(yàn)的可靠性更高。在IEEE Std80-2013中查表可得，硬質(zhì)銅材的K取7.06。由此得出A=6.71MCM=3.402mm，故選擇1×4mm規(guī)格的銅導(dǎo)線進(jìn)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(dǎo)線和普通平墊片外，還可應(yīng)用外鋸齒鎖緊墊圈進(jìn)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(guò)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(guò)外鋸齒鎖緊墊圈接地的效果等同于接地導(dǎo)線，則外鋸齒鎖緊墊圈的電阻值應(yīng)不大于接地導(dǎo)線電阻值。

根據(jù)以上分析，榆林168MW光伏發(fā)電項(xiàng)目的單塊組件總接地電阻的理論計(jì)算值為R=R＋R＋R≈0.45Ω。但是由于實(shí)際中螺栓、檁條處的緊固件及連接件均會(huì)產(chǎn)生接觸電阻，實(shí)際測(cè)試阻值在滿足規(guī)范要求的前提下應(yīng)一定程度的大于理論計(jì)算值。

3 接地效果測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h3>

在該榆林光伏發(fā)電項(xiàng)目測(cè)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(guò)接地導(dǎo)線接地，試驗(yàn)采用三極法或四極法測(cè)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(nèi)齒、內(nèi)鋸齒、外齒、外鋸齒及帶齒錐形幾種墊片。根據(jù)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(chǎn)商較多，規(guī)格也較為繁雜，質(zhì)量參差不齊。為確保接地效果，建議選用滿足國(guó)標(biāo)或德標(biāo)規(guī)格的外鋸齒鎖緊墊圈，其參考的規(guī)范為GB 862.2-1987或DIN-6798。

對(duì)于該光伏發(fā)電項(xiàng)目，所選用的螺栓為M8規(guī)格，組件接地連接件選用外鋸齒鎖緊墊圈。墊圈內(nèi)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(yīng)有14齒。墊片材質(zhì)為65Mn，表面經(jīng)過(guò)熱處理氧化，墊圈樣式見圖1。

圖1 墊圈樣式

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

①選取10塊光伏組件作為試驗(yàn)對(duì)象，其中靠近支架與主接地網(wǎng)一側(cè)的5塊，遠(yuǎn)離支架與主接地網(wǎng)一側(cè)的5塊。試驗(yàn)組件位置如圖2所示。

圖2 接地試驗(yàn)示意圖

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

③在10塊試驗(yàn)組件的邊框處制作接地測(cè)試點(diǎn)，在測(cè)試點(diǎn)上分別測(cè)量不同緊固力矩下的接地電阻并記錄結(jié)果。

④在10塊試驗(yàn)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(cè)量接地電阻并記錄結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地接地效果測(cè)試如圖3。

圖3 接地效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

⑤分析整理全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比對(duì)所有測(cè)試結(jié)果。核查10號(hào)試驗(yàn)組件的接地電阻是否小于設(shè)計(jì)要求值，同時(shí)確定接地效果最優(yōu)的緊固力矩值。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)整理為表1。

表1 接地電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得知，光伏組件利用外鋸齒鎖緊墊圈進(jìn)行接地，接地電阻基本上與通過(guò)銅導(dǎo)線接地時(shí)一致。同時(shí)，對(duì)于M8固定螺栓而言，緊固力矩在21N·m～24N·m時(shí)接地效果最優(yōu)。由于橫梁接口、檁條安裝件處產(chǎn)生的接觸電阻，整體實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，且遠(yuǎn)離接地主網(wǎng)側(cè)的光伏組件接地電阻大于靠近接地網(wǎng)側(cè)。但整體接地電阻均小于國(guó)標(biāo)規(guī)范中4Ω的要求，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工合理。

5 結(jié)論

光伏組件的接地在實(shí)際工程中有多種方式，目前主要采用通過(guò)導(dǎo)線和通過(guò)墊片兩種接地方案。本文提出了通過(guò)外鋸齒鎖緊墊圈進(jìn)行組件接地，從接地電阻及導(dǎo)體電阻的概念出發(fā)，通過(guò)計(jì)算和接地效果試驗(yàn)得出以下結(jié)論：對(duì)于光伏組件常用的M8、M10等規(guī)格的安裝螺栓，選用滿足國(guó)標(biāo)的外鋸齒鎖緊墊圈均能實(shí)現(xiàn)與接地導(dǎo)線的電阻值相同；對(duì)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(gòu)件處接觸電阻的存在，遠(yuǎn)離接地網(wǎng)側(cè)的組件接地電阻要大于靠近接地網(wǎng)側(cè)；在達(dá)到一定螺栓緊固力矩的前提下，光伏組件通過(guò)外鋸齒鎖緊墊圈和接地導(dǎo)線能達(dá)到相同的接地效果，在日后的光伏發(fā)電工程中可進(jìn)行推廣應(yīng)用。