太陽能光伏建筑雷電防護問題研究

郭福雁，王 寧

(天津城建大學 控制與機械工程學院，天津 300384)

能源與機械

太陽能光伏建筑雷電防護問題研究

郭福雁，王 寧

(天津城建大學 控制與機械工程學院，天津 300384)

光伏建筑是光伏發電技術與建筑技術的結合，既是光伏應用的新趨勢，也是綠色建筑的新發展．由于光伏發電系統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，構成光伏系統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，損壞系統中的核心部件．因此，設計、安裝一套安全、可靠、完善的雷電防護措施對太陽能光伏建筑非常重要．

光伏建筑；雷電防護；直接雷擊；雷電感應；雷擊電磁脈沖

不斷探索新能源，解決能源危機是建筑領域可持續發展的新目標．光伏建筑因其節能環保和可持續性等優點，可滿足城市建筑節能和環保的需求，成為太陽能應用的新潮流．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，光伏發電系統中的線纜也容易遭受雷電感應和雷電波的侵襲；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計方面的規范來明確應該如何進行防雷系統設計．因此，做好光伏建筑雷電防護工作是亟待解決的重要問題．在設計和施工的過程中，應合理地確定防雷設計方案并選擇實用、安全的防雷保護措施，既可實現對光伏發電系統的保護，又可實現對建筑物及其內部人員與設備的雷電防護，從而降低雷擊事故帶來的損失．

1 太陽能光伏發電系統的構成

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

圖1 太陽能光伏發電系統的基本構成

2 光伏建筑的類型及優點

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．因其節約占地空間，且便于施工，因此成為光伏發電與建筑相結合的最佳方式[2]．

2.2 太陽能光伏建筑一體化的優點[3]

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

(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，可實現綠色建筑的“節地”目標．

(3)光伏板將太陽能轉化為電能，可減少建筑外墻及屋面得熱和室內空調冷負荷，有效降低室外綜合溫度，從而實現綠色建筑的“節能”目標．

(4)太陽能光伏系統安裝方便、聯系簡單，維護保養簡單，系統穩定性好，使用壽命長．而且將太陽能光伏發電系統與建筑相結合，既可節省投資，又可充分利用光伏系統自身所發出的電能．

3 雷擊光伏建筑的四種形式

設有太陽能光伏發電系統的建筑在遭受雷擊時，雷電放電和上游電源系統的開關操作產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，這將對光伏系統的運行造成嚴重影響．因此，對于設有光伏發電系統的建筑而言，從其結構分析可知，雷電侵入光伏建筑的主要途徑有四個：直擊雷、地電位反擊、太陽電池板的靜電感應及雷電波侵入[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電系統的電池方陣，會產生很高的電位，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入建筑物內部，嚴重威脅線路上安裝的電氣設備的絕緣．如果光伏發電系統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電池組件損毀．嚴重時可造成多個區域多處電池板損毀，甚至造成整個光伏電站的癱瘓．

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生過電壓．過電壓可通過設備的接地線進入靠近它的電子設備，形成高電位反擊，該電壓可高達數萬伏，可造成控制器、逆變器或交、直流負載等設備的損壞．當雷電從云中泄放到大地時，就會產生一個電位場，致使光伏發電系統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生強大電壓，它的能量高、穿透強、勢必對電池組件造成損傷，以至永久性破壞[5]．

依據現有的防雷接地設計標準和規范，采用必要的均壓措施可以避免出現在不同金屬物之間的暫態電位差，達到防止反擊發生的目的，從而維護設備的安全運行．均壓措施與屏蔽、接地和箝位保護等措施配合使用，可以有效地控制雷擊產生的地電位反擊危害，避免逆變器的損壞，從而達到較好的雷電防護效果．

3.3 感應雷

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

3.4 雷電波侵入

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

4 光伏建筑雷電防護措施

目前，我國為推動光伏建筑的發展與普及，制定了《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》，規范中 3.3.8 光伏系統防雷和接地保護應符合下列規定：①設置光伏系統的民用建筑應采取防雷措施，其防雷等級分類及防雷措施應按現行國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057 的相關規定執行；②光伏系統防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的措施應按現行國家標準《建筑物防雷設計規范》G B50057 的相關規定執行[8]．因此，光伏建筑也應按照《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010的規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，可根據雷擊光伏建筑形式的不同，通過合理地選用防雷設備與器件，構成光伏建筑一體化的防雷系統．主要的防護措施包括：直擊雷防護、雷擊電磁脈沖防護和接地系統．

4.1 直擊雷防護

(1)接閃裝置．根據建筑物防雷區(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，可利用其自身太陽能光伏板的金屬框架作為接閃器，將其金屬支撐結構與建筑物屋面上的防雷裝置電氣連接．因為太陽電池方陣的金屬框架構成的金屬網格較密集，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、接閃線進行防護，且符合太陽能光伏發電系統的經濟實用性要求．如果光伏板的安裝位置不在建筑物防雷裝置保護的范圍內，為保證其安全，還需對其設置必要的防護措施，如圖2所示[1]．一般宜采用抑制型或屏蔽型的直擊雷防護措施，如接閃帶、接閃網和接閃桿等，以減小直擊雷擊中的概率．根據《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010確定建筑物的防雷類別，并根據不同的防雷類別，采用滾球法計算接閃桿的高度和數量．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 設有太陽能光伏發電系統的民用建筑防雷保護方案示意

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

(2)引下線．目前，大多數建筑物都采用鋼筋混凝土結構，其梁、柱、樓板及墻內都有一定數量的縱橫鋼筋，墻板及樓板中還有鋼筋網，在設計施工時通常將其在電氣上連接成一個整體，構成立體屏蔽網(法拉第籠)．依靠這個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格的尺寸．因此，在設計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，還可減少側擊的危險．

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

4.2 感應雷的防護

靜電感應產生的 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，所以對進出電纜防雷保護可采取以下措施．

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

(2)浪涌保護器(SPD)．為使 LEMP在經過多級泄放后的殘壓小于系統設備的耐壓值，應在電源上逐級加裝浪涌保護器，實行多級防雷保護．根據負載的重要性不同，一般為2級或3級．各級SPD的安裝位置如圖3所示，圖中單線代表正負兩條支流輸電線，需分別安裝SPD保護．

圖3 光伏發電系統SPD設置示意

(3)屏蔽．為減少雷電電磁脈沖對建筑物內各種設備(包括光伏設備)造成的干擾，一方面可利用建筑物的自然屏蔽，即暗裝避雷網對 LEMP的屏蔽；另一方面將建筑物內所有設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，同時還需對屏蔽層進行多點接地．此外，對于一些電氣電子設備應加強屏蔽措施．

4.3 接地系統

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

5 結 語

隨著我國光伏產業的發展和建筑智能化水平的不斷提高，光伏建筑成為當今綠色節能環保建筑發展的新趨勢．科學的防雷保護措施是保證光伏系統正常運轉的必備條件，也是對設有光伏發電系統的建筑物進行雷電保護的重要保障．光伏建筑的防雷措施需根據建筑所在地區的氣象條件、建筑物自身的結構特點、光伏方陣的特點等方面因地制宜地采取不同的綜合措施．且太陽發電系統作為一種新型能源，其防雷系統的研究還需要大量的實驗和數據作支撐，以滿足其安全運行的要求．將現行的防雷技術直接用于太陽能光伏建筑時，對防雷技術的性能和防護設施的間距和高度等方面還有些問題需要進一步研究．

［1］ 梅勇成，陳華暉. 獨立太陽能光伏發電系統防雷技術探討[J]. 氣象科技，2009，37(60)：763-766.

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［3］ 馬一鳴，馬龍翔. 太陽能光伏發電與建筑一體化[J].沈陽工程學院學報(自然科學版)，2011，7(1)：9-12.

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［10］ 建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].

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

國家住房和城鄉建設部科技計劃項目(2013-K1-1)

郭福雁（1976—），女，天津人，天津城建大學副教授，碩士．