彩鋼瓦屋面光伏電站的雷電防護技術(shù)研究

吳小云，賈 薪，張明珠

(懷化學(xué)院機械與光電物理學(xué)院，懷化 418000)

0 引言

近年來，隨著光伏發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本的不斷下降，中國光伏發(fā)電已逐步完成了從“補貼示范應(yīng)用”到“平價上網(wǎng)”的商業(yè)化過渡。截至2020年底，中國光伏發(fā)電累計裝機容量達到252.5 GWp，其中，分布式光伏電站的累計裝機容量為78.15 GWp[1]。自2018年光伏補貼政策調(diào)整后，分布式光伏電站因具有上網(wǎng)電價高、建設(shè)周期快、平準(zhǔn)化度電成本低的優(yōu)勢得到了快速發(fā)展，其裝機容量在總裝機容量中的占比也從2016年的13.33%提升到了2020年的30.90%。尤其是采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”結(jié)算方式的工商業(yè)彩鋼瓦屋面光伏電站，因單體容量大、一次投資成本低和后期運維成本低等優(yōu)點，已經(jīng)成為光伏應(yīng)用的一個重要細(xì)分市場。

彩鋼瓦屋面光伏電站的光伏組件、組串式逆變器或直流匯流箱等電氣設(shè)備均安裝在彩鋼瓦屋面上，容易受到雷擊。因此，如果此類光伏電站的防雷措施不當(dāng)，會造成電氣設(shè)備損壞，并影響光伏電站的運行，嚴(yán)重的還會引起屋面火災(zāi)，從而影響光伏電站所屬廠房的正常生產(chǎn)，甚至造成人身安全事故。但過度的防雷措施會增加彩鋼瓦屋面光伏電站的建設(shè)成本，導(dǎo)致其投資回報率降低。

為了確保彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷措施安全可靠、經(jīng)濟合理，本文從建筑物的風(fēng)險評估和防雷分類、直擊雷防護、感應(yīng)雷電磁波防護等幾方面對彩鋼瓦屋面光伏電站的雷電防護技術(shù)進行了研究，可為今后彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷設(shè)計提供參考。

1 雷擊的危害

雷擊是一種自然現(xiàn)象，主要分為下行雷和上行雷2種類型。彩鋼瓦屋面多為工業(yè)廠房和倉庫等建筑的屋頂，大多數(shù)是單層建筑，建筑高度一般不會超過20 m，因此主要需要防范的雷擊為下行雷。雷擊類型主要包括直接雷擊和雷擊過電壓兩大類[2]。

根據(jù)所采用逆變器的類型，彩鋼瓦屋面光伏電站可以分為集中型彩鋼瓦屋面光伏電站和組串型彩鋼瓦屋面光伏電站2種。屋面電氣設(shè)備主要為光伏組件、組串式逆變器或直流匯流箱、光伏支架、電纜等，其中，光伏組件多采用直接沿屋面平鋪的方式，光伏組件下邊框一般比彩鋼瓦屋面高出100 mm左右；組串式逆變器或直流匯流箱一般也安裝在屋面，其下邊沿高出屋面500 mm左右。

隨著光伏發(fā)電的商業(yè)化發(fā)展，近年來對光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)的研究日益深入。文獻[3]通過實驗分析了雷擊鋁合金邊框時對玻璃特性的影響。文獻[4-5]通過實驗分別對光伏組件感應(yīng)電壓/電流、鋁合金陽極氧化膜的絕緣性能進行了具體研究。研究結(jié)果表明：雷擊在光伏組件邊框時，即便光伏方陣回路距離雷擊點在2 m以內(nèi)，10/350 s波形的感應(yīng)過電壓幅值仍然可以達到8.1 kV，大幅超過了回路的耐壓水平，極易損壞光伏陣列，在直流匯流箱和組串式逆變器輸入端也會產(chǎn)生高達6 kV的感應(yīng)電壓；鋁合金陽極氧化膜的直流電壓擊穿比為50 V/μm，一般光伏組件鋁合金邊框的陽極氧化膜厚度在15～25 μm之間，因此雷擊時，陽極氧化膜極易被擊穿，光伏組件鋁合金邊框的絕緣性能被破壞，此時鋁合金邊框可以看成導(dǎo)體；自然界中的雷電很難擊中玻璃，因此擊中鋁合金邊框后，光伏組件表面的玻璃一般不會破損。

2 彩鋼瓦屋面光伏電站的雷電防護技術(shù)

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)是否與建筑同步設(shè)計和建設(shè)，彩鋼瓦屋面光伏電站分為2種，一種是與彩鋼瓦屋面建筑一起設(shè)計和建造的彩鋼瓦屋面光伏電站，另一種是在彩鋼瓦屋面建筑投產(chǎn)后再建設(shè)的彩鋼瓦屋面光伏電站。目前，絕大多數(shù)已建或在建的彩鋼瓦屋面光伏電站均屬于后者，因此，本文著重討論在已建彩鋼瓦屋面建筑上新建光伏電站的屋面電氣設(shè)備的雷電防護技術(shù)。

2.1 建筑物的風(fēng)險評估和防雷分類

彩鋼瓦屋面光伏電站防雷設(shè)計的依據(jù)主要是GB/T 36963—2018《光伏建筑一體化系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[6]、QX/T 263—2015《太陽能光伏系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[7]和GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[8]。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷設(shè)計需要先確定建筑物的防雷分類，再依據(jù)建筑物的防雷分類進行相應(yīng)的設(shè)計和施工。

文獻[9]對光電建筑的雷擊風(fēng)險評估進行了詳細(xì)的研究，并指出GB 50057—2010和GB/T 21714—2015《雷電防護》系列標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于建筑物的截收面積的計算方式隨著建筑物高度的變化得到的計算結(jié)果稍有不同。

綜上所述，與彩鋼瓦屋面建筑一起設(shè)計和建造的彩鋼瓦屋面光伏電站依據(jù)GB 50057—2010的建筑物防雷分類條款進行防雷分類；而在彩鋼瓦屋面建筑投產(chǎn)后再建設(shè)的彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷分類，需要綜合考慮建筑的用途和現(xiàn)有防護措施的實際效果，再依據(jù)GB 50057—2010的建筑物防雷分類條款進行防雷分類和設(shè)計，并按照GB/T 21714.2—2015《雷電防護 第2部分：風(fēng)險管理》進行雷電風(fēng)險評估復(fù)核[10]。

2.2 屋面電氣設(shè)備的直擊雷防護

GB 50057—2010中規(guī)定，除第1類防雷建筑物外，金屬屋面宜利用屋面作為接閃器；GB/T 36963—2018和QX/T 263—2015中均規(guī)定了有金屬邊框的光伏組件宜利用金屬邊框和光伏支架作為接閃器。因此，在第2類、第3類防雷建筑中均可以采用光伏組件邊框和光伏支架作為接閃器，光伏支架通過夾具與屋面連接，形成直擊雷泄流通道，利用原屋面的直擊雷引下線作為光伏電站的直擊雷引下線。

屋面電氣設(shè)備的金屬外殼、電纜金屬外皮和建筑物金屬構(gòu)件均應(yīng)接地；每個光伏方陣外圍均需要有一個鍍鋅扁鐵網(wǎng)格，用于形成直擊雷泄流通道，鍍鋅扁鐵網(wǎng)格滿足每個單獨光伏方陣2點引出與屋面輔助系統(tǒng)等電位連接即可。

針對處于屋面的直流匯流箱、組串式逆變器，GB 50057—2010中規(guī)定當(dāng)直流匯流箱、組串式逆變器高出彩鋼瓦屋面的高度低于300 mm時，可以不用考慮防雷措施。實際工程中，直流匯流箱或組串式逆變器一般高出屋面水平面500 mm左右，但是一般不會超過屋面最高處或女兒墻的高度，因此，依據(jù)直流匯流箱、組串式逆變器可以利用其金屬外殼作為接閃器的規(guī)定，通過截面積為16 mm2的黃、綠雙色的銅芯聚氯乙烯絕緣軟護套電線(BVR)接到4 mm×40 mm的鍍鋅扁鐵上，再通過鍍鋅扁鐵接至屋面或建筑物主結(jié)構(gòu)；為了安全起見，考慮到女兒墻上有防雷帶保護，可以將直流匯流箱或組串式逆變器安裝在女兒墻上；另外，考慮到在實際工程中直流匯流箱、組串式逆變器的散熱要求、防水性能要求和使用壽命，通常會在直流匯流箱或組串式逆變器上搭建一個金屬屋頂，可以將此金屬屋頂作為接閃器，然后通過4 mm×40 mm的鍍鋅扁鐵接至屋面或建筑物主結(jié)構(gòu)。

需要特別說明的是，現(xiàn)在的彩鋼瓦屋面光伏電站在采用上述防雷措施的情況下還增加了防雷接閃網(wǎng)作為直擊雷防護措施，即按照第3類防雷建筑在屋面鋪設(shè)24 m×16 m或20 m×20 m的鍍鋅扁鐵接閃網(wǎng)。但其實這種做法是完全沒有必要的，因為防雷接閃網(wǎng)的高度低于光伏組件的高度，不能起到防直擊雷的作用。

第1類防雷建筑需要安裝專用的接閃裝置進行直擊雷防護。接閃裝置的設(shè)計除需要滿足GB 50057—2010的相關(guān)規(guī)定外，還需要考慮接閃裝置對光伏方陣會產(chǎn)生的陰影遮擋影響，最好將接閃裝置設(shè)置在光伏方陣的正北方向，若不能設(shè)置在該方向時，需要保證在冬至日的當(dāng)?shù)卣嫣枙r09:00～16:00之間接閃裝置不會對光伏方陣產(chǎn)生陰影遮擋。

2.3 屋面電氣設(shè)備的感應(yīng)雷電磁波防護

感應(yīng)雷電磁波的防護主要是通過電磁屏蔽、等電位連接和安裝電涌保護器(surge protective device，SPD) 3種方式。由于彩鋼瓦屋面光伏電站占地面積大且防護設(shè)施不能遮擋陽光，因此不能采用物理方式進行電磁屏蔽，在實際工程中，彩鋼瓦屋面光伏電站多采用等電位連接和安裝SPD這2種方式實現(xiàn)感應(yīng)雷電磁波的防護。

2.3.1 等電位連接

等電位連接是指將所有屋面新增的獨立金屬物和電氣設(shè)備外殼、保護接地直接通過導(dǎo)體連接到屋面等電位連接點。導(dǎo)體材料的截面積應(yīng)滿足GB 50057—2010中第5.1.2款的要求。

由于彩鋼瓦屋面在進行電焊明火施工作業(yè)時容易引發(fā)火災(zāi)，因此在施工作業(yè)時需要進行嚴(yán)格的防范。在實際工程中，發(fā)生過多次由于電焊明火施工作業(yè)引發(fā)的屋面起火，因此需要盡量避免此種情況。在進行等電位連接時，鍍鋅扁鐵的具體做法需要按照圖集02D501-2《等電位聯(lián)結(jié)安裝》中的規(guī)定，即采用雙螺栓連接，螺栓型號為M10 mm×30 mm，搭接長度不小于80 mm，開孔直徑為?10.5 mm。每一排光伏支架均需進行可靠的電氣連接，可以通過直接開孔與鍍鋅扁鐵網(wǎng)格進行螺栓連接，其過渡電阻應(yīng)小于0.2 Ω，鍍鋅扁鐵網(wǎng)格也需要滿足每個單獨光伏方陣2點引出與屋面輔助系統(tǒng)等電位連接。

關(guān)于光伏組件的保護接地和輔助接地的討論。由于光伏組件也屬于通用的電氣設(shè)備，隨著商業(yè)化發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓正在由1000 V逐步過渡到1500 V，并且單塊光伏組件的電壓也超過了直流36 V的安全電壓上限[11]，因此，為了保證安裝、維護人員的人身安全，部分光伏組件廠家對光伏組件提出了明確的接地要求。針對光伏組件的接地，現(xiàn)在實際工程中一般有2種做法：一種是光伏方陣內(nèi)相鄰光伏組件之間的邊框通過截面積為4 mm2的BVR相連，2點引出與光伏支架相連；另一種是光伏方陣內(nèi)相鄰光伏組件之間的邊框通過截面積為6 mm2的BVR相連，2點引出與光伏支架相連?，F(xiàn)在很多人認(rèn)為這2種做法屬于等電位連接是存在誤解的，事實上這2種做法均不符合GB 50057—2010中規(guī)定的等電位連接最小導(dǎo)體截面積的要求，如果是等電位連接，BVR的截面積需要不低于16 mm2。因此筆者認(rèn)為，這2種做法可以看成是光伏組件的保護接地或無機械保護的輔助接地。

2.3.2 安裝SPD

屋面電氣設(shè)備的感應(yīng)雷電磁波防護主要是通過安裝SPD來實現(xiàn)，SPD正常工作時，其通路相當(dāng)于剛阻抗斷路，當(dāng)感應(yīng)雷電磁波隨著輸入、輸出電纜經(jīng)過SPD時，SPD迅速導(dǎo)通，使感應(yīng)雷電流通過SPD泄放到大地，并將雷擊電壓的幅值降低到電氣設(shè)備能夠承受的水平，該水平通常稱為保護電壓，以達到保護電氣設(shè)備的作用。保護電壓的取值范圍介于電氣設(shè)備的最大工作電壓(即光伏組串的最大工作電壓)Umax和電氣設(shè)備的耐受電壓之間。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他電氣系統(tǒng)不同，由于光伏組件的發(fā)電特性，其工作電壓隨工作溫度和太陽輻照度的變化而變化。

電氣設(shè)備的最大工作電壓Umax的計算式為：

式中：n為每串光伏組串中的光伏組件數(shù)量；Uoc為標(biāo)準(zhǔn)測試條件(即太陽輻照度為1 kW/m2、光伏組件工作溫度為25 ℃)下光伏組件的開路電壓；α為光伏組件的溫度系數(shù)，為負(fù)值；Tmin為光伏組件的最低工作溫度，一般取項目所在地的歷史最低環(huán)境溫度。

組串式逆變器均為不帶隔離的變壓器類型，依據(jù)GB/T 36963—2018中第5.36款的規(guī)定，組串式逆變器交流側(cè)的最大可持續(xù)工作電壓Uc應(yīng)滿足式(2)的要求：

式中：U為組串式逆變器的交流輸出相電壓。

直流匯流箱或組串式逆變器中的SPD選型要求具體如表1所示。

表1 SPD的選型要求Table 1 Selection requirements of SPD

光伏方陣負(fù)極未接地系統(tǒng)的直流匯流箱或組串式逆變器直流側(cè)需要采用正極對地、正極對負(fù)極、負(fù)極對地均安裝SPD；光伏方陣負(fù)極接地系統(tǒng)只需安裝正極對地的SPD。組串式逆變器一般采用三相加保護接地線的接線方式，因此交流側(cè)相對相、相對地均需安裝SPD。SPD的接線方式及要求需滿足GB/T 36963—2018中附錄D的要求。SPD連接導(dǎo)體的最小截面積需滿足GB/T 36963—2018中表1的規(guī)定。

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有建筑防雷設(shè)計、光伏電站防雷設(shè)計的相關(guān)規(guī)范和實際工程應(yīng)用中的通用做法，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對彩鋼瓦屋面光伏電站中光伏組件、玻璃、鋁合金等部件的雷擊特性進行了研究，并從建筑物的風(fēng)險評估和防雷分類、直擊雷防護、感應(yīng)雷電磁波防護等幾方面對彩鋼瓦屋面光伏電站屋面電氣設(shè)備的雷電防護技術(shù)進行了詳細(xì)論述，對現(xiàn)行雷電防護措施中的幾個誤區(qū)進行了探討。隨著碳交易市場的開啟，彩鋼瓦屋面光伏電站的未來市場前景將更為廣闊。研究結(jié)果對彩鋼瓦屋面光伏電站屋面電氣設(shè)備的雷電防護設(shè)計與施工具有一定的指導(dǎo)意義。