地面光伏電站的直擊雷防護(hù)與探討

趙盛杰，王龍龍，程鵬，顧艷莉

（江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇南京 210036）

地面光伏電站的直擊雷防護(hù)與探討

趙盛杰，王龍龍，程鵬，顧艷莉

（江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇南京 210036）

近年來，我國太陽能光伏電站規(guī)模發(fā)展迅速，地面光伏電站的防雷措施的完善與否，直接影響到電站的安全穩(wěn)定運行。通過對地面光伏電站常見的直擊雷危害分析，充分考慮光伏電站面積、投資等因素，利用雷暴日等氣象數(shù)據(jù)分析和計算結(jié)果，通過對徐州新沂宋山24 MW光伏電站防直擊雷方案的分析，結(jié)合經(jīng)濟性、合理性、可行性等等因素，合理的提出了地面光伏電站的直擊雷防護(hù)方案：對于一般地區(qū)的地面光伏電站，可不在光伏陣列區(qū)域大量設(shè)置避雷針，直接利用組件邊框、支架及其他金屬材料的等電位連接，集合完善的接地系統(tǒng)，大多數(shù)情況下可以化解直擊雷危害，起到防雷的作用。提出了光伏電站防直擊雷方案及建議，為地面光伏電站防雷實施提供了可靠、有效的理論依據(jù)。

光伏電站；防雷；直擊雷；滾球法；雷擊數(shù)

隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強和全球新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)模日益壯大，太陽能發(fā)電技術(shù)也日趨成熟，光伏電站的容量已從幾百千瓦上升到幾百兆瓦，同時帶來的是光伏電站的安全運行問題。為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，光伏電站的防雷設(shè)計越發(fā)重要，小規(guī)模的防雷危害可造成設(shè)備的損壞和停電，一些大規(guī)模事故甚至威脅到值班人員的人身安全[1-2]。因此，對光伏發(fā)電系統(tǒng)采取有效的防雷措施是十分必要的，而針對大型地面光伏發(fā)電項目，防直擊雷尤為重要。本文以徐州新沂宋山24 MW光伏發(fā)電站為例，結(jié)合大型光伏電站項目的特點，對防直擊雷提出了合理的方案和保護(hù)措施。

1 地面光伏電站中直擊雷的危害

直擊雷是指帶電積云與光伏電站內(nèi)設(shè)備或線路之間的強烈放電，雷電流通過被擊物體時將產(chǎn)生有破壞作用的熱效應(yīng)和力效應(yīng)，直擊雷相伴的還有電磁效應(yīng)和對附近物體的閃絡(luò)放電[3]。其電壓峰值可達(dá)幾萬伏，電流峰值可達(dá)幾十千安，雷云蘊藏的能量在極短的時間就釋放出來，容易形成很強破壞力[4]。

一般的大型光伏電站內(nèi)都設(shè)有升壓站或開關(guān)站，而升壓站或開關(guān)站內(nèi)的防雷設(shè)施都相對較完善，由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)組成。但光伏組件布置區(qū)域的場地因地域廣泛，面積較大，雷電危害更為嚴(yán)重，尤其是直擊雷。光伏電站在建設(shè)初期就應(yīng)做好防雷設(shè)計，一方面做到安全有效，另一方面又要經(jīng)濟合理，以確保站內(nèi)設(shè)備和運維人員的安全。

直擊雷對光伏場地陣列產(chǎn)生的危害主要分為以下幾點：

1）對太陽能組件的危害。太陽能電池由半導(dǎo)體硅材料制作而成，直擊雷主要會對硅材料或體內(nèi)PN結(jié)產(chǎn)生傷害，破壞電池片PN結(jié)晶體場，使電池片PN結(jié)產(chǎn)生缺陷，引起雜質(zhì)的遷移，最終會導(dǎo)致半導(dǎo)體壽命下降，影響太陽能電池組件的使用壽命。

2）對太陽能背板的危害。太陽能背板是一種聚酯薄膜，對電池片起保護(hù)和支撐作用。具有水蒸氣阻隔性、耐濕熱老化性、阻燃性、電氣絕緣性及尺寸穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)生雷擊時，雷電在太陽能電池組件上產(chǎn)生瞬間高壓，雷擊電流能夠使太陽能電池組件背板出現(xiàn)形變、脫層、擊穿和燒灼，同時瞬間高溫對串并聯(lián)電池串的焊接點造成脫焊、開焊，甚至造成電池板短路、斷路，嚴(yán)重影響電池板的使用。

3）對太陽能鋼化玻璃的危害。太陽組件表層的鋼化玻璃是一種預(yù)應(yīng)力玻璃，當(dāng)直擊雷在電池組件上產(chǎn)生雷擊電流，能夠使鋼化玻局部產(chǎn)生瞬間高溫，引起鋼化玻璃溫差變化瞬間變大，出現(xiàn)自爆裂現(xiàn)象，同時在爆裂瞬間能夠?qū)﹄姵仄斐蓳p壞，可能使電池片造成局部隱裂。

目前人們尚不能對雷電加以有效利用，只能對它采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，以減少雷電帶來的各種災(zāi)害。

2 地面光伏電站防直擊雷方案

直擊雷對光伏發(fā)電系統(tǒng)危害最大，通常采取的措施是直接引導(dǎo)雷云對避雷裝置放電，使雷電迅速通過接地網(wǎng)流入地下，從而保護(hù)設(shè)備免受雷擊。防直擊雷裝置一般有避雷針、避雷帶等接閃裝置。由于光伏電站內(nèi)大多數(shù)電氣設(shè)備都布置于建筑物內(nèi)，而建筑物屋頂及外圍都會參照GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》要求設(shè)計一套完整的防雷、引雷設(shè)施，所以對于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，防直擊雷最重要的部分處于光伏場地陣列區(qū)。

光伏陣列區(qū)面積較大，主要布置光伏組件、逆變器和升壓變等設(shè)備。其中，光伏組件是最容易直接受到直擊雷傷害的電氣設(shè)備。防雷主要采用接閃裝置，實際上是把雷電引入地下，從而保護(hù)附近設(shè)備免遭直接雷的危害。

我國目前沒有特別針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷接地規(guī)范，若參照GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，根據(jù)建筑物重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電的可能性和后果等諸多因素，進(jìn)行了建筑物防雷分類，不同級別的建筑物采取的防雷措施不同。光伏陣列不屬于建筑物，其可能易受雷擊的原因是占地面積較大，增加了受直擊雷的可能性。如果將光伏陣列界定為一般工業(yè)類建筑，需按照GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行，根據(jù)當(dāng)?shù)氐睦妆┤諗?shù)和占地面積計算出年預(yù)計雷擊次數(shù)，按照“滾球法”來確定接閃裝置的保護(hù)范圍，從而在光伏陣列區(qū)布置相應(yīng)的避雷針等設(shè)備。但經(jīng)廣泛調(diào)研結(jié)果顯示，目前國內(nèi)外大型地面光伏系統(tǒng)光伏陣列區(qū)的防直擊雷設(shè)計通常為了避免陰影對發(fā)電量的影響，都利用組件氧化鋁合金邊框作為接閃裝置，通過和組件鋼結(jié)構(gòu)支架與接地網(wǎng)連成一體，直擊雷往往會打到鋁合金邊框，然后經(jīng)接地網(wǎng)散流，而不單獨設(shè)立避雷針等接閃裝置。以江蘇徐州新沂宋山24 MW光伏電站為例，通過投資及發(fā)電量影響來比較分析防直擊雷措施的可行性。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，當(dāng)露天堆場其年預(yù)計雷擊數(shù)N≥0.05次/a時，應(yīng)采用獨立接閃桿或架空接閃線防直擊雷。獨立接閃桿和架空接閃線保護(hù)范圍的滾球半徑可取100 m。

建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)計算公式為：

式中：N為建筑物年預(yù)計雷擊數(shù)，次/a；k為校正系數(shù)，在一般情況下取1；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/km2/a；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度：

式中：Td為年平均雷暴日，d/a。

經(jīng)查詢得出徐州地區(qū)年平均雷暴日為29.4 d/a，

徐州市是一個雷電災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，徐州市各地年平均雷暴日數(shù)20～30 d，最多的年份多達(dá)57 d，從2月份到10月份都有雷暴發(fā)生，但大多出現(xiàn)在4～9月，其中6～8月為最多。雷擊災(zāi)害往往多發(fā)生在7～8月。徐州市各地每年發(fā)生的雷暴數(shù)量存在著一定的差異，其中新沂縣因地勢原因，雷暴日相對較少，經(jīng)查詢得出其平均雷暴日為29.4 d/a。

由此計算出：

與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積：

式中：D為建筑物每邊的擴大寬度，m；L、W、H為分別為建筑物的長、寬、高，m。

徐州新沂宋山24 MW光伏電站占地面積約700多畝，因其占地面積不規(guī)則，可以等效為總面積470 000 m2，長、寬分別為500 m、940 m的區(qū)域，而光伏陣列區(qū)設(shè)備高度不會超過5 m，則Ae計算結(jié)果約為0.56 km2。

由式（2）、式（3）得出此光伏電站年預(yù)計雷擊數(shù)N=1×2.94×0.56=1.646 4≈2次/a，相當(dāng)于1 a會有約2次雷擊。故若將光伏陣列區(qū)作為建筑物考慮，應(yīng)采用獨立接閃桿（避雷針）防直擊雷。

根據(jù)避雷針保護(hù)范圍計算出其在被保護(hù)物高度hr平面上的保護(hù)半徑計為：

式中：rx為避雷針在hx高度平面上的保護(hù)半徑，m；h為避雷針高度，m；hr為滾球半徑，m；hx為保護(hù)物高度，m；

式（4）中避雷針高度h暫按常規(guī)的30 m高考慮，滾球半徑hr取100 m，得出計算結(jié)果rx=40.2 m。

根據(jù)計算結(jié)果，該電站光伏陣列區(qū)需布置30 m高避雷針共130支，具體布置示意圖如圖1所示。

圖1 徐州新沂宋山24 MW光伏電站陣列避雷針布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of lightning rod arrangement of 24 MW photovoltaic power station in Song Shan，Xinyi，Xuzhou

根據(jù)目前市場上避雷針價格估計，普通30 m高避雷針材料+施工費約3.5萬元左右，按照光伏電站運行壽命25 a考慮，若整個光伏陣列全部布置避雷針來進(jìn)行防直擊雷，初期投資就約450萬元，還不包括后期維護(hù)費用，其成本是相當(dāng)高的。而若不設(shè)防直擊雷保護(hù)，采用組件邊框及支架作為金屬材料直接將雷擊引接大地，則根據(jù)光伏電站年預(yù)計雷擊數(shù)計算，N=2次/a，徐州新沂宋山24 MW光伏電站每年遭受直擊雷侵害次數(shù)為2次。按每次雷擊造成1～2塊300 W組件計算，目前1塊300 W組件價格約1 200元，加上其他線纜等輔材損壞及施工費用，1 a的經(jīng)濟損失約2萬元左右，按電站運行壽命25 a考慮，共損失50萬元。

此外，采用避雷針最大的缺陷就是對陣列的陰影遮蔽。陰影會產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，太陽能組件在陽光照射下，由于部分組件受到遮擋無法工作，使得被遮蓋的部分升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑，熱斑會嚴(yán)重破壞組件，導(dǎo)致整個電池組件損壞，造成損失。很多研究機構(gòu)針對陰影對組件發(fā)電效率影響進(jìn)行過研究，一般3%～5%左右的陰影就能造成15%～20%的發(fā)電量損失。徐州新沂宋山24 MW光伏電站25 a年平均發(fā)電量為2 782萬kW·h，根據(jù)計算72支避雷針造成陰影面積約占總面積的2%～3%，造成發(fā)電量損失約10 432萬kW·h，按上網(wǎng)電價1元/kW·h計算，25 a損失10 432萬元。

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用直擊雷防護(hù)和不采用直擊雷防護(hù)的成本對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同防雷方案25 a光伏電站成本經(jīng)濟對比Tab.1 Cost and economy comparison of photovoltaic power station in 25 years of different lightning protection schemes 萬元

由表1可知，設(shè)置獨立避雷針的初期投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏組件損壞的維護(hù)成本，且對發(fā)電量產(chǎn)生較大影響，間接提高了成本。

直擊雷防護(hù)傳統(tǒng)采用避雷針避雷線等主動防護(hù)?？紤]到大型光伏發(fā)電站中一組太陽能電池板損壞，對整體發(fā)電量影響較小，并且避雷針或避雷線的布置很難保護(hù)所有電池板，目前，市面上采用的太陽能組件基本都是由鋼化玻璃2層間夾太陽電池并抽取真空，鋼化玻璃是絕緣體，四周的鋁合金框架是導(dǎo)體，太陽能組件四周鋁合金框架與支架連接。因此，采用可行而又簡便的直擊雷防護(hù)措施是將太陽能電池板鋁合金框架與電池板支架相連，所有支架進(jìn)行等電位連接，當(dāng)直擊雷發(fā)生時，通過邊框直接瀉入大地進(jìn)行散流，能使組件得到保護(hù)，避免直擊雷沖擊而損壞。

近年來大量地面光伏電站的投運，證明了只有少數(shù)情況下，直擊雷才會直接打到太陽能組件上。

綜上所述，光伏電站中的陣列區(qū)域不設(shè)防直擊雷保護(hù)的方案是經(jīng)濟且完全可行的，但仍然要通過相應(yīng)的措施，配合電站接地系統(tǒng)，讓雷電迅速、安全的流入大地才是最安全可靠的方案。當(dāng)然，采用布置避雷針的方案也非完全不可。目前，也有一些帶有自動觸發(fā)系統(tǒng)的避雷針，天氣情況良好時，“隱藏”在組件陣列中，利用“滾球法”計算出所需要保護(hù)的范圍，并提前在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)，待雷雨天氣來臨時，可通過人工操作或全自動方式，將避雷針升到一定高度，從而達(dá)到保護(hù)目的。此類方法目前沒有普遍推廣使用，一方面在設(shè)計成本上偏高，另一方面在施工難度上相對復(fù)雜。

3 結(jié)語

光伏電站的防雷系統(tǒng)直接關(guān)系到電站設(shè)備和人身安全，通過情況分析，明確了光伏電站遭受直擊雷危害的重要性。通過對徐州新沂宋山24 MW光伏電站防直擊雷方案的分析，結(jié)合經(jīng)濟性、合理性、可行性等等因素，合理的提出了地面光伏電站的直擊雷防護(hù)方案：對于一般地區(qū)的地面光伏電站，可不在光伏陣列區(qū)域大量設(shè)置避雷針，直接利用組件邊框、支架及其他金屬材料的等電位連接，集合完善的接地系統(tǒng)，大多數(shù)情況下可以化解直擊雷危害，起到防雷的作用。但電站建設(shè)中也應(yīng)根據(jù)實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦?、天氣、光照條件等因素，合理選擇相對最優(yōu)的設(shè)計方案，更應(yīng)不斷采取新技術(shù)、新材料以及有效措施來優(yōu)化、完善直擊雷防護(hù)措施，以取得光伏電站最大的經(jīng)濟效益。

[1]范鈞慧，徐楠，劉皓名.含分布式風(fēng)光電源的配電系統(tǒng)故障恢復(fù)策略[J].江蘇電機工程，2014，33（1）：1-4.FAN Junhui，XU Nan，LIU Haoming.Fault recovery strategy for distribution systems with distributed wind-solar generating system[J].Jiangsu ElectricalEngineering，2014，33（1）:1-4（in Chinese）.

[2]黃冬冬，吳在軍，竇曉波，等.光伏規(guī)?；⒕W(wǎng)的電能質(zhì)量復(fù)合控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（3）:107-112.HUANG Dongdong，WU Zaijun，DOU Xiaobo，et al.A power quality composite control strategy based on largescale grid-connected photovoltaic power generation[J].Power System Protection and Control，2015，43（3）：107-112（in Chinese）.

[3]張合棟，楊秀，王海波，等.城市微網(wǎng)接地方案探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（19）：137-142．ZHANG Hedong，YANG Xiu，WANG Haibo，et al.Study on grounding arrangement of microgird of city[J].Power System Protection and Control，2015（19）：137-142（in Chinese）.

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（編輯 董小兵）

Discussions on Lightning Protection of Terrestrial Photovoltaic Power Plants

ZHAO Shengjie，WANG Longlong，CHENG Peng，GU Yanli
（Jiangsu Keneng Electric Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Nanjing 210036，Jiangsu，China）

In recent years，PV power plants are growing very fast in China.The lightning protection directly affects the safe and stable operation of ground PV plants.Through an analysis of common direct lightning hazards on the ground PV plant，with full consideration of the photovoltaic power plant area and investment，using meteorological date and calculation result of thunderstorm day，and based on an in-depth analysis of the direct lightning protection scheme of 24 MW Xuzhou-Xinyi-Songshan photovoltaic power plant，this paper proposes a reasonable lightning protection scheme for ground photovoltaic power plants.According to the scheme，for the ground PV plants in general areas，there is no need to install a large number of lightning rods in the PV array，instead，component frames，brackets and other metal materials can be connected together at the same potential to form a complete grounding system，which can overcome the direct lightning hazards in most cases.This paper also puts forward proposals and suggestions of photovoltaic power plants against lightning，and provides a reliable theoretical and effective basis for the implementation of the lightning protection for ground photovoltaic power plants.

PV plants；lightning protection；direct lightning；inductive lightning；lightning stroke

江蘇電網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃（1510011402HN）。

Project Supported by the 13th Five-Year Development Planning of Jiangsu Power System（1510011402HN）.

1674-3814（2016）10-0172-04

TM615

A

2016-04-22。

趙盛杰（1987—），男，本科，工程師，從事光伏發(fā)電系統(tǒng)、配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計；

王龍龍（1988—），男，本科，助理工程師，從事光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計；

程 鵬（1989—），男，本科，助理工程師，從事光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計；

顧艷莉（1986—），女，本科，工程師，從事電力系統(tǒng)通信設(shè)計。