太阳能光伏组件接地的必要性探讨

1、太阳能光伏组件接地的必要性探讨 摘要：光伏电站接地设计的完整性、可靠性、安全性，是确保电站运行及人员安全的关键，针对目前新建、在建以及已建光伏电站中对光伏组件接地的疏漏及认知误区，本文主要从光伏组件本体结构、电气要求方面对组件接地的必要性进行了说明，并以组件厂家推荐的组件接地方法阐明接地的正确安装方式。 关键词： 光伏电站，太阳能光伏组件，铝合金边框，接地 中图分类号：TK511文献标识码： A 引言 “太阳能光伏组件接地”是确保工作人员与使用环境安全的关键。系统处于无电状态时，置于户外的太阳能光伏组件仍持续发电，所以触电危险时时存在，工作人员在维护检修时将会面临很高的触电风险。尤其当太阳能光

2、伏组件串联成方阵后，运行检修人员面临的潜在触电危险将是所有组件累加的电压和；另外，大规模光伏电站大部分位于空阔场地，周遭无更高建筑物，太阳能光伏组件即成为高处的唯一金属体，提高了触雷的风险。因此，太阳能光伏组件的接地是十分必要的。然而目前绝大多数已建和在建项目在设计或施工中均会忽略光伏组件的接地，往往存在认知上的误区：认为光伏组件金属边框与组件安装支架之间只要安全可靠连接，就认为光伏组件是可靠接地的。这种认知上的错误引起的后果四非常严重的。本文将从接地的电气要求、接地安全标准及组件厂商推荐组件接地方法等方面说明光伏组件接地的必要性和正确性。 需要说明的是，对于目前市场上新出现的双玻无框组件，考

3、虑其无边框，且将背板材料换成钢化玻璃，使得组件表面不会积聚电荷而产生高电压，故此无边框光伏组件在实际应用时可不接地，但因其对安装支架孔位的精确度要求高，且受地面沉降等因素影响很大，其应用主要集中在屋顶和幕墙，对于地面电站，目前仍是以铝合金边框组件为主，所以本文中描述的太阳能光伏组件接地主要是针对带有铝合金边框的光伏组件。 1.接地的电气要求 常规晶体硅太阳能光伏组件是由一系列通过热熔胶永久性的封装在玻璃和背板之间的晶体硅太阳能电池串联组成，并且在四边封装有经过阳极氧化的铝合金金属边框，这样的结构能确保太阳能电池在大多数恶劣的环境里，也可以安全和正常工作。但这种结构本身也为系统接地安全带来了潜在

4、的风险。 实际研究表明，电池与封装材料(EVA和玻璃的上表面)和组件边框会形成持续性漏电流（金属边框带正电，玻璃上表面电子流向边框，导致玻璃表面带正电，且电池为负电，从而形成电场，详见下图：图中的红线IPID描述了漏电流的路径）。这种存在于晶体硅光伏组件中的电路与其接地金属边框之间的高电压，会造成组件光伏性能的持续衰减，同时也对运行维护带来了风险。 图1 光伏系统组件漏电流路径图 而且，据相关文献介绍，在实际的应用条件下，上午太阳在初升后的一段时间内，往往是PID效应相对强烈的时段，因为晶体硅光伏组件在经历了一个不发电的夜晚之后，其表面会产生凝露现象（特别是夏、秋季节的露水），这种凝露现象会造

5、成光伏系统在早晨太阳初升后的一段时间内，且在其表面较为潮湿的情况下，承受系统的偏置电压。 另外，在实际应用的并网光伏系统中，光伏阵列的MPPT电压、电网电压和逆变器的拓扑结构决定了光伏阵列输出端的对地电压（大小和正负关系），而与逆变器输入端相邻的组件电路通常承受着实际的最大系统电压。 图2 并网光伏系统组件电路的电压承受情况 因此，必须通过接地装置将电池组件可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。 2.接地安全规范 针对接地的安全，目前国际上尚未有一致性的标准。其中，UL作为光伏系统安全、性能及质量评估的全球领导者，其条文规定在产品寿命周期

6、内，光伏组件边框与边框间需保持良好的机械及导电性质；而美国国家电工法规 （NEC）则要求任何有带电可能性的金属表面均需可靠接地，即每个太阳能光伏组件的边框均应接地；但UL1703与NEC10.3B条文中均要求用户需依据组件厂商提供的安装手册，使用太阳能电池组件随箱零件，在边框上的指定接地孔进行接地安装。对于接地系统的重视，NEC在250.124 A条文中甚至提出接地永远是任何工作的首要步骤，也是最后一个步骤。充分说明了光伏组件接地的必要性，运行人员只有在系统安全有效接地的状态下工作才是安全的。而我国国内CGC鉴衡认证在参考IEC 61730规范的基础上，也借鉴了UL1703的规范条文。 目前常

7、用的太阳能光伏组件边框多为铝框或铝合金框，为增加其耐用性、美观性及安全性，厂商大多会将其表面抛光、镀膜和阳极处理。经过处理的铝表面极易因表面摩擦、刮伤造成金属裸露之后再与空气中的水氧发生反应，而产生金属氧化层。由于接地可靠的关键是接地连续性，因此线路必须长时间保持良好的导电性，并一直维持在低电阻的状态，而这些金属氧化层、涂层及阳极处理层均是不良的导电体，其绝缘能力不足以承受高电压所造成的触电风险，却增加了接地的困难度。 鉴于此，UL法规规定太阳能光伏组件在接地安装时，在将接地零件安装到铝框前，可先用磨砂纸或不锈钢钢刷去除掉金属框表面的氧化层、阳极处理层或其他绝缘镀层，然后在清洁后的铝金属表层涂

8、上一层薄薄的抗氧化物质加以保护，以确保接地长期有效。 3.厂家推荐组件的接地方法 组件接地应确保不能导致组件的铝边框与不同种金属之间发生电化学腐蚀。UL1703标准Flat Plate Photoboltaic Modules and Panels的附录中推荐相接触的金属电化学电势差不能超过0.6V。因为电位差会造成电流流通，而使得金属接触点或面更易产生电化学反应。另外，金属接口在水氧丰富的环境下尤其容易腐蚀，腐蚀不仅会使金属产生氧化物，造成金属本身的损失，也会减低金属的强度、韧性、或产生裂痕，永久破坏金属材料属性。太阳能光伏组件目前最常使用的铝边框和铜导线等金属材料，其中铝和铜的电位差可高达

9、0.65V，更易造成腐蚀现象。所以安装铜和铝零件时，应特别小心两金属的直接接触。组件厂商提供的铜制线架一般以镀锡作为保护，而使用的螺丝、螺栓、垫片也多为不锈钢材质，以确保铝与铜金属的隔离。 下面推荐几个知名组件厂家用户安装手册中推荐的接地线安装方法： 3.1通过接地孔接地 1）通过螺栓螺母连接 在直径为4mm的接地孔上，使用单独的接地线和相关配件连接太阳能光伏组件的铝边框并将接地线连接到地，接地螺栓使用M4的螺栓并配套M4的螺母，牙型垫圈及杯型垫圈，确保组件可靠接地。 图3 太阳能光伏组件接地示意图 2）使用接地夹具连接 在组件背面边框的中间靠边缘部分有一个直径为Ø4.2

10、mm的接地孔。接地标识的中位线和孔的中位线重合与边框长度方向一致。 组件之间的接地必须经过有资质的电工确认，且接地装置必须是由有资质的电气厂商制造。 建议的扭力矩值为2.3N.m。接地夹具使用12 AWG尺寸的铜芯线。铜线安装时候不能被压损。 图4接地夹安装方式 图5接地夹分步安装示意图 3.2通过未被使用的安装孔接地 通过UL测试的组件边框上所标示的接地接点，就是“唯一”适用于长时间接地的位置，其它如组件支架的钻孔，即使依循合理的接地方式支架与组件边框之间，未必能成为长期有效的低电阻接地通路；但若使用的所有接地零件，包含螺帽、螺栓、垫片等都能通过“电性能测试”，而零件安装也通过端子扭矩测试，

11、则利用组件支架实现接地也可视为可行方案。组件上已有的但未被使用的安装孔也可以被用来安装接地装置。 图6通过未被使用的安装孔接地方式 步骤1：把接地夹对准边框安装孔。使用接地螺栓穿过接地夹和边框； 步骤2、把带齿的垫片放入另一面，并且拧上锁紧螺母，推荐螺母拧紧扭矩为：2.0N.m到2.2N.m； 步骤3、将接地线穿过接地夹，接地线的材质和大小应该满足当地国家、地区和当地的有关规定、法律和标准要求； 步骤4、拧紧接地线紧固螺栓。 4.结论 综上，组件在实际应用中，为了使用安全、避免组件受到雷电和静电伤害，组件边框必须安全可靠接地。接地时，必须将接地装置与铝合金内部充分接触，穿透边框表面的氧化膜，保证组件运行的系统安全及检修维护过程中人员操作的安全。 参考文献: 1.太阳能光伏组件接地的长期安全可靠性考虑，UL