光伏建筑一體化防雷設計

山東建筑大學熱能學院 可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室 ■ 袁茂榮

山東省雷電防護技術中心 ■ 孫忠欣 鄔銘法

一 引言

光伏發電作為一種新興的發電系統受到人們越來越多的重視，與建筑相結合的并網光伏發電成為當今光伏應用的新趨勢。根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。另一類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結合。由于光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間，是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。

光伏方陣成本較高，是光伏電站的關鍵部分。光伏方陣安裝于屋頂，高度較高，占地面積較大，增加了其遭受雷擊的概率。光伏電站還有控制器、逆變器等其他一些設備，線纜較長，容易遭受雷電感應和雷電波的侵襲。目前國家尚沒有一個單獨、嚴格的規范來明確應該如何進行避雷系統設計，為了使光伏電站能夠安全、穩定地運行，對光伏電站的防雷提出一套較完善的方案是必要的，本文將針對這一問題進行探討。

二 并網光伏發電系統原理

并網光伏發電系統原理簡圖如圖1所示。在光照下太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成光伏方陣，方陣輸出的直流電壓一般較低，如24V、48V或110V。將較低的DC通過高頻(幾千Hz到幾十千Hz)逆變為方波交流AC，通過升壓變壓器整流濾波后變為高壓(110V以上)直流DC，然后再經DC/AC逆變為所需的工頻交流電(50Hz、220V或380V)。

三 雷電的三種形式

雷電主要通過直擊雷、雷電感應和雷電波侵入3種方式對物體形成災害，一般在設計中應當分別對其加以防范。

1 直擊雷

直擊雷是帶電積云與地面目標之間的強烈放電。雷電直接擊在受害物上，產生電效應、熱效應和機械力，從而對設施或設備造成破壞，對人畜造成傷害。

直擊雷的電壓峰值通常可達幾萬V甚至幾百萬V，電流峰值可達幾十kA乃至幾百kA，其破壞性之所以很強，主要是由于雷云所蘊藏的能量在極短的時間（其持續時間通常只有幾μs到幾百μs）就能釋放出來，從瞬間功率來講，是巨大的。

2 雷電感應

感應雷的能量遠小于直擊雷，但感應雷發生的可能性遠大于直擊雷。感應雷分為由靜電感應形成的雷和由電磁感應形成的雷兩種。

靜電感應雷：當雷云來臨時地面上的一切物體，尤其是導體，由于靜電感應，都聚集起大量的雷電極性相反的束縛電荷，在雷云對地或對另一雷云閃擊放電后，束縛電荷就變成了自由電荷，從而產生很高的靜電電壓(感應電壓)，其過電壓幅值可達到幾萬到幾十萬V，這種過電壓往往會造成建筑物內的導線、接地不良的金屬物導體和大型的金屬設備放電。

電磁感應雷：雷電放電時，由于雷電流的變化率大而在雷電流的通道附近產生迅速變化的強磁場。這種迅速變化的磁場能在鄰近的導體上感應出很高的電動勢。

3 雷電波侵入

當架空線路或埋地較淺的金屬管道、線纜直接受到雷擊或因附近落雷而感應出高電壓時，感應過電壓會產生脈沖浪涌，如大量的電荷不能中途迅速入地，就會形成雷電沖擊波沿導線或管道傳播。這個傳導過電壓會影響或破壞很大范圍內與之連接的設備。

四 并網光伏電站防雷設計規范

1 防直擊雷措施

(1)接閃器的選擇

安裝于屋頂的光伏方陣，如果處于接閃裝置的保護范圍內，不可能遭到大于所選滾球半徑雷電流直接雷擊。按照規定，大于10kW的光伏設備，應設計為“III級”防雷電系統。

接閃器有避雷針、避雷線和避雷帶，應根據實際選用。根據建筑物的防雷類別，使用滾球法來確定避雷針的高度和數量。對于一般公共建筑，其屋面上的光伏方陣應按60m滾球半徑來防直擊雷。此外，還應注意保持光伏支架和避雷針之間的隔離距離。

現在的建筑屋頂，有的有避雷設施，有的沒有避雷設施。對于安裝于屋頂的光伏方陣的防雷，要充分利用和防護已有的防雷設施，既降低成本，又考慮防雷效果。

①單針型避雷針

若光伏方陣較小，可選用單針型避雷針，其保護范圍如圖2所示。

圖2中h為避雷針高度；hr為60m滾球半徑；xx'連線處的高度為hx。若光伏方陣的高度小于hx，且占地范圍小于以rx為半徑的圓形區域，則光伏方陣可以免遭直擊雷侵襲。

②雙支等高避雷針

當光伏方陣較大，單支避雷針不能有效防護時，可在被保護范圍的兩側豎立兩支等高避雷針作為接閃器，保護效果明顯優于單支避雷針。保護區示意圖如圖3所示。

③多根避雷針

當光伏方陣更大，雙支等高避雷針不能有效防護時，可采用多根避雷針作為接閃器。

④避雷線與避雷針的組合

當光伏方陣比較長，利用避雷針不能有效防護時，可采用避雷線作為接閃器。避雷線相互連通組成架空網并很好接地，引下線也可以作為接閃器的一部分。在架空網下是保護區，光伏方陣與架空網間應有一安全距離，以保證防雷效果。

當光伏方陣很大時，在屋頂安裝較高的避雷針成本較高、施工較難。考慮到實際情況，接閃器可以采用以下形式：先在屋頂四周布設避雷帶，然后在屋頂中間根據屋頂形狀組合安裝避雷線和適當高度的避雷針。用相應的滾球半徑來確定接閃器的保護范圍。

防雷等級越高，滾球半徑越小，保護范圍越小，但保護效果越好，可能進入保護區擊中被保護建筑物的雷電流要越小。防雷等級越低，滾球半徑越大，保護范圍大，但保護效果較差，實際保護范圍線是一復雜的近似圓弧線。

(2)接地系統

所有接地都要連接在一個接地體上，光伏系統的接地包括以下幾個方面。

防雷接地：為了防止各種雷引起的雷電流的損害，避雷針、避雷帶(線)以及低壓避雷器，連接架空線路的電纜金屬外皮必須可靠接地。

工作接地：為保證安全，逆變器的中性點、電壓和電流互感器的二次繞組必須接地。

保護接地：為防止出現正常情況下不帶電、而在絕緣材料損壞后或其他情況下可能帶電的情況，光伏電池組件機架、控制器外殼、逆變器外殼、配電箱外殼、電纜外皮、穿線金屬管道的外皮必須接地。

屏蔽接地：為了防止電磁干擾而對電子設備所做的金屬屏蔽必須接地。

直接雷擊會產生數百kA的電流。雷電流被接閃器引入大地時，要經由引下線、接地體而分散入地。電流經接地裝置進入大地是以半球面形狀向大地散流的，離接地體20m處，半球表面積很大，該處的電位趨于零，稱為電氣上的“地”。 由于在接地體與“地”之間存在著散流電阻，在這些區域的不同地點會有不同的電位，距離越近電壓越高。室內直流負荷設備相對遠端地一般都存在寄生電容，這些設備一端與工作接地相連，無流的遠端地與工作接地間存在電位差，因而產生差模脈沖電壓，當超過設備的容許限度時必然造成設備的損壞。單相交流負荷如空調、照明等設備的零線接在變壓器的交流地上，當雷電流沿引下線對地泄放時，變壓器的交流地和交流重復接地的電位也會升高，因此單相交流設備也同樣存在地電壓反擊的問題。

避免地電壓反擊可以使用交流過壓保護器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側、交流配電箱的地零間加裝交流過壓保護器；在直流負載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過壓保護器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護的設備安裝，避免被保護設備由于接地或電源引線過長引起脈沖反射。

光伏方陣的金屬支架每隔一段距離連接至接地系統。光伏設備和建筑的接地系統通過導體相互連接。將各個接地系統相互連接起來可以顯著減小總接地電阻。通過相互網狀交織連接的接地系統可形成一個等電位面，能夠顯著減小雷電作用在光伏陣列和建筑間連接電纜上所產生的過電壓。這樣在閃電電流通過時，室內的所有設施立即形成一個“等電位島”，保證導電部件間不產生有害的電位差，不發生旁側閃絡放電。

將防雷接地與其他接地分開，可以大大降低反擊電壓。防雷接地與其他接地在聯合接地網上的引接點距離不應小于5m，條件允許時間距宜為10～15m。當然，降低接地電阻也有利于防止反擊事故。

2 防雷電感應措施

防雷電感應主要采用等電位連接。原則上說，從外部進入建筑物的所有導電部件都必須接入等電位連接系統中，所有不帶電的金屬部件直接連接到等電位系統。

不帶電的金屬部件分為室外和室內兩種情況。處于室外的太陽電池板四周鋁合金框架與支架、接地線等要可靠連接，使光伏方陣形成一個相等的電位，以防光伏方陣遭到雷電感應侵襲。處于控制機房內的全部金屬物品，包括各種設備、各個機架、所有金屬管道及電纜的金屬外皮都要可靠接地，每件金屬物品都要單獨接到接地干線，不允許串接后再接到接地干線上。

帶電部件(如電纜)則通過安裝電涌保護器間接接入等電位連接系統。等電位連接最好在建筑物入口附近執行，以防部分雷電流侵入建筑物。低電壓供電系統可用多極復合型雷電流和電涌保護器保護。

3 防雷電波侵入措施

由于雷電波(雷電浪涌)侵入造成控制機房內的控制器或逆變器遭損壞的概率最大，所以必須對雷電波侵入進行防護。

光伏發電系統的雷電浪涌入侵路徑除了光伏陣列到機房的引入線外，還有配電線路、接地線以及架空進入室內的金屬管道和電纜。從接地線侵入是由于附近的雷擊使大地電位上升，使得大地電位比電源高，從而產生從接地線向電源側的反向電流。

光伏陣列到機房的引入線是雷電波侵入的主要途徑。為此，可以采取多級防護措施進行保護。在電池陣列的主回路內分散安裝避雷元件，在接線箱內也安裝避雷元件；保證接線箱與控制柜間距大于10m；在光伏陣列和逆變器之間的每根引入線上加裝防雷器。

在控制器、逆變器內安裝防雷元器件；在逆變器與配電柜之間安裝低壓閥式避雷器或浪涌保護器。

對從低壓配電線侵入的雷電浪涌，通過安裝在配電盤中的避雷元件應付。在雷雨多發的地域，在交流電源側安裝耐雷變壓器更加安全。

對供電線路、傳輸電纜和架空線路，可在線路上安裝金屬氧化物避雷器，要在每條回路的火線和零線上裝設。對架空進入室內的金屬管道和電纜的金屬外皮要將它們在入口處可靠接地，沖擊接地電阻值不得大于30Ω。接地最好采用電焊的方式，若做不到電焊也可采用螺栓連接。

五 結語

隨著太陽能光伏并網發電產業的不斷發展，對這一產業的技術要求也越來越高，形式也越來越多樣化。本文探索的科學防雷措施是為光伏發電系統正常運轉的提供了參考依據。防雷措施需根據所在地區的氣象條件、建筑物和光伏方陣的特點進行綜合考慮，這需做更多詳細的工作。避雷裝置詳細介紹，有利于在太陽能光伏并網發電系統的應用，更具廣闊的市場應用前景和重要的科學研究意義。現在的光伏電站的防雷措施尚缺乏統一的國家標準，企業很需要在光伏電站的防雷方面設定具體的標準，以便光伏電站的順利建設。

[1] GB 50057-1994, 建筑物防雷設計規范（2000版）[M].北京:中國計劃出版社, 2001.

[2] 沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京: 化學工業出版社, 2005: 109-110.

[3] 洪元頤,李宏毅.建筑工程電氣設計[M].北京: 中國電力出版社, 2003: 627－628, 646－647.