防雷与接地设计（完整电子文档，配习题）
在光伏发电系统中，光伏方阵还有控制器、逆变器等其他一些设备，线缆较长，容易遭受雷电感应和雷电波的侵袭。为了使光伏电站能够安全、稳定地运行，必须为系统提供防雷接地装置。 7.1雷电对光伏系统危害
雷电对太阳能光伏发电系统设备的影响，主要由直击雷、雷电感应和雷电波侵入3种方式对物体形成灾害，一般在设计中应当分别对其加以防范。
1.直击雷
直击雷是带电积云与地面目标之间的强烈放电。雷电直接击在受害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏，对人畜造成伤害。 直击雷的电压峰值通常可达几万V 甚至几百万V，电流峰值可达几十kA 乃至几百kA，其破坏性之所以很强，主要是由于雷云所蕴藏的能量在极短的时间（其持续时间通常只有几μs到几百μs）就能释放出来，从瞬间功率来讲，是巨大的。
2 雷电感应(感应雷)
感应雷的能量远小于直击雷，但感应雷发生的可能性远大于直击雷。感应雷分为由静电感应形成的雷和由电磁感应形成的雷两种。
(1)静电感应雷：当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，束缚电荷就变成了自由电荷，从而产生很高的静电电压(感应电压)，其过电压幅值可达到几万到几十万V，这种过电压往往会造成建筑物内的导线、接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电。
(2)电磁感应雷：雷电放电时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近产生迅速变化的强磁场。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。
感应雷沿导体传播，损坏电路中的设备或设备中的器件。光伏发电系统中电缆多，线路长，给感应雷的产生，耦合和传播提供了良好环境，而光伏发电系统设备随着科技的发展，智能化程度越来越高，低压电路和集成电路也用得很普遍，抗过电压能力越来越差，极易受LEMP的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件，所以更不能掉以轻心。
由于感应雷可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。而光伏发电系统与外界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生感应雷，并沿电缆传入机房和设备。所以防感应雷是光伏发电系统防雷的重点。
3 雷电波侵入
当架空线路或埋地较浅的金属管道、线缆直接受到雷击或因附近落雷而感应出高电压时，感应过电压会产生脉冲浪涌，如大量的电荷不能中途迅速入地，就会形成雷电冲击波沿导线或管道传播。这个传导过电压会影响或破坏很大范围内与之连接的设备。
7.2光伏系统直击雷防范
7.2.1 光伏系统直击雷防范措施
一般宜采用抑制型或屏蔽型的直击雷保护措施，如安装接闪器，以减小直击雷击中的概率。并尽量采用多根均匀布置的引下线。因为多根引下线的分流作用可降低引下线沿线压降，减少侧击的危险，并使引下线泻流产生的磁场强度减小。引下线的均匀布置可使引下线泻流产生的电磁场在建筑物内空间内部部分抵消，以抑制感应雷的产生强度。 接地体宜采用环型地网，引下线宜连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。
避雷针、避雷带(线)、避雷网是直接接受雷击的，统称为接闪器。接闪器的金属杆，称为避雷针；接闪器的金属线，称为避雷线或架空地线；接闪器的金属带、金属网，称为避雷带。接闪器如图7-1所示。 接闪器的避雷针、避雷线和避雷带，应根据实际选用。
(a)避雷针 (b)避雷带
图7-1 接闪器
7.2.2 避雷针直击雷防范设计
1.避雷针工作原理
由于雷云中向下先导趋向地面，同时使地面物体中电晕放电所引起的电离加剧，从而在某些地面物体上产生一个向上的先导，安装在比其它物体高得多的避雷针正是利用自身产生的向上先导来改变雷云向下先导的走向，将落雷点引到自己身上，达到保护比它矮的物体不易遭受雷击。避雷针结构：由接闪器、引下线与接地装置组成。
(1)接闪器：一般采用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。
长度在1.5米以上时，圆钢直径不得小于10mm；钢管直径不得小于20mm，管壁厚度不得小于2.75mm。在有污染或腐蚀性较强的场所，这些尺寸应适当加大或采取其他的防腐措施，如用铜或不锈钢制作。长度超过3m时，需要用几节不同直径的钢管组合起来。
(2)引下线（接地线）：将接闪器或金属设备与接地装置连接起来。在正常情况下不载流。雷击时，将雷电流传送到接地装置去。一般采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。采用圆钢，直径不得小于8mm。若采用扁钢，厚度不得小于4mm，截面积不得小于48mm² （即 4
×12mm² ）。
走线要求：一般沿外墙，最短路径接地；多引下线应作等电位连接；在离地面1.8米以内设置断接卡；避开人容易碰撞的地方；在有污染或腐蚀性较强的场所，应采取防腐措施。
特殊情况暗敷应加大引下线尺寸，截面积不得小于80mm² 。
(3)接地装置：埋设在地中直接与大地接触作散流的金属导体。若接地体采用垂直埋设，一般宜用角钢、钢管或圆钢等。若采用水平埋设时，一般采用扁钢或圆钢。
接地电阻一般要求小于10 ，对土壤电阻率较高的地区，可以酌情放宽一些，但要求小于30 。
2.保护范围：滚球法
滚球法：一种几何模拟法，其滚球半径按我国防雷规范标准有30m、45m、60m三个规定值（见表7-1），当球体同时触及到接闪器（或作接闪器的金属物）和地面（或能承受雷击的金属物）的情况下，未触及的部分，即规定为绕击率为0.1%时，接闪器的保护范围。
表7-1 防雷规范标准
建筑物的防雷类别 | 滚球半径hr（m） | 避雷网格尺寸（m） |
第一类防雷建筑物 | 30 | 静电接地控制器≤5×5或≤6×4 |
第二类防雷建筑物 | 45 | ≤10×10或≤12×8 |
第三类防雷建筑物 | 60 | ≤20×20或≤24×16 |
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滚球法的物理图象是，是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。
图7-2 滚球法
2.单支避雷针保护范围
（1）单支避雷针的保护范围的确定
当避雷针的高度h≤hr（滚球半径）时，保护范围：
距地面处作一平行于地面的平行线；
以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线 A、B两点：
分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。以此弧线绕中心轴旋转在地面上形成的锥体就是保护范围。
避雷针在地平面上保护半径，那么，避雷针在hx高度的平面上保护半径:。
图7-2 单支避雷针的保护范围
当h≥hr时，在避雷针上取高度为hr的一点代替单根避雷针的针尖，即等效高度为hr的单根避雷针来分析。
例如，第二类防雷建筑物，计算单支避雷针的保护范围时，滚球半径为45m，若避雷针离地高度分别为45和8m。
解：若避雷针的高度为45m，代入公式得避雷针在地面上的保护半径为45m； 若避雷针的高度为8m，代入公式得： ro=25.6(m)
(2)双支等高避雷针的保护范围
双支避雷针之间的保护范围是按照两个滚球在地面从两侧滚向避雷针，并与其接触后两球体的相交线而得出的。原理如下图7-4所示。
图7-4 双支等高避雷针
在避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时，当两支避雷针的距离D≥时，应按单支避雷针的方法确定；
当D＜时，应按下列方法确定： ABCD外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；C、E点位于两针间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度bo按下式计算：
在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围上边线上的保护高度hx按下式确定：
两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，在F点上以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定，如图7-4所示。
(3)多根避雷针
当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器。
(4)雷线与避雷针的组合
当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器。避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分。在架空网下是保护区，光伏方阵与架空网间应有一安全距离，以保证防雷效果。
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