太陽能光伏建筑雷電防護(hù)問題研究

郭福雁，王 寧

(天津城建大學(xué) 控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

能源與機(jī)械

太陽能光伏建筑雷電防護(hù)問題研究

郭福雁，王 寧

(天津城建大學(xué) 控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

光伏建筑是光伏發(fā)電技術(shù)與建筑技術(shù)的結(jié)合，既是光伏應(yīng)用的新趨勢，也是綠色建筑的新發(fā)展．由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能光伏板安裝在建筑物的屋頂，占地面積大，安裝高度高，因此，其遭受雷擊的概率較一般建筑雷擊概率高．而且，構(gòu)成光伏系統(tǒng)的各部分組件間的連接線纜長，極易遭受雷擊電磁脈沖的襲擊，損壞系統(tǒng)中的核心部件．因此，設(shè)計(jì)、安裝一套安全、可靠、完善的雷電防護(hù)措施對太陽能光伏建筑非常重要．

光伏建筑；雷電防護(hù)；直接雷擊；雷電感應(yīng)；雷擊電磁脈沖

不斷探索新能源，解決能源危機(jī)是建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的新目標(biāo)．光伏建筑因其節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，可滿足城市建筑節(jié)能和環(huán)保的需求，成為太陽能應(yīng)用的新潮流．光伏建筑較其他普通建筑更容易遭受雷擊，且雷擊事故一旦發(fā)生，造成的損失將更大．一方面，安裝在建筑物屋頂上的光伏方陣容易遭受雷擊；另一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的線纜也容易遭受雷電感應(yīng)和雷電波的侵襲；最后，光伏方陣成本較高，且逆變器的修理費(fèi)用昂貴．然而，目前國家還未出臺專門針對太陽能光伏建筑防雷設(shè)計(jì)方面的規(guī)范來明確應(yīng)該如何進(jìn)行防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)．因此，做好光伏建筑雷電防護(hù)工作是亟待解決的重要問題．在設(shè)計(jì)和施工的過程中，應(yīng)合理地確定防雷設(shè)計(jì)方案并選擇實(shí)用、安全的防雷保護(hù)措施，既可實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)，又可實(shí)現(xiàn)對建筑物及其內(nèi)部人員與設(shè)備的雷電防護(hù)，從而降低雷擊事故帶來的損失．

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏板、控制器、蓄電池組和逆變器是構(gòu)成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部分，其基本構(gòu)成如圖1所示[1]．

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成

2 光伏建筑的類型及優(yōu)點(diǎn)

2.1 光伏建筑的類型

目前，光伏建筑主要有兩大類，一類是 BAPV (building attached photovoltaic)，即以建筑物為載體，光伏方陣依附于建筑物上，使建筑物成為光伏方陣的支撐；另一類是 BIPV(building integrated photovoltaic)，即將光伏組件作為建筑材料，與建筑物集成在一起，成為建筑不可分割的一部分．這兩種不同的結(jié)合方式中，將光伏方陣安裝于建筑物的屋頂，是最為常見的一種建筑形式．因其節(jié)約占地空間，且便于施工，因此成為光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合的最佳方式[2]．

2.2 太陽能光伏建筑一體化的優(yōu)點(diǎn)[3]

(1)太陽能光伏發(fā)電屬于清潔、綠色、可再生的能源，無污染、能源質(zhì)量高．而且，太陽能是取之不盡，用之不竭的免費(fèi)能源．

(2)太陽能光伏板一般安裝在建筑物屋頂或外墻上，不會占用額外的土地資源，尤其適用于土地資源緊張的城市建筑，可實(shí)現(xiàn)綠色建筑的“節(jié)地”目標(biāo)．

(3)光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可減少建筑外墻及屋面得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，有效降低室外綜合溫度，從而實(shí)現(xiàn)綠色建筑的“節(jié)能”目標(biāo)．

(4)太陽能光伏系統(tǒng)安裝方便、聯(lián)系簡單，維護(hù)保養(yǎng)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，使用壽命長．而且將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，既可節(jié)省投資，又可充分利用光伏系統(tǒng)自身所發(fā)出的電能．

3 雷擊光伏建筑的四種形式

設(shè)有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑在遭受雷擊時(shí)，雷電放電和上游電源系統(tǒng)的開關(guān)操作產(chǎn)生感性或容性的耦合電壓．雷電引起的電涌可能會造成光伏模塊和逆變器的損壞，這將對光伏系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響．因此，對于設(shè)有光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑而言，從其結(jié)構(gòu)分析可知，雷電侵入光伏建筑的主要途徑有四個(gè)：直擊雷、地電位反擊、太陽電池板的靜電感應(yīng)及雷電波侵入[4]．

3.1 直擊雷

直擊雷是指雷電直接擊在建筑物或其他物體上．如果雷電直接擊中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池方陣，會產(chǎn)生很高的電位，從而引起過電壓，流過的雷電流又很大，極易造成電池板的損壞．而且這種過電壓還會以波的形式沿著線路進(jìn)入建筑物內(nèi)部，嚴(yán)重威脅線路上安裝的電氣設(shè)備的絕緣．如果光伏發(fā)電系統(tǒng)無防雷措施或防雷器件不合格，那么受到雷擊的太陽能電池組件，會造成漏電或者整個(gè)電池組件損毀．嚴(yán)重時(shí)可造成多個(gè)區(qū)域多處電池板損毀，甚至造成整個(gè)光伏電站的癱瘓．

3.2 地電位反擊

如果雷電擊在光伏建筑的外部防雷裝置上，則雷電流會沿著外部防雷裝置的引下線泄流入地，從而在接地裝置附近產(chǎn)生過電壓．過電壓可通過設(shè)備的接地線進(jìn)入靠近它的電子設(shè)備，形成高電位反擊，該電壓可高達(dá)數(shù)萬伏，可造成控制器、逆變器或交、直流負(fù)載等設(shè)備的損壞．當(dāng)雷電從云中泄放到大地時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)電位場，致使光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池組件處于不同電位，這種電位差在電池組件間會產(chǎn)生強(qiáng)大電壓，它的能量高、穿透強(qiáng)、勢必對電池組件造成損傷，以至永久性破壞[5]．

依據(jù)現(xiàn)有的防雷接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用必要的均壓措施可以避免出現(xiàn)在不同金屬物之間的暫態(tài)電位差，達(dá)到防止反擊發(fā)生的目的，從而維護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行．均壓措施與屏蔽、接地和箝位保護(hù)等措施配合使用，可以有效地控制雷擊產(chǎn)生的地電位反擊危害，避免逆變器的損壞，從而達(dá)到較好的雷電防護(hù)效果．

3.3 感應(yīng)雷

相對于直接雷擊發(fā)生的概率而言，間接雷擊發(fā)生的概率更高．因雷電侵入建筑物的途徑不同，所以，感應(yīng)雷屬于間接雷擊．它是由于建筑物上空有雷云時(shí)，建筑物上就會感應(yīng)出與雷云極性相反的電荷．當(dāng)雷云放電后，在建筑物屋頂處的光伏方陣上就會感應(yīng)出幾萬到幾十萬伏的感應(yīng)過電壓．此電壓可通過光伏組件連接線引入光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各連接設(shè)備，從而造成系統(tǒng)的損壞[6-7]．

3.4 雷電波侵入

當(dāng)建筑物的供電線路或設(shè)備上受到直接雷擊或發(fā)生感應(yīng)雷，則感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖(LEMP)將沿著電源線或金屬管道進(jìn)入建筑物內(nèi)部．隨著設(shè)備智能度越來越高，低壓電路和集成電路應(yīng)用非常普遍，LEMP可造成光伏系統(tǒng)設(shè)備及建筑物內(nèi)電氣、電子設(shè)備的損壞，甚至引起火災(zāi)、爆炸及人身傷害等事故．

4 光伏建筑雷電防護(hù)措施

目前，我國為推動(dòng)光伏建筑的發(fā)展與普及，制定了《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范中 3.3.8 光伏系統(tǒng)防雷和接地保護(hù)應(yīng)符合下列規(guī)定：①設(shè)置光伏系統(tǒng)的民用建筑應(yīng)采取防雷措施，其防雷等級分類及防雷措施應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057 的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；②光伏系統(tǒng)防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的措施應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50057 的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行[8]．因此，光伏建筑也應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010的規(guī)定確定防雷等級及防雷措施．為避免光伏建筑直接或間接的雷擊危害，可根據(jù)雷擊光伏建筑形式的不同，通過合理地選用防雷設(shè)備與器件，構(gòu)成光伏建筑一體化的防雷系統(tǒng)．主要的防護(hù)措施包括：直擊雷防護(hù)、雷擊電磁脈沖防護(hù)和接地系統(tǒng)．

4.1 直擊雷防護(hù)

(1)接閃裝置．根據(jù)建筑物防雷區(qū)(lightning protection zone，簡稱LPZ)的劃分可知，安裝于建筑物屋頂處的光伏板處于 LPZ0A區(qū)，可利用其自身太陽能光伏板的金屬框架作為接閃器，將其金屬支撐結(jié)構(gòu)與建筑物屋面上的防雷裝置電氣連接．因?yàn)樘栯姵胤疥嚨慕饘倏蚣軜?gòu)成的金屬網(wǎng)格較密集，可利用其自身的金屬框架作為接閃器，原則上不再采用接閃桿、接閃線進(jìn)行防護(hù)，且符合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性要求．如果光伏板的安裝位置不在建筑物防雷裝置保護(hù)的范圍內(nèi)，為保證其安全，還需對其設(shè)置必要的防護(hù)措施，如圖2所示[1]．一般宜采用抑制型或屏蔽型的直擊雷防護(hù)措施，如接閃帶、接閃網(wǎng)和接閃桿等，以減小直擊雷擊中的概率．根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010確定建筑物的防雷類別，并根據(jù)不同的防雷類別，采用滾球法計(jì)算接閃桿的高度和數(shù)量．對于一般公共建筑物上的太陽能光伏板可按60,m滾球半徑采取防直擊雷措施[9]．

圖2 設(shè)有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的民用建筑防雷保護(hù)方案示意

安裝在建筑物屋頂處的光伏系統(tǒng)的控制器、蓄電池和逆變器等設(shè)備，處于 LPZ0區(qū)，應(yīng)使這些設(shè)備處于接閃器保護(hù)范圍之內(nèi)，而且要將其全部金屬部件與屋面防雷裝置進(jìn)行良好的電氣連接[9]．如果光伏系統(tǒng)的控制器、蓄電池和逆變器等設(shè)備安裝于建筑物內(nèi)，則處于 LPZ1區(qū)，是不可能遭到直接雷擊的，因而不需要采取防護(hù)直接雷擊的措施，根據(jù)需要做好屏蔽措施即可．

(2)引下線．目前，大多數(shù)建筑物都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其梁、柱、樓板及墻內(nèi)都有一定數(shù)量的縱橫鋼筋，墻板及樓板中還有鋼筋網(wǎng)，在設(shè)計(jì)施工時(shí)通常將其在電氣上連接成一個(gè)整體，構(gòu)成立體屏蔽網(wǎng)(法拉第籠)．依靠這個(gè)暗裝的法拉第龍可以有效降低雷電電磁脈沖的干擾．其屏蔽效能的好壞取決于鋼筋網(wǎng)格的尺寸．因此，在設(shè)計(jì)中盡量多均勻布置一些引下線，其對雷電流的分流作用有一定的影響，不但可以降低引下線上的壓降，還可減少側(cè)擊的危險(xiǎn)．

(3)接地系統(tǒng)．為保證雷電流能夠具有一定的泄流通道，必須設(shè)置合理有效的接地系統(tǒng)．對于設(shè)有光伏系統(tǒng)的建筑物，宜采用環(huán)形接地網(wǎng)，使每根引下線均與接地體進(jìn)行連接．從而保證在發(fā)生雷擊接閃時(shí)，雷電流可以通過防雷引下線和接地裝置泄流入地．

4.2 感應(yīng)雷的防護(hù)

靜電感應(yīng)產(chǎn)生的 LEMP一般通過電力電纜和通信電纜的金屬外皮和天饋線侵入系統(tǒng)，所以對進(jìn)出電纜防雷保護(hù)可采取以下措施．

(1)等電位連接．等電位連接的目的是為了防止電位差的產(chǎn)生對設(shè)備造成的危害．因此，所有進(jìn)出建筑物的金屬管道、線纜的金屬外皮在經(jīng)過不同防雷區(qū)的時(shí)候必須要做等電位并接地．其中包括，光伏系統(tǒng)中安裝于屋面處的光伏板的金屬邊框、安裝于室內(nèi)的各種光伏設(shè)備的金屬外殼，均需要做好等電位連接．等電位連接的方式應(yīng)采用一點(diǎn)式方法接地，而不應(yīng)互相串聯(lián)連接接地，以免引起干擾現(xiàn)象[10]．

(2)浪涌保護(hù)器(SPD)．為使 LEMP在經(jīng)過多級泄放后的殘壓小于系統(tǒng)設(shè)備的耐壓值，應(yīng)在電源上逐級加裝浪涌保護(hù)器，實(shí)行多級防雷保護(hù)．根據(jù)負(fù)載的重要性不同，一般為2級或3級．各級SPD的安裝位置如圖3所示，圖中單線代表正負(fù)兩條支流輸電線，需分別安裝SPD保護(hù)．

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)SPD設(shè)置示意

(3)屏蔽．為減少雷電電磁脈沖對建筑物內(nèi)各種設(shè)備(包括光伏設(shè)備)造成的干擾，一方面可利用建筑物的自然屏蔽，即暗裝避雷網(wǎng)對 LEMP的屏蔽；另一方面將建筑物內(nèi)所有設(shè)備綜合布線用的線纜選用有金屬屏蔽層的電纜并穿金屬管敷設(shè)，同時(shí)還需對屏蔽層進(jìn)行多點(diǎn)接地．此外，對于一些電氣電子設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)屏蔽措施．

4.3 接地系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的接地主要包括：防雷接地、電氣設(shè)備接地、安全接地和太陽能光伏板防靜電接地．雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流在經(jīng)過引下線和接地裝置泄流入地的過程中，會在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高壓，此電壓會造成設(shè)備損壞，甚至危及人身安全．因此，必須做到兩點(diǎn)：一是保證引下線與周圍設(shè)備的絕緣距離；二是設(shè)備與防雷系統(tǒng)須采用共用接地系統(tǒng)，接地電阻不大于1歐姆[10]．

5 結(jié) 語

隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和建筑智能化水平的不斷提高，光伏建筑成為當(dāng)今綠色節(jié)能環(huán)保建筑發(fā)展的新趨勢．科學(xué)的防雷保護(hù)措施是保證光伏系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必備條件，也是對設(shè)有光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑物進(jìn)行雷電保護(hù)的重要保障．光伏建筑的防雷措施需根據(jù)建筑所在地區(qū)的氣象條件、建筑物自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、光伏方陣的特點(diǎn)等方面因地制宜地采取不同的綜合措施．且太陽發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型能源，其防雷系統(tǒng)的研究還需要大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)作支撐，以滿足其安全運(yùn)行的要求．將現(xiàn)行的防雷技術(shù)直接用于太陽能光伏建筑時(shí)，對防雷技術(shù)的性能和防護(hù)設(shè)施的間距和高度等方面還有些問題需要進(jìn)一步研究．

［1］ 梅勇成，陳華暉. 獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)探討[J]. 氣象科技，2009，37(60)：763-766.

［2］ 王 垚. 太陽能技術(shù)在建筑上的應(yīng)用研究[M]. 西安：西安科技大學(xué)，2010.

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Study of Lightning Protection for Solar Photovoltaic Building

GUO Fuyan，WANG Ning
(School of Control & Mechanical Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Photovoltaic building is a combination of photovoltaic power generation technology and construction technology, which is not only a new trend of photovoltaic applications, but also a new development of green building. Because of the solar photovoltaic panels installed in the roof of buildings, the solar PV system is large and its installation height is high. Therefore, the probability of the lightning strike is apt to be higher than that of the common building. Moreover, the connecting wire between the components of the PV system is long, that is extremely vulnerable to the attack of lightning electromagnetic pulse, especially, the core parts of the system are vulnerable to be damaged. So, it is very important to design and install a set of safe, reliable and perfect lightning protection measures for photovoltaic building.

BIPV；lightning protection；direct lightning stroke；lightning induction；LEMP

TU18

A

2095-719X(2016)05-0352-04

2015-09-23；

2015-12-02

國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013-K1-1)

郭福雁（1976—），女，天津人，天津城建大學(xué)副教授，碩士．