淺談“非主流”光伏技術(shù)（七）：聊聊打雷

我們都見(jiàn)過(guò)打雷，但是很少見(jiàn)過(guò)雷電直接造成的危害，特別是在城市里。主要是因?yàn)槲覀兊慕ㄖ锒及惭b了防雷設(shè)備。雷電多發(fā)生于山區(qū)，土壤電阻率突變和潮濕陰冷的地方以及孤立高聳地物。這些地方往往也是我們可以放置光伏電站的地方。

在雷電發(fā)生時(shí)，不管是感應(yīng)雷，還是直擊雷，都會(huì)有可能對(duì)孤立的電站發(fā)生巨大的雷擊現(xiàn)象。 對(duì)于并網(wǎng)的光伏電站，不僅會(huì)造成太陽(yáng)能組件和逆變器造成毀壞，而且會(huì)造成電網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。 太陽(yáng)能組件和逆變器及其他電氣設(shè)備的造價(jià)昂貴，在整個(gè)投資中，占有絕對(duì)大的比例。如果遭受雷擊，帶給光伏發(fā)電系統(tǒng)的不僅僅是經(jīng)濟(jì)的損失，更重要的關(guān)系到國(guó)民生計(jì)和國(guó)家安全的保證。 如果光伏組件遭到雷擊，會(huì)造成該組組件發(fā)電功率降低，總發(fā)電量就會(huì)減少，經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)下降。如果逆變器遭到雷擊，也有可能損壞， 帶來(lái)的后果是總投資額會(huì)增大，同時(shí)后期設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用也將使總投資額增加。最終造成光伏發(fā)電站的投資達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)的時(shí)間延后和投資回收期的延長(zhǎng)。所以在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)，必須注意防雷接地的合理性，做到減少最大損失，做到防患于未然。

1．雷擊密度（雷擊率）

文獻(xiàn)《不同方法確定的雷擊密度對(duì)防雷分類(lèi)的影響》中國(guó)家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057—2010）提供了參考公式

Ng＝0．1Td

該公式中Td為氣象數(shù)據(jù)中的雷暴日，比如一個(gè)地區(qū)的打雷天數(shù)為80天／年，

Ng＝0．1＊80＝8次／Km2．這就叫雷擊密度。雷擊密度又有什么用呢？

1平方公里折算后約為1500畝，江浙地區(qū)按照30度傾角使用1640＊992的組件，大約能建設(shè)65兆瓦左右的光伏電站（22畝／兆瓦）。組件的投影面積約占實(shí)際利用面積的50％計(jì)算。組件占地面積0．5平方公里。

A＝實(shí)際占地面積＋6H（L＋W）＋9πH2

A為受雷擊面積，L、W為組件陣列的長(zhǎng)和寬，H為海拔高度。

假設(shè)江浙某地雷雨天氣為40天，雷擊密度為4次／Km2。海拔高度為正負(fù)零，受雷擊面積為0．5平方公里，則該光伏電站受雷擊次數(shù)為2次每年。

如果該光伏電站建設(shè)在山區(qū)，海拔高度為100米時(shí)，

A＝500000＋6＊100＊1400＋9＊3．14＊10000＝1．6平方公里

則該光伏電站受雷擊次數(shù)為6．4次每年。由此計(jì)算結(jié)果可知，山地高海拔地區(qū)被雷擊的次數(shù)相對(duì)較大，在工程選址時(shí)需要仔細(xì)計(jì)算。

2．雷電形成和危害

夏季，自然界由于高溫，水分的蒸騰作用加強(qiáng)，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)旺盛。溫?zé)岬目諝獗粡?qiáng)大的上升氣流推到空中遇冷形成濃積云。雷雨云是所有類(lèi)型云中最為活躍的一種，在厚厚的云層中存在著大量的正負(fù)電荷，正電荷和負(fù)電荷分離形成巨大的電偶極子，或多極子。云層中大量的正電荷位于云層的頂部，大量的負(fù)電荷位于云層的中下部，少量的正電荷在云層的底部。天上的積云上升受到地面上升的熱氣流不斷的沖擊，會(huì)發(fā)生電離而產(chǎn)生強(qiáng)大的電荷。某些云團(tuán)帶正電荷，某些云團(tuán)帶負(fù)電荷，它們使大地地面或建筑物表面產(chǎn)生異性電荷，當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)，不同云團(tuán)之間、或云與大地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度可以擊穿空氣（E＝25～30KV／cm），開(kāi)始游離放電，稱(chēng)之為“先導(dǎo)放電”，云對(duì)地的先導(dǎo)放電是云向地面跳躍式逐漸發(fā)展的，當(dāng)?shù)竭_(dá)地面（或地面上的建筑物、架空輸電線(xiàn)）時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生由地面向云團(tuán)的逆導(dǎo)主放電，在主放電階段里，由于異性電荷的劇烈中和，會(huì)出現(xiàn)很大的電流，電流做功的結(jié)果，可使電流通過(guò)地方的氣體瞬間溫度升高到30000℃左右，從而呈現(xiàn)強(qiáng)烈的火光，這就是閃電，同時(shí)迅速加熱的閃電通道各部分氣體急劇膨脹，強(qiáng)烈壓縮附近的大氣層產(chǎn)生沖擊波，沖擊波退化時(shí)的聲發(fā)射，這些聲沖擊波相互疊加，形成轟轟雷聲，這就是雷電。打雷下雨時(shí)會(huì)和地面之間發(fā)生放電現(xiàn)象，與地面上的比較高的建筑物、戶(hù)外通訊設(shè)施等接觸，就可能產(chǎn)生電擊，形成雷擊。

一般情況下（80％—85％的情況），單次雷擊不能將雷云電荷完全釋放掉。一個(gè)雷閃通常包含多個(gè)（幾個(gè)）雷擊，而不是一個(gè)單一的雷單次雷擊形成一個(gè)先導(dǎo)放電，在持續(xù)平均約60ms（一般為幾毫秒到幾百毫秒）的暫停后，另一個(gè)先導(dǎo)，即直竄先導(dǎo)，在同一通道連續(xù)（而不是逐級(jí)）傳播，速度為1000—10000km／s。這種直竄先導(dǎo)沒(méi)有分支，沿著第一支回?fù)粜纬傻耐ǖ婪聪騻鞑?，產(chǎn)生第二次回?fù)簦瑯拥倪^(guò)程一般會(huì)重復(fù)3—5次，在單個(gè)負(fù)極性雷閃中記錄到26次回?fù)簟?/p>

2005年揚(yáng)州儀征化纖公司遭雷擊雷擊經(jīng)濟(jì)損失3000萬(wàn)元以上。2006年淄博恒臺(tái)縣博匯集團(tuán)電廠(chǎng)變電站遭雷擊，雷災(zāi)造成經(jīng)濟(jì)損失2070萬(wàn)元。對(duì)于光伏電站，雷擊是必須重視的自然災(zāi)害影響。

3．雷擊對(duì)光伏廠(chǎng)的影響以及預(yù)防

雷擊有直擊電、雷電感應(yīng)和雷電波等三種入侵方式。直擊電就是地面與帶電云間產(chǎn)生的放電反應(yīng)，其電壓在瞬間可能達(dá)到上萬(wàn)伏。電流可達(dá)幾十安培．破壞性相當(dāng)強(qiáng)。因?yàn)槠涫潜焕自扑查g釋放，能量巨大。雷擊很容易破壞室內(nèi)安裝的太陽(yáng)電池。還會(huì)對(duì)周?chē)脑O(shè)備造成不同程度上的損壞，影響巨大。針對(duì)雷電對(duì)光伏電場(chǎng)區(qū)造成的巨大影響，一般采用等電位鏈接、隔離法和加裝保護(hù)器等三種方法避免雷電可能會(huì)造成的危害。

在現(xiàn)階段防雷措施中．最為有效也是最為廣泛的方法就是把電氣設(shè)備金屬部件與大地相連。接地系統(tǒng)由四部分組成．即接地設(shè)備、接地體、引入線(xiàn)和大地。良好接地是防雷措施成功的重要基礎(chǔ)。主要的接地方式有以下三種。

3．1 共體接地

接地體具體安裝過(guò)程是在地上挖一個(gè)直徑約30cm的洞．并且在洞底鋪設(shè)一些食鹽，再將接地體放人其中。使用PVC管罩住接地體，然后把接地體周?chē)?/p>

的空隙使用泥土進(jìn)行填滿(mǎn)并壓實(shí)。最后在上面放上碎石子進(jìn)行澆水加固。使用同樣的方法將其他接地體接地。形成等腰三角形的布局，再使用35mmz的銅線(xiàn)連接。形成光伏電場(chǎng)內(nèi)部的一個(gè)接地體。這種接地可以使光伏發(fā)電場(chǎng)所有的金屬部件有效接地。這種方法還不需要埋設(shè)很多個(gè)接地體就可以解決接地問(wèn)題。而且還有效地把電阻值控制在4n以?xún)?nèi)。光伏電場(chǎng)中所有設(shè)備的金屬殼、避雷裝置以及電池板的金屬架、逆變器等眾多設(shè)備都能直接連在同一個(gè)接地體上。在沒(méi)有雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)可以單純作為接地保護(hù)和零線(xiàn)。一旦發(fā)生雷擊時(shí)就可以當(dāng)作防雷接地裝置使用。

3．2 單體接地

一些區(qū)域內(nèi)由于地理環(huán)境的影響。光伏電場(chǎng)內(nèi)部的電桿經(jīng)常會(huì)遭受到雷擊。并且雷擊的位置相對(duì)固定，不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。針對(duì)這些特殊的電桿，要單獨(dú)安裝避雷裝置。埋設(shè)相應(yīng)的接地體，就可以有效防止雷擊現(xiàn)象的發(fā)生，接地體通常會(huì)使用長(zhǎng)度約2m的鍍鋅角鋼或扁鋼。

3．3 組合接地

組合接地由多個(gè)接地體組成．通常以環(huán)形或方形放射狀以及其他形式進(jìn)行安裝布局。接地體成環(huán)形布置時(shí)，要保證環(huán)線(xiàn)不能有開(kāi)口，這是為了降低相互屏蔽作用。兩個(gè)相鄰接地體之間的實(shí)際具體不能小于3m。接地體的上端要使用鍍鋅的角鋼加固，距離地面要小于1m。

3．4 防雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖沒(méi)有直擊雷強(qiáng)烈，但是發(fā)生概率卻非常高，目前常采用的防護(hù)措施主要有等電位連接、屏蔽和加裝電涌保護(hù)器。為了減小不同金屬物之間的電位差和故障電壓危害，太陽(yáng)能電池板的四周鋁合金邊框和金屬支架，控制器、匯流箱、逆變器的金屬外殼，金屬管（槽）線(xiàn)纜的金屬屏蔽層及避雷帶等應(yīng)根據(jù)GB50057的規(guī)定采取良好的等電位連接措施。為減少電磁干擾，太陽(yáng)能電池板的入戶(hù)線(xiàn)路應(yīng)以合適的路徑敷設(shè)并做好線(xiàn)路屏蔽。線(xiàn)纜應(yīng)選用有金屬屏蔽層的電纜并穿金屬管敷設(shè)。在防雷區(qū)界面處電纜金屬屏蔽層及金屬管（金屬管應(yīng)兩端接地）應(yīng)做等電位連接并接地。入戶(hù)線(xiàn)路和防雷連接線(xiàn)需分開(kāi)敷設(shè)，保持最小平行間距1m，最小交叉間距0．3m。為了防止雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的過(guò)電壓及過(guò)電流經(jīng)入戶(hù)線(xiàn)路侵入損壞室內(nèi)的光伏發(fā)電設(shè)備，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的線(xiàn)纜應(yīng)加裝多級(jí)防浪涌保護(hù)裝置進(jìn)行防雷保護(hù)。首先，應(yīng)該在太陽(yáng)能電池方陣的直流輸入線(xiàn)路安裝直流避雷器，根據(jù)線(xiàn)路長(zhǎng)度和工作電壓選用標(biāo)稱(chēng)放電電流≥10kA適配的SPD該浪涌保護(hù)器內(nèi)部應(yīng)包括差模濾波器，以幫助消除線(xiàn)路上傳導(dǎo)的電磁干擾，在光伏電站的交流輸出供電線(xiàn)路上安裝交流避雷器。其次，由于控制器和逆變器均為價(jià)格昂貴的設(shè)備，應(yīng)在控制器和逆變器內(nèi)安裝第2級(jí)的電源浪涌保護(hù)器，使其具有防雷保護(hù)功能。如果逆變器輸出到一些較重要的負(fù)載設(shè)備，還應(yīng)該在逆變器輸出端安裝第3級(jí)電源浪涌保護(hù)器。電源系統(tǒng)和電子系統(tǒng)安裝多級(jí)SPD時(shí)還需考慮多級(jí)匹配問(wèn)題。

4．結(jié)論

雷電會(huì)對(duì)建筑物及電氣設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。在獨(dú)立光伏電站的防雷設(shè)計(jì)中。應(yīng)當(dāng)選擇合理的設(shè)計(jì)方案，采取有效的措施．做好獨(dú)立光伏電站的防雷設(shè)計(jì)。防止直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波對(duì)獨(dú)立光伏電站設(shè)備的破壞，這樣才能保證獨(dú)立光伏電站長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、可靠地運(yùn)行，為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的電能。

【1】高峰 光伏電站的防雷接地技術(shù)［期刊論文］ － 商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展 2014（8）

【2】李?lèi)饜?簡(jiǎn)要探討太陽(yáng)能光伏電站的防雷接地設(shè)計(jì)［期刊論文］ － 城市建設(shè)理論研究（電子版） 2014（7）

【3】傅智斌．汪洋．黃遠(yuǎn)．盧敏．Fu Zhibin．Wang Yang．Huang Yuan．Lu Min 不同方法確定的雷擊密度對(duì)防雷分類(lèi)的影響［期刊論文］ － 氣象與減災(zāi)研究 2013（1）

【4】叢義宏．謝鵬 光伏電場(chǎng)區(qū)域防雷接地技術(shù)［期刊論文］ － 自動(dòng)化應(yīng)用 2015（10）

作者張喆