大規模光伏電站的防雷評估及雷擊風險管理

張 杰，胡媛媛

（國網電力科學研究院，湖北 武漢430074）

0 引 言

近年來，隨著大規模光伏電站的不斷建設和投入運行，光伏戶外場的防雷問題得到日益廣泛的重視。例如，一個100MW級的大規模光伏電站的光伏陣列戶外場占地面積一般達二十多平方公里，在如此大的空曠暴露區域，雷擊危害越來越成為光伏發電系統重要的事故隱患。其雷擊感應過電壓不僅損害光伏電池陣列，而且往往經過直流輸出電纜傳遞到光伏并網逆變器的端口，引起的沖擊電壓可能會對逆變器造成危害。

一般而言，光伏變電站的雷電危害主要有直擊雷、雷擊感應過電壓、地電位反擊和靜電感應這幾種。由于光伏電池板一般比較低，不超過幾米，靜電感應產生的過電壓危害比較小，一般情況下可以忽略。依照現有的防雷接地標準和技術規范下進行合理的等電位接地，雷擊產生的地電位反擊危害可以得到很大的控制，不至于損壞光伏并網逆變器。不僅僅光伏電池板的直擊雷可以產生雷擊感應過電壓，而且云層的雷電和雷擊大地均會產生雷擊過電壓。相對于直擊雷而言，雷擊感應過電壓產生的機率更大，危害也會更嚴重。

早在1990～1993年，國外就已開始光伏電站雷擊感應過電壓的研究，并使用大電流的沖擊電流源（imax≤100kA，di／dt≤50kA／μs）對光伏電池板（面積為50cm×40cm）進行模擬雷擊感應過電壓試驗。試驗表明，光伏電池板的金屬邊框產生的雷擊感應電流可以降低光伏電池板的伏安特性，而且這種情況對于無邊框的光伏電池板更加嚴重［1，2］。到了1998～2000年，歐洲建成了更強大的沖擊電流發生裝置，并借此對更大面積的光伏電池陣列重復了更大電流的雷擊試驗［3，4］。試驗結果進一步驗證了之前的結論。

盡管歐洲進行較多的光伏電站模擬雷擊試驗，并給出了一些非常有成效的防雷措施和方法，但就光伏電站雷擊現象的計算和仿真卻相對較少，特別是雷擊感應過電壓的計算。光伏電站發生雷擊時產生的雷電沖擊電流伴隨著相應的瞬態強磁場，在電池串的模塊內部和外部連接環內產生很強的感應電壓，危害整個光伏系統的安全。

本文對光伏電站戶外場的雷擊產生的電磁脈沖感應過電壓以及雷電波入侵進行仿真計算研究。首先建立雷電電流波的數學模型，根據雷電流的特征參數推出雷電流的數學表達式，得到雷電沖擊電流產生的瞬態電磁場分布。計算單個光伏電池板上的雷擊感應電壓，在此基礎上考慮金屬邊框和背面鋁制屏蔽層的影響，并通過有限元分析方法得到金屬邊框的衰減因子，分別計算出帶金屬邊框和不帶金屬邊框的光伏電池板雷擊感應電壓大小。將計算數據和試驗數據進行對比，證實上述分析計算方法的可行性和有效性。以雷電沖擊電流在單個光伏電池板的電磁場感應電壓分析為基礎，計算不同雷擊點時整個光伏陣列串產生的最大感應電壓，并給出光伏電池串雷擊感應電壓，以及雷電波危害的防雷措施。

1 雷電流波形及特征參數

雷電流的數學模型是研究雷電的重要內容之一。由于雷電的產生具有很大的隨機性，且與地質結構、土壤電阻率等有很大關系。通過雷電流波形可以得到有關雷電流的特征參數，如峰值電流、電流上升率、峰值時間、半峰值時間等。

（1）峰值電流：典型值為20kA左右，變化范圍為2kA～200kA；

（2）電流上升率：典型值為10kA／μs左右，變化范圍為1kA～10kA／μs；

（3）峰值時間：典型值為2μs左右，變化范圍為1～30μs；

（4）半峰值時間：典型值為40μs左右，變化范圍為10～250μs。

針對上述雷電流特征，本文分析了三種雷電流數學模型，如雙指數函數形式、Heidler函數（IEC推薦雷電流解析表達式）和脈沖函數形式。為了便于進行電磁場分析計算，本文還采用了一種簡化的雷電流電磁場分析形式。

2 雷電流的數學表達形式

為了進一步對雷電進行預測，用簡單的雷電流數學表達式來描述典型的雷電流波形。

（1）雙指數函數形式

（2）Heidler函數形式

國際電工委員會（IEC）在IEC 1312－1中規定供分析用的雷電流解析表達式如式（2）所示，適用于首次雷擊和后續雷擊的雷電流。

式中，I0為峰值電流，η為峰值電流修正系數，取η≈1，ks＝t／ζ1，n為電流陡度因子，取n＝10。

（3）脈沖函數形式

在利用上述兩種數學形式的雷電流模型進行電磁場計算分析時，都涉及到復雜的重積分運算。雙指數函數在t＝0時沒有連續的一階導數，而Heidler函數又沒有明顯的積分式。為了克服上述困難，有人提出用如下的脈沖函數形式來擬合雷電流的電流波形。

作為計算雷擊感應過電壓的雷電沖擊電流，其感應電壓的大小往往和雷電流的電流上升率相關，因此較陡的波頭上升沿將更直接影響到閉合回路感應電壓的大小。

根據建筑物防雷設計規范國家標準GB50057－1994選取10／350μs的雷電流波形作為首次雷擊雷電流If（如圖1），選取0.25／100μs的雷電流波形作為首次以后雷擊的雷電流Is（如圖2）。

圖1 首次雷擊的雷電流波形圖

為了進一步簡化雷電流的數學表達形式，根據IEC 62305－4的雷擊電流規定，將首次雷擊雷電流If產生的磁場Hf表征為頻率25kHz，最大值 Hf（max）的衰減振蕩場，后續雷擊電流Is產生的磁場Hs表征為頻率1MHz，最大值 Hs（max）的衰減振蕩場。其首次以后雷擊的雷電流模型表達式為：

圖2 首次以后雷擊的雷電流波形圖

3 單個光伏電池板上的雷擊感應電壓

大規模光伏電站戶外場一般為LPZ0A區或LPZ0B區，其雷擊點往往在避雷針或光伏電池板邊框處。假設雷電流為垂直于地面的的無限長直導體通以時變電流Is（t），首先將電流Is投影到沿電池板平面，如圖3所示，則雷電流沿電池板平面的電流分量It為

折算后雷電流在光伏電池板上產生的等效結構如圖3所示。此時，垂直于光伏電池板的磁感應強度B（t）為

對光伏電池板的磁感應強度B（t）進行積分，可以得到如圖3（b）所示導線框的磁通量，并推出感應電壓為

圖3 雷擊光伏電池板示意圖

對于固定式光伏電池陣列而言，其雷擊點往往在光伏電池板的頂部。對典型光伏電池板進行建立等效電路模型，對光伏電池板內部包含的各個導線框進行相應的感應電壓計算，然后得到整個光伏電池板的出口處感應電壓。

由圖4所示，光伏電池板由多塊太陽能電池硅片串聯組合而成，其端口感應電壓可以近似等于光伏電池板包圍的三個等效導線框產生的感應電壓之和。為了簡化計算，將三個等效導線框等效為以中心對稱的一個等面積的導線框，可以得到端口輸出的電壓。

圖4 光伏電池板的內部等效面積

式中，三個導線框的高度分別為b1＝b2＝b3＝b0，且導線框距雷擊點的距離分別為hij＝r0＋（1／2＋j）hpv＋iHpv。忽略乘積的高次項，則有

在HPU?hPU的前提下，三個導線框產生的感應電壓可以由一個居中的等面積的導線框產生的感應電壓得出，即

從上述分析可以看出，雷擊感應電壓的大小正比于雷電流幅值和電流變化率，并且與光伏電池板的擺放角度有關。與雷擊電流方向垂直的光伏電池板的感應電壓為零，與雷擊電流方向平行時，光伏電池板的感應電壓最大。

4 金屬邊框的衰減因子分析及其它影響因素

為了防止水的滲透，光伏電池板往往采用鋁合金框架進行封裝，并且一般均采用金屬邊框接地的方式減小直擊雷和雷擊電磁場產生的感應過電壓。在這種情況下閉合的金屬邊框會產生感應短路電流，從而減小導線框的內部磁場強度和感應電壓。金屬邊框的感應短路電流大小由閉合回路的感應電壓以及相應的回路電抗決定，其回路電抗包括回路阻抗和回路感抗，金屬邊框的數學模型如圖5所示。

圖5 金屬邊框等效模型

在上述計算分析的基礎上建立如圖5所示的金屬邊框模型，假定雷電流為通以雷擊沖擊電流I的無限長直導體時，與金屬邊框之間的互感系數為

當通電導體為有限長度時，電流產生的磁感應強度為

有限長導體與金屬邊框的互感系數為

通過計算，在上述光伏電池板參數條件下，垂直地面的雷電沖擊電流在光伏電池板金屬邊框內感應出366A的環流電流。

金屬邊框的環流電流可以減小光伏電池板導線框的內部磁場，然而這種影響很難通過數學解析的方法進行推導。因此，本文采用有限元方法分析金屬邊框對輸出感應電壓的影響。為了對比無金屬邊框和有金屬邊框對不同光伏電池板的影響，本文定義光伏電池板的邊框衰減因子RF為兩者感應電壓的比值，邊框衰減因子RF決定于光伏電池板的類型以及模塊與雷擊電流之間的距離。

通過有限元仿真軟件Ansoft的仿真有金屬邊框和無金屬邊框的光伏電池板，在相同的雷點沖擊電流（20kA峰值電流和20kHz頻率）下，計算距雷擊點1m外的光伏電池板端口感應電壓的峰值分別為42V和11V，其邊框衰減因子為3.8左右。

國外已對光伏電池板的邊框衰減因子進行過大量的試驗研究，結果表明，金屬邊框能對光伏電池的感應雷擊電壓產生明顯的降低作用，其典型值為3～5之間。某些采用內部補償邊框太陽能組件的光伏電池板的邊框衰減因子更低，一般為普通光伏電池板的邊框衰減因子的一半。

光伏電池板的雷擊感應電壓除了受上述因素的影響外，以下幾種因素也會對其產生影響。

4.1 電池板背面鋁箔

為了進一步降低光伏電池的感應電壓，本文考慮了太陽能電池組件背面鋁箔對感應電壓的影響。從國外在背面鋁箔對感應電壓衰減情況的研究數據可以看出，鋁箔的使用可以將在同等條件下的感應電壓衰減到1／3～1／2，即衰減因子為2～3。同時，鋁箔會導致太陽能電池組件降低沖擊電壓耐受能力，因此往往在鋁箔和金屬邊框之間留有足夠的絕緣距離保證光伏電池組件的沖擊電壓耐受水平。

4.2 旁路二極管

在陰雨天氣或陰影遮擋情況下，光伏電池板的直流輸出能力會急劇下降，往往采用旁路二極管的辦法來保證光伏電池串的電壓輸出。當承受過大的反向過壓或瞬態電流時，旁路二極管可能發生損壞并短路，多路光伏電池串并聯會使得這種情況更加危險。目前的光伏電池板往往采用反向耐受電壓為1 000V以上的旁路二極管，另外光伏電池串的并聯過電流保護裝置也會被采用。同時，反向承壓的旁路二極管的結電容會使得光伏電池串電壓端口輸出電壓略有升高，不過與電池板瞬態感應電壓相比可以忽略不計。

4.3 鄰近光伏模塊的金屬邊框影響

在相同的條件下，特定光伏電池板的感應電壓還受到附近光伏電池板金屬邊框環流電流的影響。與光伏電池板自身金屬邊框環流電流的影響不同，鄰近光伏電池板的金屬邊框中產生的環流電流會起到感應電壓增強的作用。實驗測量到光伏陣列中的感應電壓一般是單個光伏電池板感應電壓的兩倍。

4.4 光伏模塊的承壓耐受能力

普通光伏電池板往往由若干光伏電池組件構成，每個光伏電池組件又是由若干光伏電池單元串聯而成，如圖6所示。盡管每個光伏電池硅晶單元能提供不超過0.5～1.2V的電壓，其耐受電壓也受硅晶PN結最高耐受電壓的限制，因此光伏電池組件的耐受電壓也隨著硅晶串聯單元級數而增大。以西門子太陽能電池模塊SM55為例，由36個單晶硅單元組成兩個單元串聯結構（額定輸出17V／55W），能夠承受的最大系統電壓為1 000V／ISPRA和600V／UL1703。

圖6 光伏電池硅晶單元及串聯結構示意圖

由上述多個光伏電池組件串聯而成的光伏電池板的最大耐受系統電壓可達好幾千伏。另外，光伏電池板的雷擊感應電壓同時還受光伏硅晶單元的連接方式影響，通過硅晶單元連接方式的改變使得內部不同導線框產生的感應電壓極性相反，從而大大降低光伏電池板的端口感應過電壓輸出。

4.5 整體衰減因子

綜合上述光伏電池板電磁感應電壓的各種影響因素，可以得到光伏電池板的整體衰減因子RZ

式中，RF為金屬邊框衰減因子；RAl為背面鋁箔衰減因子，RPU為光伏電池板單元連接及其他綜合影響因子。其中，無補償繞組的光伏電池板衰減因子RPU可以近似等于1。

光伏電池板的各衰減因子會產生相關影響，因此在很多場合其整體衰減因子完全等于式（16）所示的各衰減因子乘積。經試驗驗證，僅僅金屬邊框的普通光伏電池板整體衰減因子為3～5，背面鋁箔的光伏電池板的整體衰減因子可達7～10。如果考慮到單元連接方式補償的影響，電池板的整體衰減因子可以再乘以1.5～2倍的系數。

5 光伏系統的感應電壓計算

典型的單晶硅多晶硅的光伏電池板（1 640mm×990mm）由60塊太陽能電池硅片串聯而成，每塊太陽能電池大小為156mm×156mm。光伏電池板的外框為金屬邊框，金屬邊框和內部太陽能電池硅片之間的距離為25mm。根據上面光伏電池板參數，分別以100kA，10／350μs和25kA，0.25／100μs的標準雷電沖擊電流源計算無金屬邊框的單塊光伏電池板的雷擊感應電壓值，其數值計算結果如圖7所示。

圖7 感應雷擊電壓波形及與距離之間關系

可以看出，光伏電池板最大感應電壓出現在雷擊初始時刻，其幅值由最大雷擊電流上升率決定。其中，帶金屬邊框和不帶金屬邊框的光伏電池板的雷擊感應電壓的計算值和測量值如表1所示。

表1 不同距離的光伏電池板感應電壓／V

從表1相同條件下的試驗結果和計算結果的對比可以看出，本文對不同距離光伏電池板的感應電壓計算結果與試驗數據能較好的吻合，從而驗證了雷擊感應電壓計算方法的準確性和有效性?；诒疚年P于感應電壓計算公式，表1還對不同電流上升率的雷擊感應電壓進行計算，預測不同電流變化率下的光伏電池板感應電壓?？紤]到光伏電池板的實際耐受電壓水平受串聯硅晶和旁路二極管耐壓水平的限制，一般超過2 000V，由表1可以看出，雷擊點距離邊框0.5m以上產生的雷擊感應電壓一般不會對光伏電池板產生直接的感應電壓損害。而更遠處電池板的感應電壓則隨著距離增大而進一步降低，其感應電壓影響可以忽略不計。

除了各光伏電池板感應電壓之和，如圖8所示的光伏陣列串產生的感應電壓還應該包括光伏電池串連接電纜包圍面積產生的感應電壓。

圖8 光伏電池陣列排布方式

6 結 論

大規模光伏電站戶外場的雷擊危害，比傳統的建筑物防雷有更大的危害和不同點。與直擊雷相比，感應雷不僅僅來源于雷擊邊框，而且對大地和避雷針等產生的雷擊電流也會產生很強的電磁場和雷擊感應電壓，此外云層間放電也會產生一定的感應電壓。

建立雷電流模型，對現有光伏電池板進行參數分析，給出光伏電池板模型，計算不同雷擊距離下光伏電池板感應的雷擊過電壓大小。對光伏電池板的感應電壓影響因素和相應的感應電壓衰減因子進行分析，綜合評估光伏電池板的整體衰減因子。以國外感應電壓試驗數據為基礎，給出相同條件下的計算值，其對比結果證明了計算方法的有效性和準確性?？梢钥闯?，金屬邊框和背面鋁箔屏蔽等措施能大大降低光伏電池板的感應電壓。同時，雷擊點與光伏電池板的距離對感應電壓有著很大的影響，距離超過1m之外的感應電壓影響可以忽略不計。

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