沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)常見問題分析

摘 要：針對(duì)沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在雷電防護(hù)方面的常見問題進(jìn)行深入探討。概述了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷裝置，介紹了防雷裝置被腐蝕、引下線裸露及雷電流經(jīng)線路侵入等三大常見問題，并提出了相應(yīng)的解決策略與防護(hù)措施，旨在提升沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)能力，保障并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)與安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，減少雷電災(zāi)害對(duì)系統(tǒng)性能與經(jīng)濟(jì)效益的影響。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；防雷技術(shù)；沿海地區(qū)；外部防雷裝置

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

地球上絕大部分能量源泉為太陽。光伏發(fā)電是從太陽獲取能量發(fā)電，其轉(zhuǎn)移了人類對(duì)化石燃料發(fā)電的依賴，又滿足了當(dāng)前能源市場(chǎng)和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求[1]。

但由于沿海地區(qū)空氣濕潤(rùn)，光伏發(fā)電站點(diǎn)常選址于空曠多雷區(qū)，光伏陣列的邊框和支架均為金屬材料，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)容易遭受雷擊。對(duì)此，為了確保沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷裝置采取有效的保護(hù)十分必要。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷裝置概述

1.1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成與工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池的光伏效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，兼具環(huán)保與可持續(xù)性[2]。其主要分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖1）和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是最常見的光伏系統(tǒng)。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)核心由光伏陣列（由多塊太陽能電池板構(gòu)成，負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換）、逆變器（將直流電轉(zhuǎn)為交流電以并入電網(wǎng)）及計(jì)量系統(tǒng)（監(jiān)測(cè)并記錄電能產(chǎn)出與消耗）構(gòu)成。此外，還包括電纜、匯流箱（整合與分配電能）、保護(hù)設(shè)備與開關(guān)（提供電氣保護(hù)以防過載、過壓等異常）、雷擊防護(hù)裝置（抵御自然災(zāi)害對(duì)系統(tǒng)的影響）及標(biāo)識(shí)（便于運(yùn)維管理）。其設(shè)計(jì)壽命一般為25年。

1.2 防雷裝置的主要組成部分及其功能

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷裝置主要由外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置兩大部分組成（圖2）。

外部防雷裝置主要用于防護(hù)直擊雷，包括接閃器、引下線和接地裝置。接閃器作為整個(gè)防雷系統(tǒng)的“前鋒”，能夠有效吸引和承接雷電，并將其引入地下；引下線負(fù)責(zé)將接閃器承接的雷電安全地導(dǎo)入地下，防止雷電電流對(duì)系統(tǒng)造成破壞；接地裝置則是整個(gè)防雷系統(tǒng)的“終點(diǎn)”，它將雷電電流導(dǎo)入大地，從而保護(hù)系統(tǒng)免受雷擊[3]。

而內(nèi)部防雷裝置主要用于減小和防止雷電流在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。這包括共用接地裝置、等電位連接、合理布線、屏蔽和浪涌保護(hù)器等措施。共用接地裝置確保了所有防雷設(shè)備能夠協(xié)調(diào)工作，等電位連接降低了因電位差引起的反擊風(fēng)險(xiǎn)，合理布線避免了電纜成為雷電的傳輸路徑，屏蔽減少了雷電電磁脈沖對(duì)設(shè)備的干擾，而浪涌保護(hù)器則能在雷電侵入時(shí)迅速響應(yīng)，保護(hù)設(shè)備免受損害。

2 沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)常見問題

2.1 防雷裝置被腐蝕

沿海地區(qū)特有的海洋大氣環(huán)境對(duì)防雷裝置的腐蝕具有顯著影響。首先，沿海地區(qū)濕度較大，空氣中水分含量高，這使得金屬材料的表面容易形成水膜，加速了電化學(xué)腐蝕的過程。其次，沿海地區(qū)酸雨現(xiàn)象較為嚴(yán)重，酸雨中的酸性物質(zhì)能夠侵蝕金屬材料，導(dǎo)致防腐涂層失效，進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的腐蝕。最后，沿海地區(qū)的工業(yè)分布密集，環(huán)境污染嚴(yán)重，空氣中的污染物也會(huì)對(duì)防雷裝置造成腐蝕。

在海洋大氣環(huán)境的侵蝕下，防雷裝置的金屬材料腐蝕速率不斷增大。腐蝕會(huì)導(dǎo)致防雷裝置的厚度變小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，進(jìn)而使其防護(hù)能力下降。此外，腐蝕還會(huì)引發(fā)防雷裝置的連接處松動(dòng)、斷裂等問題，影響防雷系統(tǒng)的整體性能。

防雷裝置腐蝕老化導(dǎo)致其防護(hù)能力減弱，一旦遭遇雷擊，無法有效引導(dǎo)雷電流安全地流入大地，反而可能使雷電流在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高電壓、強(qiáng)電流，引發(fā)光伏組件、逆變器、配電設(shè)備等關(guān)鍵部件的過電壓損壞，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)短路、火災(zāi)等嚴(yán)重安全事故。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若防雷裝置失效，可能導(dǎo)致雷電能量直接侵入電網(wǎng)，造成局部電網(wǎng)電壓波動(dòng)、諧波失真、過電壓等電能質(zhì)量問題，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其他并網(wǎng)設(shè)備及用戶用電安全構(gòu)成威脅。此外，頻繁的雷擊故障可能導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)、停機(jī)檢修，影響其發(fā)電能力和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)給電網(wǎng)調(diào)度帶來額外負(fù)擔(dān)。

2.2 引下線裸露

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本并充分利用現(xiàn)有資源，通常將光伏組件的金屬支架作為防雷系統(tǒng)的引下線。這種設(shè)計(jì)利用光伏陣列大面積的金屬結(jié)構(gòu)，將其與大地之間建立可靠的電氣連接，形成一個(gè)完整的雷電流疏導(dǎo)通道。金屬支架作為引下線時(shí)，一般會(huì)確保其與光伏組件邊框、支架等金屬部件良好連接，并通過接地極將雷電流導(dǎo)入地下，實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)[4]。正常情況下，當(dāng)人員接觸這些已接地的金屬部件時(shí)，由于電位相同，不會(huì)形成電流流過人體，從而避免電擊事故的發(fā)生。此外，良好的接地還能減少雷擊時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，保護(hù)電子設(shè)備正常工作，間接消除因設(shè)備故障引發(fā)的安全隱患。

然而在雷暴雨等極端天氣條件下，引下線（金屬支架）裸露可能會(huì)導(dǎo)致接觸電壓?jiǎn)栴}。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，巨大的雷電流通過引下線迅速流入大地，會(huì)在引下線周圍形成瞬態(tài)的電位分布，即地電位升高區(qū)。若引下線與附近接地不良或未接地的金屬物體之間存在電位差，人員在雷擊期間或之后接觸這些物體時(shí)，就可能承受較高的接觸電壓，引發(fā)電擊事故。此外，雷擊后，引下線周圍的地面電位分布并不均勻，距離引下線越近、電位越高。當(dāng)人員在雷擊區(qū)域內(nèi)行走時(shí)，兩腳間可能出現(xiàn)較大的電位差，即跨步電壓。當(dāng)跨步電壓超過人體承受閾值時(shí)，電流會(huì)通過人體從一只腳流向另一只腳，造成跨步電壓電擊。尤其在雷暴雨天氣，地面濕滑，人員行動(dòng)不便，更易誤入高電位區(qū)域，增加遭受跨步電壓電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 雷電流經(jīng)線路侵入

光伏陣列的組件邊框通常為金屬材質(zhì)，且具有較大的表面積，能夠有效捕捉并傳導(dǎo)雷電放電。將其作為接閃器，一方面，利用了已有結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了防雷系統(tǒng)，降低了成本；另一方面，由于組件邊框與光伏陣列緊密相連，能夠更快速、更直接地將雷電流引入接地系統(tǒng)，縮短了雷電在系統(tǒng)內(nèi)部傳播的時(shí)間和距離，減少了雷電對(duì)其他電氣設(shè)備的沖擊。

當(dāng)雷擊光伏陣列時(shí)，雷電流通過邊框（接閃器）迅速流入接地系統(tǒng)。然而，部分雷電流可能沿著光伏陣列與支架間的電氣連接、電纜等線路侵入系統(tǒng)內(nèi)部，途徑LPZ01區(qū)和LPZ02區(qū)進(jìn)入LPZ1區(qū)。在LPZ1區(qū)中的電子系統(tǒng)設(shè)備由于其耐過電壓能力低，雷電流的侵入所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)備造成干擾或永久性損壞。

具體來說，雷電流通過線路時(shí)，其高幅值和短時(shí)間內(nèi)的巨大能量釋放會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，可能導(dǎo)致線路絕緣層燒損、電纜過熱、連接點(diǎn)熔斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)火災(zāi)；雷電流對(duì)電子設(shè)備的直接沖擊、電磁干擾和熱效應(yīng)可能導(dǎo)致元器件損壞、電路板燒毀等永久性損傷，需要更換或修復(fù)才能恢復(fù)設(shè)備功能。

3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)問題的對(duì)策

3.1 減少防雷裝置的腐蝕老化

在自然環(huán)境中，金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕的范疇。該腐蝕過程涉及金屬與電解質(zhì)溶液之間的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬逐漸損失其原有性質(zhì)和功能。針對(duì)這種情況，提高防雷裝置材料的抗腐蝕老化性能成為關(guān)鍵。

熱鍍鋅鋼和銅包鋼作為耐腐蝕性能優(yōu)異的材料，被廣泛應(yīng)用于防雷裝置。熱鍍鋅鋼通過熱鍍鋅工藝在鋼材表面形成一層堅(jiān)固的鋅層，從而有效隔絕金屬與環(huán)境的接觸，減緩腐蝕速度。而銅包鋼則結(jié)合了銅的耐腐蝕性和鋼的強(qiáng)度，為防雷裝置提供了雙重保障。

除了選擇合適的材料，增加防雷裝置材料的厚度和擴(kuò)大直徑也是提高抗腐蝕性能的有效手段。增加材料的尺寸可以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即使在一定程度上發(fā)生腐蝕，也能保持足夠的機(jī)械性能和防護(hù)能力。同時(shí)，在焊接處刷涂瀝青漆等防腐涂層也是常用的防護(hù)措施之一。瀝青漆具有良好的附著力和耐候性，能夠有效隔絕金屬與潮濕環(huán)境的接觸，防止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。此外，當(dāng)在沿海地區(qū)敷設(shè)接地裝置采用鍍鋅鋼時(shí)，還應(yīng)注意避免將敷設(shè)于混凝土中的鍍鋅鋼延伸至土壤。這是因?yàn)橥寥乐械碾娊赓|(zhì)溶液會(huì)加速鍍鋅鋼的腐蝕速度，從而縮短其使用壽命。

3.2 采取合理、有效的防接觸電壓和跨步電壓措施

首先，技術(shù)人員可以利用光伏陣列的支架作為引下線，確保支架之間相互貫通，并且至少有10根支柱組成引下線系統(tǒng)。如此，雷電流可以通過引下線迅速導(dǎo)入地下，減少在支架上積聚的可能性。

其次，網(wǎng)狀接地裝置的運(yùn)用也至關(guān)重要。通過在地面布置網(wǎng)狀接地裝置，可以有效地對(duì)地面進(jìn)行均衡電位處理，減小地面電位差，從而減少跨步電壓的產(chǎn)生。這種裝置能夠有效地分散雷電流，減少其對(duì)地面的沖擊。

再次，可在人行通道敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層，這些材料具有良好的絕緣性能，能夠隔絕電流與地面的直接接觸，減少接觸電壓的發(fā)生。同時(shí)，瀝青層和礫石層還具有一定的厚度，能夠進(jìn)一步減少電位差，提高安全性。

最后，還應(yīng)設(shè)置明顯的警告牌，以提醒人員注意光伏陣列支柱的存在。這些警告牌應(yīng)放置在顯眼的位置，用醒目的文字和圖案標(biāo)明危險(xiǎn)區(qū)域，使人員能夠迅速識(shí)別并避免接觸。

3.3 防雷擊電磁脈沖

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的線路較為復(fù)雜，由光伏組件和系統(tǒng)元件相互連通，一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)被雷擊擊中，所產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖往往會(huì)造成設(shè)備損害、停運(yùn)檢修，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)采取有效的防雷擊電磁脈沖措施降低組件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

首先，光伏匯流箱、逆變器和配電柜應(yīng)處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。從配電柜引出的配電線路應(yīng)敷設(shè)在金屬槽盒或鋼管內(nèi)。金屬槽盒或鋼管的一端應(yīng)與配電箱和匯流排相連，另一端應(yīng)與光伏陣列相連，并就近與防雷裝置相連接。當(dāng)金屬槽盒或鋼管在敷設(shè)的過程中中間斷開時(shí)應(yīng)設(shè)跨接線。

其次，在配電柜內(nèi)開關(guān)的電源側(cè)應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器或Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，其有效保護(hù)水平Up/f應(yīng)小于配電系統(tǒng)中設(shè)備的耐沖擊電壓額定值Uw，標(biāo)稱放電電流值應(yīng)根據(jù)具體情況確定。推薦使用金屬氧化物壓敏電阻電涌保護(hù)器作為保護(hù)，其應(yīng)有電流保護(hù)裝置和劣化指示功能，并接入電氣系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

最后，當(dāng)規(guī)劃系統(tǒng)電纜路徑時(shí)，光伏陣列的布線路徑應(yīng)當(dāng)使所有導(dǎo)電環(huán)路最小化，避免出現(xiàn)大回路，以減少雷擊引起光伏陣列線路過電壓的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

沿海地區(qū)由于其特殊的地理位置和氣候條件，使得并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷顯得尤為重要。通過選用耐腐蝕材料、改善環(huán)境以延緩裝置腐蝕；利用光伏支架構(gòu)成引下線、敷設(shè)絕緣層等降低安全隱患；確保關(guān)鍵設(shè)備在接閃器保護(hù)范圍、安裝電涌保護(hù)器、優(yōu)化電纜路徑以綜合防雷等措施，可以顯著提高沿海地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷能力水平，有效發(fā)揮防雷技術(shù)在發(fā)電系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)工作中的重要作用，為氣象防災(zāi)減災(zāi)抗災(zāi)工作貢獻(xiàn)力量。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡(jiǎn)介：李紹震（1994—），男，廣東湛江人，助理工程師，研究方向?yàn)槔纂姺烙?/p>