光伏電站雷電災(zāi)害預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評估

馬 力

（國電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司赤峰風(fēng)電公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

防雷設(shè)計(jì)與施工工作環(huán)節(jié)中，雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估極為重要，應(yīng)當(dāng)以等同于防雷設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)層次進(jìn)行，可在科學(xué)構(gòu)建防雷工程的基礎(chǔ)上，確保經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。目前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度十分迅速，需與本地實(shí)際情況密切結(jié)合，在閃電預(yù)警資料的運(yùn)用下，進(jìn)一步完善評估方法，以最大限度地減少或避免經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人們生命財(cái)產(chǎn)中因雷電災(zāi)害而造成的損失。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性

1.1 直接雷擊

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)核心的太陽能發(fā)電板組件，是由硅太陽能電池片串并聯(lián)，并用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封形成的。該組件多暴露在建筑物制高點(diǎn)或空曠場所，能滿足光源需求，但遭受雷擊可能性極高。當(dāng)太陽能組件直接遭雷電擊中時(shí)，因太陽能芯片的制作材料為半導(dǎo)體硅，高電壓環(huán)境中，會(huì)有動(dòng)作產(chǎn)生于其表面或內(nèi)部PN結(jié)。一旦發(fā)電板PN結(jié)晶體場出現(xiàn)了損壞，會(huì)影響太陽能發(fā)電組件發(fā)電效率及使用壽命[1]。由于雷擊點(diǎn)周圍的鋼化玻璃在瞬間強(qiáng)大的高溫下產(chǎn)生自爆，導(dǎo)致太陽能背板發(fā)生灼燒、擊穿及形變等情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致太陽能發(fā)電板發(fā)生漏電、短路及斷路等情況，從而在一定程度上影響發(fā)電板的使用。

1.2 雷電感應(yīng)

太陽能可被光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為直流電能[2]。任何種類的設(shè)備都對電磁環(huán)境方面提出極高要求。雷擊點(diǎn)附近的電磁環(huán)境并非始終保持不變，極易影響電氣設(shè)備的運(yùn)行。當(dāng)雷電感應(yīng)造成過電壓后，電子設(shè)備將受到一定損害。

1.3 雷電電涌侵入

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)連接于電網(wǎng)，太陽能組件方陣的電池板經(jīng)匯流、逆變及升壓后，送至站內(nèi)匯流線路。線路桿塔或相連架空線路受到雷電的直接傷害或是有感應(yīng)電涌出現(xiàn)在線路上后，電壓反擊可能會(huì)發(fā)生在光伏系統(tǒng)變壓器乃至電氣系統(tǒng)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)與一般發(fā)電場具有一定區(qū)別存在，與人員聚集區(qū)域距離較遠(yuǎn)，人員生命損失風(fēng)險(xiǎn)為零。雷電侵襲所引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)是以發(fā)電質(zhì)量下降等為主，還會(huì)對電網(wǎng)穩(wěn)定性和公共服務(wù)造成影響，也會(huì)因維修系統(tǒng)或是中斷供電而間接地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)。

太陽能組件方陣、匯流箱、逆變器、變壓器及匯流線路等電氣設(shè)備或電網(wǎng)線路是雷電威脅的主要聚集區(qū)域。由于太陽能組件方陣的一組太陽能電池板損壞后并不會(huì)對整體發(fā)電量造成明顯影響，因此電池板及相連匯流線路出現(xiàn)物理損壞后，僅需對經(jīng)濟(jì)損失予以考慮。對發(fā)電質(zhì)量構(gòu)成影響的關(guān)鍵部位在于逆變器匯流后的整流系統(tǒng)[3]。分析總結(jié)了光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，如表1所示。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方法

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中，R數(shù)值指的是由雷擊導(dǎo)致的的年平均可能損失量與具有保護(hù)價(jià)值的對象之間的比值，以基本方程展開風(fēng)險(xiǎn)評估，區(qū)域雷電環(huán)境及評估對象等效截收面積、位置因子是決定年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N的主要因素，雷擊損害概率P與具體防護(hù)措施有關(guān)[4]。具體實(shí)施評估的過程中，最關(guān)鍵的便是綜合分析不同風(fēng)險(xiǎn)分量因子影響因素，同時(shí)結(jié)合分析結(jié)果合理確定不同因子的具體取值方法、范圍。

表1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類型

圍繞損害源特征和損害的具體類型，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，太陽能發(fā)電板和匯流線路存在重疊的閃電接收面積，在實(shí)踐分析計(jì)算中應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)整體來計(jì)算，以Z1區(qū)（發(fā)電區(qū)域）定義；發(fā)電質(zhì)量影響因素中，變壓器和逆變器十分關(guān)鍵，以Z2區(qū)（控制區(qū)域）定義其所在建筑物；以Z3區(qū)定義并網(wǎng)線路，分別考慮各個(gè)單獨(dú)區(qū)域，各個(gè)單獨(dú)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值總和即為光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值。

4 雷電防御措施

4.1 防雷接地設(shè)計(jì)

光伏電站建設(shè)期間，需對發(fā)電站建設(shè)選址予以重視，盡量避開易受雷擊的位置和場合。若需在配電室附近設(shè)置一個(gè)避雷針，通常是以圓鋼或焊接鋼管的避雷針為主，并以針長為根據(jù)進(jìn)行直徑選擇。避雷針?biāo)薪饘俨考仨氬冧\，并在操作中注重鍍鋅層的保護(hù)。以鍍鋅鋼管進(jìn)行針尖的制作，管壁厚度應(yīng)在3 mm以上，針尖刷錫長度應(yīng)在70 mm以上。避雷針高度應(yīng)根據(jù)保護(hù)范圍進(jìn)行合理確定。避雷針高度越高，那么它具有的保護(hù)范圍越大[5]。布置避雷針時(shí)，不但需對光伏設(shè)備是否在保護(hù)范圍內(nèi)予以考慮，同時(shí)還需避免其陰影投射至光伏組件上。倘若避雷針陰影投射至光伏組件上，被遮擋部分不但無法發(fā)電，還會(huì)有熱斑效應(yīng)產(chǎn)生，形成短路后，會(huì)導(dǎo)致太陽能組件受損。

太陽能發(fā)電接地系統(tǒng)主要由交直流接地、安全保護(hù)接地及防雷接地等功能性接地組成。由于難以實(shí)現(xiàn)不同接地系統(tǒng)之間的相互獨(dú)立，為避免各接地系統(tǒng)的電位反擊，應(yīng)當(dāng)連接各個(gè)設(shè)備、混凝土內(nèi)基礎(chǔ)地網(wǎng)及金屬構(gòu)件等，推動(dòng)共用接地網(wǎng)的形成。相對于特定接地電阻值，接地網(wǎng)布置及尺寸更為關(guān)鍵，應(yīng)以基礎(chǔ)地網(wǎng)或環(huán)形人工接地網(wǎng)為佳[6]。接地電阻值不應(yīng)超出1 Ω。

4.2 防雷擊電磁脈沖

為避免光伏發(fā)電系統(tǒng)因雷擊電磁脈沖造成的浪涌影響，應(yīng)當(dāng)在太陽能組件方陣、匯流箱、逆變器、變壓器、匯流線路的鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋、金屬板及金屬框架等中可靠連接防雷裝置，以推動(dòng)大空間屏蔽體的形成。然后，將光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備、機(jī)柜及配電柜金屬外殼可靠連接，并就近接地，推動(dòng)設(shè)備屏蔽的構(gòu)成。最后，將光伏系統(tǒng)電源線纜、信號通信線纜更換為屏蔽線纜或穿金屬管敷設(shè)，屏蔽層或金屬管應(yīng)在兩端接地，并在穿越防雷區(qū)處進(jìn)行等電位連接處理。

各個(gè)線纜布線期間，需避免形成較大面積電磁感應(yīng)回路。在不同線槽中分別敷設(shè)不同回路和工作電壓的電源與信號線路，信息系統(tǒng)線路與防雷引下線之間的水平間距和交叉凈距應(yīng)當(dāng)分別保持在1 000 mm和300 mm之上。

5 結(jié) 論

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)安裝與規(guī)范要求相符合的雷電防護(hù)措施，盡管投資比例會(huì)有一定程度上升，但卻遠(yuǎn)比雷電災(zāi)害引發(fā)的損失小。同時(shí)，有效的防護(hù)措施可將雷擊過電壓引發(fā)的人身傷害事故及過電流造成的供電質(zhì)量影響有效控制。本文提出的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方法可在光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估中有效運(yùn)用，制定的雷電防護(hù)方案也有利于雷電災(zāi)害的有效預(yù)防。