光伏電站雷電災(zāi)害預(yù)警及風險評估

馬 力

（國電科技環(huán)保集團股份有限公司赤峰風電公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

防雷設(shè)計與施工工作環(huán)節(jié)中，雷擊風險評估極為重要，應(yīng)當以等同于防雷設(shè)計的業(yè)務(wù)層次進行，可在科學構(gòu)建防雷工程的基礎(chǔ)上，確保經(jīng)濟合理、安全可靠。目前，科學技術(shù)發(fā)展速度十分迅速，需與本地實際情況密切結(jié)合，在閃電預(yù)警資料的運用下，進一步完善評估方法，以最大限度地減少或避免經(jīng)濟建設(shè)與人們生命財產(chǎn)中因雷電災(zāi)害而造成的損失。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害危險性

1.1 直接雷擊

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)核心的太陽能發(fā)電板組件，是由硅太陽能電池片串并聯(lián)，并用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封形成的。該組件多暴露在建筑物制高點或空曠場所，能滿足光源需求，但遭受雷擊可能性極高。當太陽能組件直接遭雷電擊中時，因太陽能芯片的制作材料為半導體硅，高電壓環(huán)境中，會有動作產(chǎn)生于其表面或內(nèi)部PN結(jié)。一旦發(fā)電板PN結(jié)晶體場出現(xiàn)了損壞，會影響太陽能發(fā)電組件發(fā)電效率及使用壽命[1]。由于雷擊點周圍的鋼化玻璃在瞬間強大的高溫下產(chǎn)生自爆，導致太陽能背板發(fā)生灼燒、擊穿及形變等情況，嚴重時會導致太陽能發(fā)電板發(fā)生漏電、短路及斷路等情況，從而在一定程度上影響發(fā)電板的使用。

1.2 雷電感應(yīng)

太陽能可被光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為直流電能[2]。任何種類的設(shè)備都對電磁環(huán)境方面提出極高要求。雷擊點附近的電磁環(huán)境并非始終保持不變，極易影響電氣設(shè)備的運行。當雷電感應(yīng)造成過電壓后，電子設(shè)備將受到一定損害。

1.3 雷電電涌侵入

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)連接于電網(wǎng)，太陽能組件方陣的電池板經(jīng)匯流、逆變及升壓后，送至站內(nèi)匯流線路。線路桿塔或相連架空線路受到雷電的直接傷害或是有感應(yīng)電涌出現(xiàn)在線路上后，電壓反擊可能會發(fā)生在光伏系統(tǒng)變壓器乃至電氣系統(tǒng)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風險分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)與一般發(fā)電場具有一定區(qū)別存在，與人員聚集區(qū)域距離較遠，人員生命損失風險為零。雷電侵襲所引發(fā)的風險是以發(fā)電質(zhì)量下降等為主，還會對電網(wǎng)穩(wěn)定性和公共服務(wù)造成影響，也會因維修系統(tǒng)或是中斷供電而間接地產(chǎn)生經(jīng)濟損失風險。

太陽能組件方陣、匯流箱、逆變器、變壓器及匯流線路等電氣設(shè)備或電網(wǎng)線路是雷電威脅的主要聚集區(qū)域。由于太陽能組件方陣的一組太陽能電池板損壞后并不會對整體發(fā)電量造成明顯影響，因此電池板及相連匯流線路出現(xiàn)物理損壞后，僅需對經(jīng)濟損失予以考慮。對發(fā)電質(zhì)量構(gòu)成影響的關(guān)鍵部位在于逆變器匯流后的整流系統(tǒng)[3]。分析總結(jié)了光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風險，如表1所示。

3 雷電災(zāi)害風險評估方法

雷電災(zāi)害風險中，R數(shù)值指的是由雷擊導致的的年平均可能損失量與具有保護價值的對象之間的比值，以基本方程展開風險評估，區(qū)域雷電環(huán)境及評估對象等效截收面積、位置因子是決定年預(yù)計雷擊次數(shù)N的主要因素，雷擊損害概率P與具體防護措施有關(guān)[4]。具體實施評估的過程中，最關(guān)鍵的便是綜合分析不同風險分量因子影響因素，同時結(jié)合分析結(jié)果合理確定不同因子的具體取值方法、范圍。

表1 雷電災(zāi)害風險類型

圍繞損害源特征和損害的具體類型，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行分區(qū)，太陽能發(fā)電板和匯流線路存在重疊的閃電接收面積，在實踐分析計算中應(yīng)當作為一個整體來計算，以Z1區(qū)（發(fā)電區(qū)域）定義；發(fā)電質(zhì)量影響因素中，變壓器和逆變器十分關(guān)鍵，以Z2區(qū)（控制區(qū)域）定義其所在建筑物；以Z3區(qū)定義并網(wǎng)線路，分別考慮各個單獨區(qū)域，各個單獨區(qū)域雷電災(zāi)害風險值總和即為光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風險值。

4 雷電防御措施

4.1 防雷接地設(shè)計

光伏電站建設(shè)期間，需對發(fā)電站建設(shè)選址予以重視，盡量避開易受雷擊的位置和場合。若需在配電室附近設(shè)置一個避雷針，通常是以圓鋼或焊接鋼管的避雷針為主，并以針長為根據(jù)進行直徑選擇。避雷針所有金屬部件必須鍍鋅，并在操作中注重鍍鋅層的保護。以鍍鋅鋼管進行針尖的制作，管壁厚度應(yīng)在3 mm以上，針尖刷錫長度應(yīng)在70 mm以上。避雷針高度應(yīng)根據(jù)保護范圍進行合理確定。避雷針高度越高，那么它具有的保護范圍越大[5]。布置避雷針時，不但需對光伏設(shè)備是否在保護范圍內(nèi)予以考慮，同時還需避免其陰影投射至光伏組件上。倘若避雷針陰影投射至光伏組件上，被遮擋部分不但無法發(fā)電，還會有熱斑效應(yīng)產(chǎn)生，形成短路后，會導致太陽能組件受損。

太陽能發(fā)電接地系統(tǒng)主要由交直流接地、安全保護接地及防雷接地等功能性接地組成。由于難以實現(xiàn)不同接地系統(tǒng)之間的相互獨立，為避免各接地系統(tǒng)的電位反擊，應(yīng)當連接各個設(shè)備、混凝土內(nèi)基礎(chǔ)地網(wǎng)及金屬構(gòu)件等，推動共用接地網(wǎng)的形成。相對于特定接地電阻值，接地網(wǎng)布置及尺寸更為關(guān)鍵，應(yīng)以基礎(chǔ)地網(wǎng)或環(huán)形人工接地網(wǎng)為佳[6]。接地電阻值不應(yīng)超出1 Ω。

4.2 防雷擊電磁脈沖

為避免光伏發(fā)電系統(tǒng)因雷擊電磁脈沖造成的浪涌影響，應(yīng)當在太陽能組件方陣、匯流箱、逆變器、變壓器、匯流線路的鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋、金屬板及金屬框架等中可靠連接防雷裝置，以推動大空間屏蔽體的形成。然后，將光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備、機柜及配電柜金屬外殼可靠連接，并就近接地，推動設(shè)備屏蔽的構(gòu)成。最后，將光伏系統(tǒng)電源線纜、信號通信線纜更換為屏蔽線纜或穿金屬管敷設(shè)，屏蔽層或金屬管應(yīng)在兩端接地，并在穿越防雷區(qū)處進行等電位連接處理。

各個線纜布線期間，需避免形成較大面積電磁感應(yīng)回路。在不同線槽中分別敷設(shè)不同回路和工作電壓的電源與信號線路，信息系統(tǒng)線路與防雷引下線之間的水平間距和交叉凈距應(yīng)當分別保持在1 000 mm和300 mm之上。

5 結(jié) 論

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，可設(shè)計安裝與規(guī)范要求相符合的雷電防護措施，盡管投資比例會有一定程度上升，但卻遠比雷電災(zāi)害引發(fā)的損失小。同時，有效的防護措施可將雷擊過電壓引發(fā)的人身傷害事故及過電流造成的供電質(zhì)量影響有效控制。本文提出的雷電災(zāi)害風險評估方法可在光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風險評估中有效運用，制定的雷電防護方案也有利于雷電災(zāi)害的有效預(yù)防。