光伏建筑一體化防雷設(shè)計(jì)

山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院 可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ■ 袁茂榮

山東省雷電防護(hù)技術(shù)中心 ■ 孫忠欣 鄔銘法

一 引言

光伏發(fā)電作為一種新興的發(fā)電系統(tǒng)受到人們?cè)絹?lái)越多的重視，與建筑相結(jié)合的并網(wǎng)光伏發(fā)電成為當(dāng)今光伏應(yīng)用的新趨勢(shì)。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。另一類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注。

光伏方陣成本較高，是光伏電站的關(guān)鍵部分。光伏方陣安裝于屋頂，高度較高，占地面積較大，增加了其遭受雷擊的概率。光伏電站還有控制器、逆變器等其他一些設(shè)備，線纜較長(zhǎng)，容易遭受雷電感應(yīng)和雷電波的侵襲。目前國(guó)家尚沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)、嚴(yán)格的規(guī)范來(lái)明確應(yīng)該如何進(jìn)行避雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了使光伏電站能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)光伏電站的防雷提出一套較完善的方案是必要的，本文將針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

二 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。在光照下太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)組件的串并聯(lián)形成光伏方陣，方陣輸出的直流電壓一般較低，如24V、48V或110V。將較低的DC通過(guò)高頻(幾千Hz到幾十千Hz)逆變?yōu)榉讲ń涣鰽C，通過(guò)升壓變壓器整流濾波后變?yōu)楦邏?110V以上)直流DC，然后再經(jīng)DC/AC逆變?yōu)樗璧墓ゎl交流電(50Hz、220V或380V)。

三 雷電的三種形式

雷電主要通過(guò)直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入3種方式對(duì)物體形成災(zāi)害，一般在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)分別對(duì)其加以防范。

1 直擊雷

直擊雷是帶電積云與地面目標(biāo)之間的強(qiáng)烈放電。雷電直接擊在受害物上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，從而對(duì)設(shè)施或設(shè)備造成破壞，對(duì)人畜造成傷害。

直擊雷的電壓峰值通?？蛇_(dá)幾萬(wàn)V甚至幾百萬(wàn)V，電流峰值可達(dá)幾十kA乃至幾百kA，其破壞性之所以很強(qiáng)，主要是由于雷云所蘊(yùn)藏的能量在極短的時(shí)間（其持續(xù)時(shí)間通常只有幾μs到幾百μs）就能釋放出來(lái)，從瞬間功率來(lái)講，是巨大的。

2 雷電感應(yīng)

感應(yīng)雷的能量遠(yuǎn)小于直擊雷，但感應(yīng)雷發(fā)生的可能性遠(yuǎn)大于直擊雷。感應(yīng)雷分為由靜電感應(yīng)形成的雷和由電磁感應(yīng)形成的雷兩種。

靜電感應(yīng)雷：當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)地面上的一切物體，尤其是導(dǎo)體，由于靜電感應(yīng)，都聚集起大量的雷電極性相反的束縛電荷，在雷云對(duì)地或?qū)α硪焕自崎W擊放電后，束縛電荷就變成了自由電荷，從而產(chǎn)生很高的靜電電壓(感應(yīng)電壓)，其過(guò)電壓幅值可達(dá)到幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)V，這種過(guò)電壓往往會(huì)造成建筑物內(nèi)的導(dǎo)線、接地不良的金屬物導(dǎo)體和大型的金屬設(shè)備放電。

電磁感應(yīng)雷：雷電放電時(shí)，由于雷電流的變化率大而在雷電流的通道附近產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場(chǎng)。這種迅速變化的磁場(chǎng)能在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)。

3 雷電波侵入

當(dāng)架空線路或埋地較淺的金屬管道、線纜直接受到雷擊或因附近落雷而感應(yīng)出高電壓時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)產(chǎn)生脈沖浪涌，如大量的電荷不能中途迅速入地，就會(huì)形成雷電沖擊波沿導(dǎo)線或管道傳播。這個(gè)傳導(dǎo)過(guò)電壓會(huì)影響或破壞很大范圍內(nèi)與之連接的設(shè)備。

四 并網(wǎng)光伏電站防雷設(shè)計(jì)規(guī)范

1 防直擊雷措施

(1)接閃器的選擇

安裝于屋頂?shù)墓夥疥?，如果處于接閃裝置的保護(hù)范圍內(nèi)，不可能遭到大于所選滾球半徑雷電流直接雷擊。按照規(guī)定，大于10kW的光伏設(shè)備，應(yīng)設(shè)計(jì)為“III級(jí)”防雷電系統(tǒng)。

接閃器有避雷針、避雷線和避雷帶，應(yīng)根據(jù)實(shí)際選用。根據(jù)建筑物的防雷類別，使用滾球法來(lái)確定避雷針的高度和數(shù)量。對(duì)于一般公共建筑，其屋面上的光伏方陣應(yīng)按60m滾球半徑來(lái)防直擊雷。此外，還應(yīng)注意保持光伏支架和避雷針之間的隔離距離。

現(xiàn)在的建筑屋頂，有的有避雷設(shè)施，有的沒(méi)有避雷設(shè)施。對(duì)于安裝于屋頂?shù)墓夥疥嚨姆览祝浞掷煤头雷o(hù)已有的防雷設(shè)施，既降低成本，又考慮防雷效果。

①單針型避雷針

若光伏方陣較小，可選用單針型避雷針，其保護(hù)范圍如圖2所示。

圖2中h為避雷針高度；hr為60m滾球半徑；xx'連線處的高度為hx。若光伏方陣的高度小于hx，且占地范圍小于以rx為半徑的圓形區(qū)域，則光伏方陣可以免遭直擊雷侵襲。

②雙支等高避雷針

當(dāng)光伏方陣較大，單支避雷針不能有效防護(hù)時(shí)，可在被保護(hù)范圍的兩側(cè)豎立兩支等高避雷針作為接閃器，保護(hù)效果明顯優(yōu)于單支避雷針。保護(hù)區(qū)示意圖如圖3所示。

③多根避雷針

當(dāng)光伏方陣更大，雙支等高避雷針不能有效防護(hù)時(shí)，可采用多根避雷針作為接閃器。

④避雷線與避雷針的組合

當(dāng)光伏方陣比較長(zhǎng)，利用避雷針不能有效防護(hù)時(shí)，可采用避雷線作為接閃器。避雷線相互連通組成架空網(wǎng)并很好接地，引下線也可以作為接閃器的一部分。在架空網(wǎng)下是保護(hù)區(qū)，光伏方陣與架空網(wǎng)間應(yīng)有一安全距離，以保證防雷效果。

當(dāng)光伏方陣很大時(shí)，在屋頂安裝較高的避雷針成本較高、施工較難?？紤]到實(shí)際情況，接閃器可以采用以下形式：先在屋頂四周布設(shè)避雷帶，然后在屋頂中間根據(jù)屋頂形狀組合安裝避雷線和適當(dāng)高度的避雷針。用相應(yīng)的滾球半徑來(lái)確定接閃器的保護(hù)范圍。

防雷等級(jí)越高，滾球半徑越小，保護(hù)范圍越小，但保護(hù)效果越好，可能進(jìn)入保護(hù)區(qū)擊中被保護(hù)建筑物的雷電流要越小。防雷等級(jí)越低，滾球半徑越大，保護(hù)范圍大，但保護(hù)效果較差，實(shí)際保護(hù)范圍線是一復(fù)雜的近似圓弧線。

(2)接地系統(tǒng)

所有接地都要連接在一個(gè)接地體上，光伏系統(tǒng)的接地包括以下幾個(gè)方面。

防雷接地：為了防止各種雷引起的雷電流的損害，避雷針、避雷帶(線)以及低壓避雷器，連接架空線路的電纜金屬外皮必須可靠接地。

工作接地：為保證安全，逆變器的中性點(diǎn)、電壓和電流互感器的二次繞組必須接地。

保護(hù)接地：為防止出現(xiàn)正常情況下不帶電、而在絕緣材料損壞后或其他情況下可能帶電的情況，光伏電池組件機(jī)架、控制器外殼、逆變器外殼、配電箱外殼、電纜外皮、穿線金屬管道的外皮必須接地。

屏蔽接地：為了防止電磁干擾而對(duì)電子設(shè)備所做的金屬屏蔽必須接地。

直接雷擊會(huì)產(chǎn)生數(shù)百kA的電流。雷電流被接閃器引入大地時(shí)，要經(jīng)由引下線、接地體而分散入地。電流經(jīng)接地裝置進(jìn)入大地是以半球面形狀向大地散流的，離接地體20m處，半球表面積很大，該處的電位趨于零，稱為電氣上的“地”。 由于在接地體與“地”之間存在著散流電阻，在這些區(qū)域的不同地點(diǎn)會(huì)有不同的電位，距離越近電壓越高。室內(nèi)直流負(fù)荷設(shè)備相對(duì)遠(yuǎn)端地一般都存在寄生電容，這些設(shè)備一端與工作接地相連，無(wú)流的遠(yuǎn)端地與工作接地間存在電位差，因而產(chǎn)生差模脈沖電壓，當(dāng)超過(guò)設(shè)備的容許限度時(shí)必然造成設(shè)備的損壞。單相交流負(fù)荷如空調(diào)、照明等設(shè)備的零線接在變壓器的交流地上，當(dāng)雷電流沿引下線對(duì)地泄放時(shí)，變壓器的交流地和交流重復(fù)接地的電位也會(huì)升高，因此單相交流設(shè)備也同樣存在地電壓反擊的問(wèn)題。

避免地電壓反擊可以使用交流過(guò)壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側(cè)、交流配電箱的地零間加裝交流過(guò)壓保護(hù)器；在直流負(fù)載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過(guò)壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護(hù)的設(shè)備安裝，避免被保護(hù)設(shè)備由于接地或電源引線過(guò)長(zhǎng)引起脈沖反射。

光伏方陣的金屬支架每隔一段距離連接至接地系統(tǒng)。光伏設(shè)備和建筑的接地系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)體相互連接。將各個(gè)接地系統(tǒng)相互連接起來(lái)可以顯著減小總接地電阻。通過(guò)相互網(wǎng)狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個(gè)等電位面，能夠顯著減小雷電作用在光伏陣列和建筑間連接電纜上所產(chǎn)生的過(guò)電壓。這樣在閃電電流通過(guò)時(shí)，室內(nèi)的所有設(shè)施立即形成一個(gè)“等電位島”，保證導(dǎo)電部件間不產(chǎn)生有害的電位差，不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電。

將防雷接地與其他接地分開(kāi)，可以大大降低反擊電壓。防雷接地與其他接地在聯(lián)合接地網(wǎng)上的引接點(diǎn)距離不應(yīng)小于5m，條件允許時(shí)間距宜為10～15m。當(dāng)然，降低接地電阻也有利于防止反擊事故。

2 防雷電感應(yīng)措施

防雷電感應(yīng)主要采用等電位連接。原則上說(shuō)，從外部進(jìn)入建筑物的所有導(dǎo)電部件都必須接入等電位連接系統(tǒng)中，所有不帶電的金屬部件直接連接到等電位系統(tǒng)。

不帶電的金屬部件分為室外和室內(nèi)兩種情況。處于室外的太陽(yáng)電池板四周鋁合金框架與支架、接地線等要可靠連接，使光伏方陣形成一個(gè)相等的電位，以防光伏方陣遭到雷電感應(yīng)侵襲。處于控制機(jī)房?jī)?nèi)的全部金屬物品，包括各種設(shè)備、各個(gè)機(jī)架、所有金屬管道及電纜的金屬外皮都要可靠接地，每件金屬物品都要單獨(dú)接到接地干線，不允許串接后再接到接地干線上。

帶電部件(如電纜)則通過(guò)安裝電涌保護(hù)器間接接入等電位連接系統(tǒng)。等電位連接最好在建筑物入口附近執(zhí)行，以防部分雷電流侵入建筑物。低電壓供電系統(tǒng)可用多極復(fù)合型雷電流和電涌保護(hù)器保護(hù)。

3 防雷電波侵入措施

由于雷電波(雷電浪涌)侵入造成控制機(jī)房?jī)?nèi)的控制器或逆變器遭損壞的概率最大，所以必須對(duì)雷電波侵入進(jìn)行防護(hù)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵路徑除了光伏陣列到機(jī)房的引入線外，還有配電線路、接地線以及架空進(jìn)入室內(nèi)的金屬管道和電纜。從接地線侵入是由于附近的雷擊使大地電位上升，使得大地電位比電源高，從而產(chǎn)生從接地線向電源側(cè)的反向電流。

光伏陣列到機(jī)房的引入線是雷電波侵入的主要途徑。為此，可以采取多級(jí)防護(hù)措施進(jìn)行保護(hù)。在電池陣列的主回路內(nèi)分散安裝避雷元件，在接線箱內(nèi)也安裝避雷元件；保證接線箱與控制柜間距大于10m；在光伏陣列和逆變器之間的每根引入線上加裝防雷器。

在控制器、逆變器內(nèi)安裝防雷元器件；在逆變器與配電柜之間安裝低壓閥式避雷器或浪涌保護(hù)器。

對(duì)從低壓配電線侵入的雷電浪涌，通過(guò)安裝在配電盤(pán)中的避雷元件應(yīng)付。在雷雨多發(fā)的地域，在交流電源側(cè)安裝耐雷變壓器更加安全。

對(duì)供電線路、傳輸電纜和架空線路，可在線路上安裝金屬氧化物避雷器，要在每條回路的火線和零線上裝設(shè)。對(duì)架空進(jìn)入室內(nèi)的金屬管道和電纜的金屬外皮要將它們?cè)谌肟谔幙煽拷拥兀瑳_擊接地電阻值不得大于30Ω。接地最好采用電焊的方式，若做不到電焊也可采用螺栓連接。

五 結(jié)語(yǔ)

隨著太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)這一產(chǎn)業(yè)的技術(shù)要求也越來(lái)越高，形式也越來(lái)越多樣化。本文探索的科學(xué)防雷措施是為光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的提供了參考依據(jù)。防雷措施需根據(jù)所在地區(qū)的氣象條件、建筑物和光伏方陣的特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，這需做更多詳細(xì)的工作。避雷裝置詳細(xì)介紹，有利于在太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，更具廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和重要的科學(xué)研究意義?，F(xiàn)在的光伏電站的防雷措施尚缺乏統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)很需要在光伏電站的防雷方面設(shè)定具體的標(biāo)準(zhǔn)，以便光伏電站的順利建設(shè)。

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