湖北省大型光伏電站災害風險及防范對策的研究

■霍俊 嚴國剛 孫霞* 王暉 陳正洪 孟丹

(1.湖北安源安全環?？萍加邢薰?；2.武漢日新科技股份有限公司；3.湖北省氣象服務中心)

0 引言

近年，隨著政策的引導，我國光伏行業蓬勃發展。據國家能源局(NEA)公布的數據顯示，2017年，我國光伏新增裝機量為52.83 GW，累計裝機量已達130 GW，占全國總發電容量的7.3%，新增和累計裝機容量均為全球第一。但由于受自然環境等因素的影響，頻發的災害給光伏電站帶來了巨大損失，光伏電站受災的報道屢見不鮮。2012年6月，位于慕尼黑的光伏電站中的太陽能元件遭遇了自燃的問題；2016年7月，臺北市公館自來水園區屋頂的光伏組件起火；2017年7月1日，湖北麻城遭遇特大暴雨襲擊，導致該市多個光伏電站被淹。因此，科學評估光伏電站各環節的災害風險，采取正確的防災措施，對減輕災害，保障電站、電網安全，提高太陽能產業經濟效益和社會效益具有十分重要的意義。

近年來，有許多關于災害對光伏電站的影響及應對策略方面的研究。在國內，楊鯤鵬[1]從規劃選址和科學運維兩方面分析了光伏電站應如何提高抗災能力。韋媛[2]以2015年10月襲擊湛江的臺風“彩虹”為例，探討了在極限臺風影響下光伏電站的狀態，明確了光伏陣列遭遇損失的主要原因，并給出了一定的防護措施。馮鶴等[3]分析了光伏發電系統面臨的雷電災害類型及損害概率，并提出了一套光伏發電系統雷電災害的風險評估方法，但并未提出相應的防范對策。張杰等[4]對大規模光伏電站戶外場地的雷擊感應電壓原理進行了分析，確定了雷電電波流的數學模型，計算結果證實，金屬邊框和背面鋁箔屏蔽等措施能大幅降低光伏組件的感應電壓。楊磊等[5]結合光伏發電系統實例，計算了雷擊引起的損害風險，得出了感應電壓、電流等各個參數之間的關系，估算了雷電安全距離，并提出了一套完整可行的雷電防御方案。弋峰[6]針對海邊光伏電站所遭遇的臺風影響問題展開了分析，并進一步論述了元件遭遇的影響及如何避免臺風所導致的負面影響，提出光伏組件和逆變器及匯流箱選型、光伏支架及組件連接可抵御12級臺風的措施。牛海霞等[7]以新疆某電站為研究對象，通過模擬光伏組件表面不同的積雪厚度，得出了積雪對光伏組件發電量的影響特性。殷代英等[8]研究了大型光伏電站對共和盆地荒漠區微氣候的影響，并得出大型光伏電站使共和盆地荒漠區的濕度增加、風向變得單一、風速減小、土壤溫度降低和濕度增加的結論。在國外，Anbu等[9]研究了光伏組件故障引起的熱斑效應及由其所帶來的火災隱患。

但多數研究僅從單方面對光伏電站的災害進行了分析和對策研究，并未綜合分析災害對于光伏電站的影響及應對策略。因此，本文以湖北省20 MW及以上容量的光伏電站為例，結合湖北省地理、氣象條件，從理論推測及實際受災案例進行分析，篩選出影響湖北省大型光伏電站的致災因子，并提出有針對性的解決方案或措施，為湖北省光伏電站在前期選址建設和后期運維中的合理避險提供參考。

1 致災因子分析

對理論及實際受災案例分析后發現，影響湖北省大型光伏電站的致災因子主要有暴雨、洪水、雷電、大風、臺風、高溫、火災、低溫、冰雪、冰雹、沙塵暴、霧霾、地質災害等。

1.1 暴雨、洪水

暴雨是氣象災害中最嚴重、最常發生的災害之一。暴雨、洪水對光伏電站產生的影響主要為3方面：1)遭遇水災后，受損的光伏組件可能會出現絕緣不良等故障；2)光伏系統樁基不穩，特別是支架與地面接觸的部分，在雨水長期浸泡的過程中，樁基會出現松動，從而導致陣列傾斜，甚至倒塌；3)光伏電站周邊排水系統存在欠缺，暴雨天氣時，排水系統的不完善會導致積水嚴重，可能出現光伏逆變器、箱變等設備長時間浸泡于水中的情況，致使設備內部出現短路，導致光伏電站癱瘓。

1.2 雷電

雷擊對光伏電站的損害主要有以下幾種形式：1)直擊雷擊穿光伏組件旁路二極管和p-n結；2)直擊雷對逆變器、箱變、開關站等設備元器件造成損害；3)直擊雷對輸電線路造成損害；4)雷電感應過電壓對電力設備造成損害；5)雷電感應過電壓損壞監控、計量設備，造成監控不準或計量有誤；6)桿塔、線路等方面會面臨由雷電及電涌等問題構成的負面影響，會造成一定的過電壓現象。

1.3 大風、臺風

大風、臺風對光伏電站的危害主要是其會對支架和光伏組件造成直接損害。光伏場區的實際范圍相對偏大，支架及組件屬于重點設施，數目相對較多且造價較高，而其自身又相對薄弱，一旦遭遇超過設計強度的大風，經濟損失巨大。

另外，大風天氣還可對光伏場區的匯流箱、升壓站建(構)筑物等造成危害，特別是光伏組件間的連接線，受大風吹拂搖擺，很可能導致接觸不良或斷路。

由于臺風常伴隨強降水，所以，若光伏場區的排水措施設計不當，易造成支架、組件及電力設備長期浸水，進一步造成支架樁基不穩、設備絕緣不良等安全隱患。此種災害導致的后果，與暴雨災害導致的后果有部分重疊。

1.4 高溫

高溫天氣對光伏電站主要有以下幾種危害：

1)會造成光伏組件功率損失，從而降低發電量。光伏組件有一項重要參數是峰值功率溫度系數，通常情況下，組件的峰值功率溫度系數在-0.44%/℃～-0.38%/℃之間，即溫度提升的同時，對應的輸出功率參數會有所下降。

2)會影響逆變器關鍵部件的壽命。

3)與高濕天氣同時存在時，容易產生PID效應，從而造成光伏組件失效，導致光伏電站的發電量銳減。

1.5 火災

火災主要會給光伏電站造成直接經濟損失。針對火災源頭及起因進行分類，可分為光伏電站設備問題、建設施工問題、防護措施問題3個類別。

1.5.1 光伏電站設備問題

由光伏電站設備問題引發的火災高發事項分別為：外界野火誘發光伏電站火災、光伏組件熱斑效應、電纜火災、箱變火災和其他電力設備問題(主要是接地、絕緣不可靠、雷擊、短路等引發火災)。

1)在光伏電站運營維護階段，因雜草清理不及時、清明節期間祭祖燒紙引發野火，繼而燒毀光伏電站的占比最高。

2)光伏組件熱斑效應是指光伏組件在使用過程中，有一塊電池單獨被遮擋，導致被遮擋部位形成短路狀態，使其升溫顯著超過未被遮蓋區域，造成了因溫度過高而產生的暗斑。熱斑效應可能造成組件的損壞，甚至可能引發光伏電站火災。

3)光伏場區及升壓站內有較多電纜，主要采用電纜溝敷設。電纜敷設不合理、電纜溝設計不合理、電纜防火措施不合理、運行維護不當都可能導致電纜火災問題。而且，電纜在著火后蔓延迅速，撲滅的難度相對較高，還會造成連接的儀表及設備的損毀，引發嚴重的火災問題。

4)由于箱變質量存在潛在缺陷，變壓器抗短路能力不足，繞組變形絕緣損毀產生匝間、相間短路會引起變壓器火災事故，雷擊導致的過電壓擊穿絕緣、內部短路、污閃、過熱均會引發變壓器火災事故。

5)匯流箱、逆變器等電力設備接地、絕緣不可靠、內部短路、故障均會引起火災事故。

1.5.2 建設施工問題及防護措施問題

建設施工問題及防護措施問題若嚴格按照相關設計、施工規范實施，基本可以避免。

1.6 低溫、冰雪、冰雹

冰雪對光伏電站最主要的影響是冰雪堆積。光伏組件頂部的積雪未及時清理，使荷載增大，可能導致光伏組件、承載支架及建(構)筑物發生坍塌。特別是在低溫、暴雪條件下，光伏組件上覆蓋的冰雪被冰凍，來不及融化或掉落，導致冰雪一層層累加，若未及時清掃，最終會導致光伏電站因冰雪負荷超載而發生垮塌。冰雪天氣下，主變壓器等戶外電器設備長期覆雪還可能導致設備局部短路；而電氣設備上的積雪清掃不符合規程、規范要求還可能導致觸電等安全事故的發生。

低溫伴隨冰雪不僅會影響支架強度，光伏組件積雪還會對組件造成遮擋，影響發電量。

冰雹對光伏電站的主要影響是會造成組件的破損。光伏組件、變壓器、配電裝置等重要設備和設施的抗冰雹沖擊性能若未滿足要求或日常設備維護不到位，在冰雹等惡劣天氣條件下，可能會因冰雹沖擊導致設備損壞事故。

1.7 沙塵暴

沙塵暴對光伏電站的主要影響是其會使光伏組件上出現灰塵或污漬，導致組件接收的太陽輻射強度減弱，降低組件的發電量。早期建成的一些光伏電站，由于室外逆變器等設備的安全防護等級不高，設備內部積灰會對絕緣和爬電距離產生不利影響，造成安全隱患。光伏組件局部灰塵遮蔽可能會導致熱斑效應，損失發電量的同時會造成火災等安全隱患。風沙較大時，砂石易損壞光伏組件。

1.8 霧霾

霧霾對光伏電站的主要影響是其會使光伏組件上出現灰塵或污漬，從而削減組件接收的太陽輻射強度，進一步影響組件的發電量；而且灰塵遮蔽還可能造成熱斑問題，在影響發電量的同時還會構成顯著的安全隱患。

霧霾天氣的空氣質量較差，升壓站等設備絕緣表面上會逐漸沉積一些污穢物質，從而導致變配電裝置污穢程度增加，若清掃不及時，可能導致污閃等事故的發生。

1.9 地質災害

常見的會對光伏電站造成影響的地質災害包括：地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂縫等。地質災害對光伏電站造成的損失是巨大的，會導致光伏場區的各種設備扭曲變形，基礎沉降、埋沒，甚至完全損毀。

1.10 由洪水、火災、地震等引發的次生災害

洪水、大風、雷電、火災、地震等災害發生后，易誘發山體滑坡、泥石流、通信中斷、光伏電站停產等次生災害，造成光伏電站人員、財產的損失。

大型光伏電站可能對當地風向、風速、土壤溫度、土壤濕度等微氣候有一定影響。在光伏電站建設期和運營維護期，對環境保護工作的疏忽，容易造成站址區域的水土流失。

2 不同地區光伏電站災害風險的防范對策

通過分析光伏電站災害的成因和對光伏電站造成的影響，針對不同光伏電站致災因子，可以采取不同的防范措施。

2.1 暴雨、洪水多發地區

對暴雨、洪水多發地區，可采取謹慎選址、考慮適當抬升光伏支架高度、增設排水系統等防護系統、關注短時天氣預報等防范對策。

2.1.1 謹慎選址

在暴雨、洪水多發地區建設光伏電站，應綜合考慮項目選址地的日照資源等氣候、地理和地址情況及水文條件等。在水文條件方面要綜合考慮短時最大降水量、積水深度、洪水水位、排水條件等。

2.1.2 適當抬升光伏支架高度

根據積水深度、洪水水位等水文條件，可考慮適當抬升光伏支架高度，以提高組件及其他電氣設備的安裝高度。

2.1.3 增設排水系統等防護系統

長期浸水會影響光伏支架基礎及金屬支架的安全性，因此，需視情況增設排水系統等防護系統。

2.1.4 關注短時天氣預報

強降水對光伏電站的影響主要是雨水會浸泡光伏設備，所以，關注短時天氣預報，可以提前做好預案，在強降水來臨前增設臨時排水設施。

2.2 雷電多發地區

針對雷電多發地區，采取的防范對策主要為謹慎選址、做好防雷接地工作。

2.2.1 謹慎選址

在雷電多發地區建設光伏電站，應謹慎選址，盡量避免將電站建設在易受雷擊的位置。

2.2.2 做好防雷接地工作

雷電高危地區，應首先將各元件、構件和地網等方面進行連接處理，進一步形成針對性的接地網；其次，參考光伏發電系統的基礎架構及雷電波的具體狀態，有針對性地安裝對應的浪涌保護器(SPD)；再利用站內主體建筑鋼混架構的鋼筋及金屬架構等，與防雷設備有效連接，構成屏蔽體。各個金屬外殼有著對應的穩定連接，同時接地組成基本的設備屏蔽，從而令光伏發電系統的線纜及金屬管采取對應的敷設處理；同時，還需要在光伏陣列兩側進行接地處理，在防雷區等方面進行電位連接處理等。

2.3 大風、臺風多發地區

在大風、臺風多發地區建設光伏電站，需結合選址所在地的地形和氣候條件，并根據當地風荷載數據設計光伏支架，通過合理的結構設計提高光伏陣列抵抗風荷載的變形能力，并增大光伏支架、組件壓塊等構件強度；采取合理的組件傾角，適當考慮增加擋風板等措施，以確保支架系統的安全和穩定。同時，對光伏支架基礎進行分析，必要時需采取增強基礎承載力的措施，增設防風拉條，避免光伏支架出現失穩的情況。

光伏組件連接線應配保護套管，光伏支架、匯流箱、升壓站建(構)筑物等應按照當地氣象條件考慮抗風能力。

在施工時期，應嚴格控制安裝質量，尤其是組件的連接螺栓、壓塊，以及光伏支架的連接件等。在運營維護期，應關注短時天氣預報，在大風天氣來臨之前，對螺栓、壓塊等緊固件進行加固。

2.4 高溫地區

高溫地區的光伏電站應考慮配置攜帶高精度熱成像紅外相機及高清可視相機的智能光伏運維無人機，可實時查看光伏電站的實景全貌，并可及時查看光伏組件是否存在熱斑、缺失、隱裂等問題，對光伏電站進行精準排查，以保障電站安全穩定的運營。高溫地區還應選用散熱良好的逆變器，同時其他設備也應做好通風散熱工作。

在高溫高濕地區，應做好光伏組件負極接地或配備防PID裝置，以抑制PID效應。

2.5 火災多發地區

在光伏電站建設及運營維護期間，應做好場區內的除草工作，尤其是在清明節祭祖燒紙較為集中的時段，應加強宣傳和巡查的力度。

在光伏電站設計、建設及運營維護期間，應嚴控產品、工程質量關，做好消防措施。應根據電氣設備不同的性質采取合適的消防方式，消防電源采用雙電源或雙回路供電。

2.6 低溫、冰雪、冰雹多發地區

在低溫、冰雪、冰雹多發地區建設光伏電站，可以考慮采取以下防范對策：

1)對于屋頂光伏項目，設計時應復核原有建(構)筑物的屋面承載力是否適于承受光伏發電項目的新增荷載。

2)針對低溫、冰凍多發地區，應根據當地氣象條件，適當增強光伏支架的設計強度。

3)多雪地區需考慮適當增加光伏支架、建筑屋頂的傾斜度，以利于積雪掉落?？煽紤]選用雙玻雙面組件方案，該方案有較為理想的耐候性和雙面發電的基礎特征，在大雪期間也有良好的發電表現；而且其能夠依靠背面獲取基本的反射光，進而實現良好的加熱及融化效果；另外，由于玻璃的光滑特性及合理的電站設計，雙玻雙面組件更有助于雪的自動滑落，從而可進一步減少積雪對組件的影響。

4)應注意組件與地面需保持一定的高度，避免積雪滑落時堆積在底部，慢慢地積累覆蓋整個光伏組件。

5)運維部門應在雪中、雪后加強對光伏電站的巡檢，及時清理積雪，發現問題及時上報。

6)冰雹過后，若出現組件發電量下降或有其他異常情況發生，應及時檢查光伏發電系統是否受到損傷。

7)在冰雪、冰雹多發地區，變壓器、配電裝置等重要設備應盡量放置于室內，或適當增加保護措施。

2.7 沙塵暴、霧霾多發地區

針對沙塵暴、霧霾多發地區，可以考慮采取的防范對策為：1)在污染嚴重的情況下，應根據現場情況，適當增加光伏組件的擦洗清潔頻次；2)電氣設備可適當使用硅油、硅脂等涂料，合理調節外絕緣的爬電比距。

2.8 地質災害多發地區

針對地質災害多發地區，可以考慮采取的防范對策包括謹慎選址及選擇合適的光伏保險。

2.8.1 謹慎選址

在光伏電站建設前的調研活動中，要求針對項目場址具體的土壤、氣象、環境及構造等要素開展有效的評估。參考項目地點基本的地質信息及構造，在具體的選址環節中需要規避地震及臺風等問題構成的影響。

2.8.2 選擇合適的光伏保險

在光伏電站建設期間，必須購買建設安裝工程一切險，建議補充購買工程延誤保險、間接損失保險、商業綜合責任險等。

在電站運營維護期間，必須購買財產一切險，建議補充購買營業中斷險、光伏系統保證險等。

對于屋頂分布式光伏電站，還需投保公眾責任險。

2.9 易發生次生災害的地區

針對山體滑坡、泥石流、通信中斷、光伏電站停產，以及光伏電站可能影響微氣候等次生災害，可以考慮采取以下防范對策：

1)謹慎選址。在光伏電站的初期調研活動中，應綜合評估站址的地質、氣候條件，避開洪水、大風、雷暴等災害多發區域。

2)關注短時天氣預報。在建設運營期間關注短時天氣預報，提前做好抗災預案。

3)加強安全工作。重視短時天氣預報，在災前、災后加強安全工作。

4)購買合適的光伏保險，以降低光伏電站的財產損失。建設期間，必須購買建設安裝工程一切險，建議購買間接損失保險、商業綜合責任險等。運營維護期間，必須購買財產一切險，建議購買營業中斷險、光伏系統保證險等。

5)做好環境保護工作。在建設及運營期間，應加強對光伏電站的環境監測，做好水土保持及環境保護工作。

3 結論

整體來看，湖北省光伏電站的災害風險較為多樣化，因此，在選址、設計階段應當綜合考慮各災害風險的影響，從源頭上將光伏電站可能遭受災害的風險降到最低。在后期施工和運營維護的過程中，也要做好風險預估和控制工作，提前做好風險應對預案，以降低災害給光伏電站造成的損失。