分布式屋頂光伏雷擊事故原因分析

王 瑛 黃鵬程

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

分布式屋頂光伏項(xiàng)目是一種將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)于建筑屋頂上并且將發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近用戶供電的新型的發(fā)電和能源綜合利用項(xiàng)目[1]。

近年來(lái)，分布式屋頂光伏項(xiàng)目如雨后春筍般爆發(fā)性增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的專門適用分布式屋頂光伏項(xiàng)目的運(yùn)行、維護(hù)、定期安全檢測(cè)的方案，還有待時(shí)間檢驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已投產(chǎn)分布式屋頂光伏項(xiàng)目遭受雷擊的事故時(shí)有發(fā)生。

本文就一多雷地區(qū)的屋頂光伏項(xiàng)目的雷擊事故進(jìn)行事故原因分析并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，工程規(guī)模較為典型，可以為后續(xù)類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、建造提供借鑒。

1 現(xiàn)有屋頂光伏的防雷措施

屋頂式光伏發(fā)電站主要由太陽(yáng)電池板、控制器、逆變器和蓄電池等構(gòu)成[2]。如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)易屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

對(duì)于一般的屋頂式光伏發(fā)電系統(tǒng)，自然雷電等對(duì)其危害途徑主要有雷電直擊、高電位反擊、電磁感應(yīng)耦合三種[3-6]。

雷電直擊：雷電直接擊于建（構(gòu)）筑物、光伏組件裝置上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力者。

高電位反擊：當(dāng)屋頂光伏安裝外部防雷裝置時(shí)，一旦外部防雷系統(tǒng)遭受雷擊，外部防雷裝置因電位抬高與光伏組件間發(fā)生電弧閃絡(luò)。

電磁感應(yīng)：當(dāng)雷擊外部接閃裝置或光伏陣列邊框上，強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)會(huì)在電纜導(dǎo)體回路中感應(yīng)產(chǎn)生很高的電勢(shì)[7]。

目前，屋頂光伏電站的雷電防護(hù)防雷措施包括由接閃帶、引下線、接地裝置組成的直擊雷防護(hù)措施和屏蔽、等電位連接、安裝SPD 等閃電電磁脈沖防護(hù)措施[8]。

所有電氣裝置中，可能由于絕緣損壞而帶電的電氣裝置的金屬部分均應(yīng)有保護(hù)接地，因此，在光伏場(chǎng)區(qū)及配電間內(nèi)應(yīng)接地的部分包括：所有電氣設(shè)備及其它電器的金屬底座和外殼；逆變器、并網(wǎng)綜合柜的框架；交直流電力電纜接頭的金屬外殼、電纜的金屬外皮和配線的鋼管。圖2 為屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)系統(tǒng)示意圖。

圖2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)系統(tǒng)示意圖

2 項(xiàng)目概況

本文介紹的屋頂光伏雷擊事故發(fā)生在寧波地區(qū)，該項(xiàng)目地點(diǎn)區(qū)域所在環(huán)境多年極端溫度為-5．5～+38．6 ℃，海拔高度＜100 m，地震烈度為6 C，多年平均相對(duì)濕度79%，污穢等級(jí)E 級(jí)，爬電比距3．1 cm/kV。

本屋頂分布式光伏電站項(xiàng)目規(guī)模約370 kWp，共設(shè)有兩個(gè)廠房屋頂光伏場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱為1#廠房光伏場(chǎng)和2#廠房光伏場(chǎng)）。2 處屋頂光伏場(chǎng)共設(shè)有4 臺(tái)8 進(jìn)1 出的交流匯流箱、24 臺(tái)15 kW 組串式逆變器、1 臺(tái)10 kW 組串式逆變器以及4 臺(tái)無(wú)線通訊管理終端。電量通過交流匯流箱匯集后并入廠區(qū)原有的400 V 母線配電柜后接入系統(tǒng)電網(wǎng)，為整個(gè)園區(qū)供電，余電不上網(wǎng)。屋面光伏場(chǎng)布置如圖3、圖4 所示。

圖3 1#廠房光伏場(chǎng)屋面圖

圖4 2#廠房光伏場(chǎng)屋面圖

3 雷擊事故發(fā)生及認(rèn)定

在2017 年8 月的一天，該屋頂光伏場(chǎng)所在地發(fā)生雷雨天氣，引發(fā)了光伏電池雷擊事故。

根據(jù)圖5 所示，該地區(qū)2017 年8 月氣象臺(tái)發(fā)布的雷暴日表，由圖可推出該地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)約為40．0 日，屬于多雷地區(qū)。事故發(fā)生時(shí)，該地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈。

事故發(fā)生在該項(xiàng)目的2#廠房光伏場(chǎng)，該光伏場(chǎng)區(qū)共設(shè)置了7 臺(tái)15 kW 組串式逆變器（以下命名為19#～25#逆變器），分別通過ZA-YJV23-0．6/1-4×6 mm2的電纜接入交流匯流箱（現(xiàn)場(chǎng)為4#交流匯流箱），匯集到匯流箱后通過ZA-YJV23-0．6/1-3×120+2×70 mm2的電纜引下最后接入到配電房400 V 開關(guān)柜內(nèi)。這7 臺(tái)組串式逆變器的485 通訊口經(jīng)通訊線纜并接后引入無(wú)線通訊管理終端（現(xiàn)場(chǎng)為4#無(wú)線通訊管理終端）。每臺(tái)逆變器的直流側(cè)接入4 串光伏組件，4#無(wú)線通訊管理終端電源線與其中1串（以下簡(jiǎn)稱A 串）光伏組件通過2 進(jìn)1 出接線端子并接入逆變器直流輸入側(cè)，如圖6所示。

事故發(fā)生前各設(shè)備運(yùn)行情況良好，多年運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)任何故障?？紤]到電站場(chǎng)址區(qū)域可能發(fā)生鹽霧等工況，設(shè)備招標(biāo)生產(chǎn)已按照逆變器能滿足在當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行的條件設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

圖5 寧波市2017年8月天氣詳情

圖6 19#～25#逆變器（已拆除送檢）、4#交流匯流箱、4#無(wú)線通訊箱并排安裝于屋頂

2017 年8 月雷擊事故發(fā)生，之后運(yùn)行人員在該站后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)視器上顯示多臺(tái)逆變器突然失去信號(hào)。項(xiàng)目單位立即組織相關(guān)運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)2#廠房光伏電站的第19#～22#、24#、25#共6 臺(tái)15 kW 組串式逆變器已發(fā)生事故脫網(wǎng)。項(xiàng)目單位立即聯(lián)系并組織廠家、設(shè)計(jì)等技術(shù)人員火速趕往現(xiàn)場(chǎng)檢查事故發(fā)生情況。

當(dāng)天經(jīng)技術(shù)人員初步勘查，發(fā)現(xiàn)2#廠房光伏場(chǎng)屋面上總計(jì)有2 臺(tái)無(wú)線通訊管理終端、6 臺(tái)逆變器、A 串光伏組件中的11 塊光伏板、逆變器直流側(cè)及通訊側(cè)部分線纜及接線端子發(fā)生雷擊擊穿故障；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)1#廠房光伏電站屋面上總計(jì)有1 臺(tái)無(wú)線通訊管理終端發(fā)生故障，其中2 臺(tái)逆變器黑屏、3 臺(tái)逆變器報(bào)無(wú)電網(wǎng)故障、1 臺(tái)逆變器報(bào)母線不均壓故障，初步檢查發(fā)現(xiàn)有11 塊光伏組件接線盒有明顯的擊穿現(xiàn)象。之后經(jīng)逐步排查并測(cè)量光伏組件的開路電壓，最終確認(rèn)被擊穿光伏組件共計(jì)64 塊，事故造成光伏廠區(qū)設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失巨大。

圖7 發(fā)生事故的無(wú)線通訊箱（含無(wú)線通訊管理終端）

4 事故原因分析

事故發(fā)生在2017 年8 月的寧波，事故發(fā)生前該地區(qū)經(jīng)過多日雷陣雨天氣，根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的氣象條件、事故后各個(gè)設(shè)備元器件的損壞情況及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的測(cè)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)此次事故的主要直接原因是由屋面無(wú)線通訊管理終端遭受直擊雷或感應(yīng)雷造成，如圖7所示。

屋面無(wú)線通訊管理終端在經(jīng)過直擊雷或者經(jīng)過多次雷電、電能量積聚后，2 個(gè)廠房光伏場(chǎng)屋面上的4 臺(tái)無(wú)線通訊管理終端由于竣工時(shí)未可靠接地，導(dǎo)致其中的3 臺(tái)設(shè)備發(fā)生雷擊故障損壞，并進(jìn)一步造成光伏場(chǎng)區(qū)其他設(shè)備如光伏組件、逆變器等事故損壞。其雷電波侵入時(shí)過電壓傳遞途徑如下：

1）部分感應(yīng)雷能量通過電源線纜侵入到光伏組件，導(dǎo)致光伏組件接線盒直接燒損。

2）剩余的一些感應(yīng)雷能量則通過通訊線纜侵入到了7 臺(tái)逆變器通訊芯片，雷電過電壓經(jīng)過組串式逆變器的控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片后，又侵入逆變器交流側(cè)，再反竄入其余交流側(cè)并聯(lián)的逆變器，最終導(dǎo)致其中6 臺(tái)逆變器（如圖8 所示接線圖）內(nèi)通訊芯片、IGBT 模塊、液晶電源變壓器、交流濾波電抗器等各個(gè)元器件發(fā)生不同程度的擊穿損壞。

5 事故后應(yīng)急措施

當(dāng)組串式逆變器發(fā)生雷擊跳閘脫網(wǎng)事故后，所在項(xiàng)目單位立即組織運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，并在第一時(shí)間積極組織相關(guān)專業(yè)人員檢查并分析事故原因。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行緊急處理后，立即更換了3 臺(tái)發(fā)生直擊雷故障的無(wú)線通訊管理終端，并根據(jù)設(shè)備損壞的程度進(jìn)行鑒定，對(duì)5臺(tái)事故故障的組串式逆變器返廠檢修，將1 臺(tái)故障的逆變器送至第三方機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)。待設(shè)備檢修合格并安裝完成后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通訊管理終端設(shè)備及其他所有帶金屬設(shè)備按照設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠接地，并實(shí)測(cè)其接地電阻，使接地電阻滿足不大于4Ω，并對(duì)其他接地點(diǎn)進(jìn)行逐一排查，確保各點(diǎn)最終按照規(guī)范可靠接地。待現(xiàn)場(chǎng)施工并接地檢驗(yàn)完成后，重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（耐壓試驗(yàn)、接地試驗(yàn)等），最終順利并網(wǎng)發(fā)電。

圖8 逆變器電氣接線圖

6 結(jié)論及建議

綜上所述，可以認(rèn)為本次事故發(fā)生的主要直接原因是由于連日來(lái)多次雷電天氣，其次間接原因是由于屋面無(wú)線通訊設(shè)備未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠接地，使得設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)多次遭受雷擊，最終致使系統(tǒng)跳閘、設(shè)備損壞?？紤]到該地區(qū)惡劣天氣的影響，同時(shí)結(jié)合電站已運(yùn)行若干年的情況，現(xiàn)場(chǎng)排查了2 棟屋面的接地系統(tǒng)，確保屋面所有電氣設(shè)備的接地端子、底座與外殼、金屬框架、金屬箱體、金屬爬梯、電纜橋架等金屬設(shè)備、設(shè)施均已可靠接地。類似工程如有條件建議將無(wú)線通訊設(shè)備移至室內(nèi)，并在室外屋頂設(shè)置避雷帶或者避雷針設(shè)備。

因此，設(shè)計(jì)人員在屋頂光伏設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮計(jì)算屋頂接地電阻，校驗(yàn)接地電阻滿足≤4Ω的條件，從而選擇合適的接地線、接地極及接地方式。設(shè)計(jì)要明確所有可能被雷擊產(chǎn)生事故的設(shè)備，保證屋頂上所有設(shè)備及金屬件在滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的情況下有效接地，有必要的地區(qū)增設(shè)避雷針等設(shè)施。設(shè)備采購(gòu)時(shí)需明確所在地區(qū)的污穢等級(jí)，防雷保護(hù)，抗震系數(shù)要求等。施工安裝應(yīng)嚴(yán)格按照施工工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，確保屋頂上所有設(shè)備及金屬件可靠接地，接地連接處可靠連接，并對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)量復(fù)核。運(yùn)行維護(hù)時(shí)，需要定期檢查接地排等是否破損、生銹需要更換等情況。