探析雷擊對江西省光伏電站的影響及防雷減災(zāi)策略

盧敏

摘要 在當(dāng)今中國經(jīng)濟(jì)和科技迅猛發(fā)展的環(huán)境下，雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大，防雷工作受到了大眾的廣泛關(guān)注。作為一種清潔、環(huán)保的能源，太陽能近年來發(fā)展速度較快，并逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域。而人們在享受其帶來便利的同時，也開始注重光伏電站的防雷工作。根據(jù)光伏電站系統(tǒng)情況和防雷經(jīng)驗，探究了雷擊對江西省光伏電站的影響，并梳理了光伏電站的防雷減災(zāi)策略，以供參考。

關(guān)鍵詞 雷擊；光伏電站；影響；防災(zāi)減災(zāi)

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

近年來，越來越多的企業(yè)投入光伏產(chǎn)業(yè)，光伏企業(yè)創(chuàng)新活躍度越來越高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大，我國光伏產(chǎn)業(yè)呈持續(xù)高歌猛進(jìn)發(fā)展趨勢[1-2]。在市場需求和國家政策的影響下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景越來越廣闊，尤其是光伏發(fā)電在各領(lǐng)域的應(yīng)用力度也越來越大[3-4]。

目前，我國已經(jīng)成為全球光伏生產(chǎn)和應(yīng)用大國，光伏發(fā)電裝機量、光伏發(fā)電量均居全球第一[5]。但是，在太陽能光伏業(yè)應(yīng)用廣泛的同時，雷電危害性和光伏發(fā)電站防雷工作也需引起重視。

雷電對太陽能光伏電站的安全運行構(gòu)成了巨大威脅。當(dāng)閃電直接擊中太陽能電池板時，會直接摧毀設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；雷電電磁脈沖會在光伏系統(tǒng)的電源電路上產(chǎn)生過電壓，并損壞電氣設(shè)備?；诖耍谔骄坷讚魧魇」夥娬居绊懙幕A(chǔ)上，重點提出了可靠的防雷減災(zāi)策略，為確保光伏電站的安全運行，減少雷擊經(jīng)濟(jì)損失提供強有力的防雷技術(shù)指導(dǎo)。

1 光伏電站系統(tǒng)簡介

目前，太陽能光伏電站系統(tǒng)包括離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)、帶電池并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、無電池并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)涵蓋大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和中小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可集成至中高壓電網(wǎng)。中小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般只接入低壓電網(wǎng)。光伏電站系統(tǒng)的主要部件包括太陽能電池方陣、控制器、逆變器以及蓄電池組（圖1）。太陽能光伏發(fā)電的原理是借助太陽能電池陣列發(fā)電。在此期間，直流電將通過匯流箱，在直流配電柜的作用下進(jìn)入逆變器，之后由直流電轉(zhuǎn)換為交流電。最后，三相低壓將通過交流配電柜的輸出連接至電網(wǎng)。

2 雷電對江西省光伏發(fā)電站的危害

2.1 直擊雷的危害

在直擊雷電流進(jìn)入被擊中物體時，常常會產(chǎn)生破壞力非常強的機械力效應(yīng)和熱效應(yīng)。由于江西省光伏電站主要部署在空曠的郊區(qū)，太陽能電池板是固定和暴露的，在其附近沒有高層建筑進(jìn)行防護(hù)，因此直接雷擊的風(fēng)險很大。雷擊后，即刻會有上萬安培的雷電電流產(chǎn)生。如果暴露在光伏陣列外部的金屬部件被雷電直接擊中，此時的光伏發(fā)電系統(tǒng)若缺乏有效的防雷系統(tǒng)，雷擊中的強雷電電流會對光伏電站帶來不同程度的危害。

2.2 感應(yīng)雷的危害

感應(yīng)雷一般通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)侵入導(dǎo)體，進(jìn)而危害光伏電站。太陽能光伏電站涵蓋多條線路，為感應(yīng)雷的產(chǎn)生提供了較好的條件。一旦雷雨經(jīng)過光伏電站，會在光伏電站內(nèi)系統(tǒng)的每個導(dǎo)體上感應(yīng)出相同極性和相反極性的雷雨電荷。在放電時，電荷將在短時間內(nèi)被中和。因為失去約束，光伏電站中的感應(yīng)電荷將在短時間內(nèi)通過導(dǎo)體釋放，從而形成雷電靜電效應(yīng)。雷電電磁感應(yīng)通常由雷電云放電時雷電通道附近的瞬態(tài)電磁場造成，在光伏電站系統(tǒng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在太陽能電池板上，雷電感應(yīng)往往通過太陽能電池模塊的連接線傳輸至光伏發(fā)電站其他設(shè)備，容易導(dǎo)致光伏電站各儀器設(shè)備出現(xiàn)損壞[6]。

2.3 雷電波侵入

雷電波侵入是指雷電沖擊架空線路產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓引起的沖擊波。雷電波侵入光伏發(fā)電站大體上有2種方式：一種是雷電脈沖波依靠連接光伏系統(tǒng)的金屬管道侵入光伏電站，如電源線、接地線、信號線等途徑；二是雷電波通過架空線路侵入整個光伏電站。此類雷電波侵入對光伏電站的負(fù)面影響十分嚴(yán)重。

3 江西省光伏電站遭受雷擊的主要損壞形式

3.1 太陽能電池板遭雷擊

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成，太陽能電池大體由半導(dǎo)體硅材料制成。其不僅起到舉足輕重的作用，而且對高壓反應(yīng)十分敏感。在直擊雷產(chǎn)生的情況下，強烈的雷電熱效應(yīng)造成的損害不容忽視。雷擊太陽能電池板形成的高壓會導(dǎo)致硅材料的表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，從而影響太陽能電池組件的使用壽命[7]。

3.2 接地系統(tǒng)的接地電位反擊

光伏電站通常布置在山區(qū)，還有部分電池板甚至直接架設(shè)在巖石上。由于接地電阻較大，光伏電站附近形成的接地電位雷擊同樣會危害整個光伏電站。

3.3 控制系統(tǒng)遭受雷擊

除了控制器和逆變器等電子設(shè)備，

光伏電站還擁有單軸和雙軸光伏模塊、發(fā)電計量系統(tǒng)和發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)等電子設(shè)備。這些儀器通常對電磁環(huán)境有很高的要求。如果雷電感應(yīng)過電壓非常強，往往會損壞光伏電站的電子設(shè)備。

4 光伏發(fā)電站防雷減災(zāi)策略

4.1 直接雷防護(hù)策略

4.1.1 熱斑效應(yīng)分析 接閃桿廣泛分布在光伏電站，不可避免地在光伏面板上產(chǎn)生大范圍陰影。這部分陰影的出現(xiàn)不但會對光伏電站的發(fā)電效率造成不同程度的影響，而且會形成熱斑，并損壞光伏電站電池板。因此，光伏電站防雷時應(yīng)高度重視熱斑效應(yīng)。在采取防雷策略前，清晰熱斑效應(yīng)的產(chǎn)生的主要原因。在發(fā)電過程中，被遮蔽的太陽能電池模塊將成為一個負(fù)載，并將其他太陽能電池模塊用光產(chǎn)生的能量消耗而產(chǎn)生熱量，即熱斑效應(yīng)，這將對太陽能電池模塊帶來一定的危害[8]。

4.1.2 光伏方陣接閃器 根據(jù)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范的要求，光伏電站光伏電池組件、直流匯流箱、配電箱、變壓器平臺、光伏發(fā)電機組支架、并網(wǎng)逆變器等構(gòu)筑物均屬于三類防雷建（構(gòu)）筑物。通過滾球法計算避雷器的保護(hù)范圍和高度[9]。其中，光伏陣列的直接防雷是一個大問題。可以選擇不對稱或不等高的避雷針（接閃器），還可以選擇升降式避雷器，以避免 “熱斑效應(yīng)”的產(chǎn)生。這種技術(shù)措施防雷成本非常高，并且不能完全保護(hù)所有電池模塊，因此，最經(jīng)濟(jì)、最可靠的防雷減災(zāi)策略是選用太陽能電池板附近的金屬框架作為避雷器。當(dāng)發(fā)生直接雷擊時，雷電直接穿過金屬框架并立即釋放至地面，避免直接雷擊對太陽能電池板造成損壞。

接閃器敷設(shè)的要求和材料規(guī)格：①接閃器的布置應(yīng)確保被保護(hù)的建（構(gòu)）筑物和設(shè)備都處于接閃器的保護(hù)范圍；②專門部署的接閃器應(yīng)處在光伏方陣的北邊，接閃器的部署高度應(yīng)考量太陽光對光伏方陣的影響；③通常而言，光伏方陣的金屬框架可用作接閃器[10]；④當(dāng)升壓變電站的單個接閃器桿由熱浸鍍鋅圓鋼或鋼管制成時，桿長不超過1 m的圓鋼直徑應(yīng)≥12 mm，鋼管直徑應(yīng)≥20 mm，厚度應(yīng)≥0.5 mm；避雷針長度為1～2 m時，圓鋼直徑≥16 mm，鋼管直徑≥25 mm，厚度≥0.5 mm。選用單根熱浸鍍鋅扁鋼時，最小截面積≥50 mm2，厚度≥2.5 m；當(dāng)使用單個熱浸鍍鋅圓鋼時，最小截面積應(yīng)≥50 mm2，直徑應(yīng)≥8 mm；⑤避雷帶支撐卡高度≥150 mm，支撐卡間距≤1 000 mm，敷設(shè)平直，焊接牢固，無直角彎曲；應(yīng)與避雷帶相符，網(wǎng)格尺寸應(yīng)滿足防雷標(biāo)準(zhǔn)[11]；⑥架空接閃器的導(dǎo)線應(yīng)為截面≥50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線或銅線；⑦金屬網(wǎng)圍欄應(yīng)連接到光伏陣列區(qū)域的接地網(wǎng)或單獨接地。需要關(guān)注的是，在單獨接地時接地電阻應(yīng)≤10 Ω；⑧接閃器均應(yīng)都采取防腐措施。

4.1.3 太陽能電池方陣引下線 光伏方陣的金屬支架可充當(dāng)引下線。若光伏陣列支架由非金屬復(fù)合材料或混凝土預(yù)制件制成，則有必要部署獨立的引下線[12]。當(dāng)光伏板的金屬支架用作引下線時，柱間距的材料規(guī)格和間距、獨立避雷針的引下線，現(xiàn)場建筑的引下線應(yīng)滿足以下要求：①光伏組件的金屬支架和建筑內(nèi)部的鋼筋和鋼柱可充當(dāng)自然引下線；②若沒有自然引下線，光伏電站系統(tǒng)專用引下線的平均間距應(yīng)≤25 m；避雷針需敷設(shè)2根引下線，并對稱布置；所有引下線應(yīng)進(jìn)行防腐處理。

4.1.4 光伏方陣的接地裝置 光伏方陣接地裝置的布設(shè)布置應(yīng)符合《電氣設(shè)備工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定，并應(yīng)設(shè)計為閉環(huán)環(huán)形接地極。金屬支架每間距10 m左右和接地裝置對稱連接，要求接地電阻≤4.0 Ω[13]。為有效防止跨步電壓，水平接地極應(yīng)在土壤中鋪設(shè)至少0.8 m深或0.5 m厚的礫石瀝青路面。為了防止陰極放電對接地極的腐蝕，人工接地極應(yīng)選用石墨或銅包鋼接地極，且在電阻率較高的環(huán)境中應(yīng)使用長效降阻劑。

4.2 雷電感應(yīng)、雷電波防護(hù)策略

4.2.1 等電位連接 光伏方陣的金屬框架需要彼此連接以形成電路。金屬支架和金屬框架應(yīng)保持可靠連接狀態(tài)。每排金屬支架應(yīng)至少在附近2點處連接至光伏陣列的環(huán)形接地網(wǎng)[14]。電纜屏蔽層或金屬屏蔽管要求和附近的方形金屬框架或支架進(jìn)行等電位連接。匯流箱需要配備接地端子排。進(jìn)出匯流箱的電纜的金屬護(hù)套、浪涌保護(hù)器（SPD）的接地線、屏蔽金屬管和匯流箱的金屬外殼均要求與接地端子可靠連接。對于室內(nèi)發(fā)電設(shè)備和線路的等電位連接，應(yīng)在集中控制室、繼電器室、逆變器、變壓器等設(shè)施中設(shè)置總等電位接地端子，以屏蔽進(jìn)出金屬管道、電力電纜和信號電纜，并連接至相鄰的總等電位連接端子。各個配電箱或柜還應(yīng)配備局部等電位接地端子排。設(shè)備的金屬外殼、電纜屏蔽層、靜電接地和保護(hù)接地、金屬管槽以及機柜本身等均要求與等電位接地端子板保持連接，并且連接距離需要處于最短狀態(tài)。

4.2.2 屏蔽 屏蔽是將建筑物、線路、電子設(shè)備和外部電磁屏蔽隔離，防止電磁脈沖和感應(yīng)高壓的產(chǎn)生。在光伏電站中，逆變器升壓室往往應(yīng)先采用基礎(chǔ)鋼筋、金屬框架、梁柱鋼筋和防雷引下線形成法拉第籠，且將其接地，最大限度地避免雷電電磁波的傷害。為了最大限度地減少雷電干擾的功率損耗和電容耦合，光伏電池陣列的直流輸出電纜不應(yīng)過長。光伏電站中，每個電池的逆變器升壓也應(yīng)布置在各個光伏發(fā)電單元附近，并且還需部署于方陣的中心區(qū)域，以有利于電纜的有效連接。再者，應(yīng)做好線路的屏蔽工作。光伏電站場地內(nèi)的電纜最好沿電纜箱和橋架敷設(shè)。箱蓋和橋蓋可以更可靠地屏蔽電纜；在電纜局部埋設(shè)的區(qū)域，通常使用電纜保護(hù)管進(jìn)行保護(hù)，最大限度地避免雷擊事件的發(fā)生。

4.2.3 浪涌防護(hù)器（SPD） 為了更好地保護(hù)光伏電站，避免其遭受雷擊，還應(yīng)在站內(nèi)裝設(shè)浪涌防護(hù)器（SPD）。設(shè)置時應(yīng)注意以下事項：①采用的浪涌防護(hù)器（SPD）要求滿足防雷規(guī)范且經(jīng)過國家認(rèn)可的測試實驗室檢測認(rèn)證；②浪涌防護(hù)器（SPD）要求可承受預(yù)期的浪涌電壓；③浪涌防護(hù)器（SPD）應(yīng)布設(shè)在所有防雷區(qū)域的連接位置；④浪涌防護(hù)器（SPD）的Uc（最大連續(xù)工作電壓）值應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；⑤浪涌防護(hù)器（SPD）接地線的規(guī)格和長度也應(yīng)該與規(guī)范要求相符。一級開關(guān)或限壓浪涌保護(hù)器（SPD）的相線銅線的最小截面積要求＞6 mm2，接地銅線的最小截面面積應(yīng)＞10 mm2；二次限壓浪涌保護(hù)器（SPD）相銅線的最小截面積＞4 mm2，接地銅線的最小截面面積應(yīng)＞6 mm2；三級限壓浪涌保護(hù)器（SPD）相線的銅導(dǎo)體最小截面積應(yīng)＞2.5 mm2，接地銅線的最小截面積＞4 mm2；四級限壓浪涌保護(hù)器（SPD）的相銅線最小截面積也應(yīng)＞2.5 mm2，接地銅線的最小截面積應(yīng)＞4 mm2。各級浪涌防護(hù)器（SPD）的接地線應(yīng)短而直，長度應(yīng)≤0.5 m；⑥如果浪涌保護(hù)器（SPD）安裝在線路上的多個位置，開關(guān)浪涌保護(hù)器和電壓限制浪涌之間的線路長度應(yīng)≥5 m。一旦不符合上述要求，則需要專門設(shè)計去耦元件；⑦浪涌防護(hù)器（SPD）接地線和接地裝置之間連接點的導(dǎo)電電阻應(yīng)≤50 mΩ。

4 結(jié)束語

作為國家重點扶持的新興產(chǎn)業(yè)，光伏行業(yè)一直受到國家政策的大力支持。隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)光伏電站數(shù)量逐步增加。然而，由于光伏電站施工區(qū)域環(huán)境的特殊性，以及光伏電站內(nèi)設(shè)備和電纜數(shù)量眾多，極易引發(fā)雷電事故。當(dāng)閃電直接擊中太陽能電池板時，設(shè)備將輕度受損，嚴(yán)重時系統(tǒng)將直接癱瘓。因此，光伏電站的防雷保護(hù)尤為重要。防雷技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)光伏電站雷電方法要求，采取科學(xué)有效的多層次防雷策略，最大限度地減少雷電對光伏電站的危害，確保光伏電站的安全運行。

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Analysis of the Impact of Lightning Strikes on Photovoltaic Power Stations in Jiangxi Province and Strategies for Lightning Protection and Disaster Reduction

Lu Min （Jiangxi Provincial Climate Center， Nanchang， Jiangxi 330096）

Abstract In today’s rapidly developing environment of China’s economy and technology， the economic losses caused by lightning are increasing， and lightning protection work has also begun to receive widespread attention from the public. Solar energy， as a clean and environmentally friendly energy source， has developed rapidly in recent years and is gradually being applied in various fields. And while everyone was enjoying the convenience it brings， they also begin to pay attention to the lightning protection work of photovoltaic power stations. Based on the system situation and lightning protection experience of photovoltaic power stations，explored the impact of lightning strikes on photovoltaic power stations in Jiangxi Province， and summarized the lightning protection and disaster reduction strategies of photovoltaic power stations for reference.

Key words Lightning strike; Photovoltaic power station; Influence; Disaster prevention and reduction