雷電災害對光伏發電系統的影響及防雷檢測方法研究

摘要 作為一種新興的發電系統，太陽能光伏發電系統在能源發電領域方面得到了廣泛應用。因為太陽能光伏發電系統的安裝環境和位置較為特殊，設備遭受雷擊的概率愈加突出。太陽能電池屬于半導體器件，可將太陽能轉化為電能，具有巨大的開發利用潛力。在了解光伏發電系統構成的基礎上，分析了雷電災害對光伏發電系統的影響，并指出了選擇輸出電流較大的檢測設備，對光伏方陣區和交流輸電設備重點區域的檢測方法進行了研究，以實現對光伏發電系統防雷和接地裝置性能的有效判斷。

關鍵詞 雷電災害；光伏發電系統；影響；防雷檢測

中圖分類號：P427.32+1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0172-03

光伏發電是指結合光生電伏特效應原理，在太陽能電池組件的基礎上將太陽能轉化為可以直接使用的電能，屬于綠色環保的可再生能源[1]。太陽能資源較為豐富，且分布極為廣泛，是21世紀中發展潛力巨大的可再生能源[2]。因全球能源短缺和環境污染問題的進一步加劇，而太陽能光伏發電的安全、清潔、便利、高效等特點較為突出，現已成為世界范圍內普遍關注和重點發展的新興產業。由于光伏發電站大都布設在人煙稀少的空曠地帶，自身遭受雷擊的概率較高，很容易引發設備受損和停電事故，嚴重威脅著人們的生命財產安全。為了降低或避免雷擊事故的出現概率，需要保證雷電防護裝置的科學性、完整性。只有通過防雷裝置檢測才能對雷電防雷裝置的完好性進行判斷[3]。因此，對光伏發電站防雷裝置檢測方法進行研究，是做好電站檢測工作的前提，且實用性較強。

1 光伏發電系統的結構

光伏發電主要是借助半導體界面的光生伏特效應，將光能轉化為電能的一種技術，且太陽能電池是這種技術的關鍵性元件[4]。

1.1 光伏陣列

光伏陣列主要是并聯光電池單元串形成的，是光伏系統的核心組成部分。在光生伏特效應的作用下，光伏陣列中的太陽能電池板兩端會產生電動勢，確保光能可以轉化成電能。晴天，電池會吸收天空中的光能，且會不斷在電池兩端積累異號電荷，此時就會出現“光生電壓”，這就是人們常說的“光生伏特效應”。

1.2 匯流箱

對于光伏發電系統來說，匯流箱發揮的作用巨大，可有序連接光伏組件，還能作為接線裝置發揮匯流功能，在光伏匯流箱內的同時并聯接入多個光伏串列。一旦匯流完成后，將控制器、直流配電柜、光伏逆變器和交流配電柜進行結合，就能構成系統性的光伏發電系統，進而實現并網[5]。

1.3 蓄電池組

在接收到光照后，太陽能電池陣列發出的電能可在蓄電池組中儲存，且可以隨時向負載供電。在太陽能發電的過程中，其對蓄電池的要求是價格低廉、維護方便、壽命長、有較強的深放電能力、自放電率低、工作溫度范圍大等。

1.4 逆變器

逆變器可直接將直流電轉化為交流電。對于太陽能電池和蓄電池來說，均屬于直流電源，一旦出現交流負載時，選擇逆變器顯得極為重要。根據運行方式的不同，可將逆變器分為獨立運行和并網逆變器2種方式。前者屬于獨立負載供電，是獨立運行太陽能電池的發電系統；后者主要被應用于并網運行太陽能電池發電系統[6]。

1.5 控制器

控制器是避免蓄電池充放電時間過長的設備。對于蓄電池來說，循環充放電次數、放電深度直接關系到最終蓄電池的使用壽命，對蓄電池組過放電或過充電進行有效控制，選擇控制器必不可少。

1.6 太陽跟蹤控制系統

對于固定地點的太陽能光伏發電系統來說，隨著四季更迭、日升日落的變化，太陽能光照角度也隨之改變，只有確保太陽能電池板隨時正對太陽，才能使發電效率達到最高。以世界通用的太陽能跟蹤控制系統為例，需要結合布設位置的經緯度信息，對一年中不同時刻太陽角度進行計算，并將這些信息儲存至PLC、電腦軟件或單片機，通過計算太陽位置實現跟蹤。

2 雷電災害對光伏發電系統的危害

2.1 直擊雷危害

對于光伏系統來說，因光伏陣列的占地面積大，且在露天區域內大規模暴露，自身遭受直接雷擊的概率較高。若出現雷電天氣，在短時間內會出現強大的雷電流。一旦裸露在光伏陣列外的金屬部位被直擊雷擊中，在沒有防雷措施或防雷設施不合適的情況下，強大的雷電流將會損害光伏系統內部組件，甚至使不同區域的電池板嚴重受損，最終影響整個光伏電站的正常運行[7]。

2.2 雷電感應危害

實際上，雷電感應包括靜電與電磁感應2種類型。當光伏系統上方有雷雨云經過時，在光伏系統不同導體上將感應到與雷云極性相反的電荷，一旦出現雷云放電現象，產生的電荷將在短時間內中和，若光伏系統內感應到的電荷不再受到束縛，會以導體為媒介釋放出來，線路中將會產生電磁脈沖，同時還會產生雷電靜電效應。在雷云放電的過程中，由于雷電流變化速度極快，會有瞬變電磁場出現在閃電通道附近，同時還會有感應電動勢出現在光伏系統中，這就是人們常說的雷電電磁效應。雷電感應在太陽能電池板上會出現對應的感應過電壓，借助太陽能電池組件的連接線，感應高壓將會朝著光伏發電系統的其他設備上進行傳輸，進而損壞整個光伏發電系統。

2.3 雷電波侵入

雷電波侵入光伏發電系統主要有2種不同類型的途徑：（1）雷電脈沖可借助同光伏系統連接的信號線、接地線、電源線等金屬管道入侵整個光伏系統；（2）雷電波在入侵光伏電站或整個光伏系統時可以架空線路為媒介，且這種入侵途徑嚴重危害著光伏發電系統。

2.4 地電位反擊

若在光伏陣列直擊雷保護范圍外或附近地面上出現雷擊點，將會有巨大的雷電流泄放進入大地。此時，地電位將會快速上升，進而出現電位場，且在陣列的接地部位會轉移有高電位。若電池組件間出現電位差，此時就會出現巨大的高電壓，因能量較高、具有較強的穿透性，會損壞電池組件，這種破壞甚至是永久性的。

3 雷電對光伏系統各個組件的危害

3.1 雷電對太陽能電池板的危害

由于太陽能電池的主要組成部分是半導體硅材料，對高電壓的反應最敏感，一旦太陽能電池板遭受雷擊，將會損壞硅材料表面或體內PN結，還會破壞電池片的PN結晶體場，使得電池片出現缺陷，會有雜質遷移，會對半導體壽命產生影響，進而縮短太陽能電磁組件使用壽命。宏觀來看，在瞬間高電壓的影響下，太陽能電池表面結構會出現破裂。因高電壓和瞬間沖擊電流會導致硅電池PN結發生改變，對電池的光電轉化產生影響，會對整個電池組件的發電效率產生影響。

3.2 雷電對太陽能背板的危害

太陽能背板的主要材料是聚酯薄膜，在太陽能組件中得到了的廣泛應用，主要作用是保護和支撐電池片，而水蒸氣的阻隔性、阻燃性、電氣絕緣性等均是其的主要特點。一旦太陽能背板遭受雷擊，會有瞬間高電壓出現在太陽能電池組件上，強大的雷擊電流會損壞太陽能電池組件背板，產生的高溫會導致串并聯后的電池串焊接點出現開焊或脫焊，甚至會引起電池板斷路、短路，對電池板的正常使用產生影響。

3.3 雷電對太陽能鋼化玻璃的危害

若雷電擊中太陽能鋼化玻璃，會有強大的雷擊電流出現在電池組件上。在短時間內，鋼化玻璃局部的溫度將快速上升，高溫會導致鋼化玻璃溫差進一步加大，使得鋼化玻璃爆裂。這個過程會損壞電池片，進而產生漏電現象，不利于光伏發電系統的正常使用。

3.4 雷電對逆變器的危害

為了保證太陽能為電器提供源源不斷的電能供應，應將太陽能輸出的電壓轉化為AC220V或AC380V。由于太陽能光伏發電系統發出的直流電能，需要借助于DC-AC逆變器將其轉換為交流電能。若因雷電天氣的出現造成逆變器受損，產生的影響主要包括：（1）用戶負載沒有輸入電壓，影響用電設備的正常運行；（2）逆變器很難逆變電壓，使得太陽能電池板上的直流電壓直接被負載使用，一旦電壓過高很容易損壞用電設備。

3.5 雷電對光伏控制器的危害

對整個系統的工作狀態進行控制，同時保護蓄電池過充電和過放電是光伏控制器的主要作用。一旦雷電擊中光伏發電系統，會出現雷電過電壓損壞的情況。（1）充電系統持續充電，放電系統無放電操作，使得蓄電池始終保持充電狀態，一旦充電時間過長，輕則會縮短蓄電池使用壽命、降低容量，重則會造成蓄電池爆炸，使得光伏發電系統遭受不同程度的破壞，或者造成人員傷亡。（2）充電系統沒有充電操作，放電系統持續放電，蓄電池很難有效儲存電能，在有太陽光的情況下設備運行正常，在無太陽或者光線不強烈的情況下，很難保證設備可以正常工作。

4 光伏發電系統的防雷檢測方法

4.1 光伏方陣的防雷檢測

光伏方陣是由數個太陽能電池板組合形成的，電池板則是疊加后的鋼化玻璃，背面是合金薄片，四周屬于鋁合金框架，根據一定高度將其固定金屬支架上。針對光伏方陣的防雷性能檢測，需要防雷人員選擇微電子測試儀分別對金屬支架及鋁合金框架的接觸情況進行檢測，應將接觸電阻值控制在0.03 Ω

內，連接線纜應包含金屬屏蔽層，同時將做好等電位連接工作，然后借助較大電流導通測試儀，檢測不同方陣單元間的連通情況。只有保證導通電阻在

50 m·Ω以上，才能說明方陣電氣較為完整。隨后根據防雷類別，借助異頻小電流法對方陣金屬支架的接地阻抗進行檢測。在測量電流極和電壓極與地網間的直線距離時選用GPS定位系統。若測出的土壤電阻率均勻分布，可縮短距離，選擇4～6個大于或小于50 Hz的測試頻率，且阻抗值應控制在4 Ω以下。若有太大的回路阻抗，測試電流達不到要求，可在潮濕或水源區域插入電流極，將電流極的接地電阻值降至最低。為了符合測試要求，應保證電流極的電阻值不高于10 Ω。在防雷類別的基礎上，檢測從金屬支架引出的引下線支柱間的距離是否與規范要求相符。

4.2 光伏方陣區跨步電壓和接觸電壓檢測

一旦光伏方陣金屬支架遭受雷擊，強大的雷電流將會以支架為媒介泄放進入大地，一旦工作人員進入方陣區內極易產生跨步電壓，若與金屬支架接觸則會出現接觸電壓，嚴重威脅著工作人員生命財產安全。在檢測之前，應將異頻電流注入地網，并選擇可以調頻的萬用表對方陣區電池板間隔工作通道的地面跨步電壓和方陣支架的接觸電壓值進行測量。（1）接觸電壓測量。在地網中注入大功率變頻信號源與耦合變壓器的輸出測試電流，并將可調頻萬用表分別與設備架構、模擬人腳的金屬板進行連接，同時選擇可調頻率萬用表對人體接觸電壓值進行測量，若是實際測出的數值比理論值偏小，則說明符合標準要求。（2）跨步電壓測量方法與接觸電壓測量類似，只是前者將可調頻率萬用表兩端分別與距離地面1.8 m高的設備架構及距離設備架構1.0 m遠模擬人腳的金屬板進行連接；后者則是將調頻萬用表兩端分別與地面上2個距離1.0 m模擬人腳的金屬板進行連接。

4.3 智能控制器防雷檢測

對于智能控制器的防雷檢測來說，主要是對連接線纜的防雷電感應措施進行檢測。（1）在對智能控制器機柜的接地電阻值進行測量時，可以選擇小型接地電阻測試儀，且檢測方法包括直線法和夾角法，應保證測試的接地電阻值不高于4 Ω；（2）對電源供電線路的電涌保護器安裝情況進行檢查，主要查看接地線材料、長度等是否與技術標準要求相符；（3）為了對機柜、金屬構架、電纜屏蔽層的接地和等電位連接情況進行檢測，可以選擇微歐表檢測法，且測到的接觸電阻值應在0.03 Ω以下。

4.4 直流匯流箱防雷檢測

根據直流匯流箱的電路連接關系，應選擇小型接地電阻測試儀對匯流箱體保護接地電阻值進行測量，應確保該數值不超過4 Ω。（1）直線測試方法，在同一方向上對電流和電壓極進行測量，電流極和電壓極的測試線分別為10、5 m，應保證一定的間距；（2）30°夾角法，選擇電流極和電壓極的測試線均為10 m，且組成30°夾角，之后選擇微歐表對等電位連接情況進行檢測，應保證匯流箱體與接地線的接觸電阻值不高于0.03 Ω。在測試電涌保護器地線的接地電阻值時，可以選擇小型接地電阻測試儀，且測試的接地電阻值不應超過4 Ω。同時，還要將接地線長度控制在0.5 m以下，且材料、相關參數應與規范要求相符。

4.5 交流輸配電設備防雷檢測

交流輸配電設備的，主要作用是對交流電能進行接收和分配，屬于電力設備，相當于升壓站。防雷檢測主要包括：（1）場區地表電位梯度測試。在將異頻電流注入接地裝置后，合理劃分被試場區，使其劃分成若干條縱橫曲線的表述場區，用來分布電位，應將劃分間距控制在30 m以內。可在曲線路徑中央選擇一條與主地網連接良好的接地引下線，將其作為參考點，并將該參考點同可調頻率的萬用表電壓端子進行連接，之后在曲線起點上放置模擬人體金屬鐵腳的電位極，選擇導線在可調頻萬用表另一個電壓端子上連接電位極，并測量每個點與參考點之間的電壓值。繪制對應曲線圖，若最終的曲線圖平穩且有朝著兩端緩慢抬升，說明接地裝置性能較好。（2）獨立避雷針檢測。實際上，對交流輸配電設備場區獨立避雷針的檢測主要包括2種：對避雷針的接地電阻值可選擇小型的阻儀直線或夾角法進行測量，應保證測量值與設計要求相符；對避雷針高度及保護范圍進行測量計算，保證站區所有設備均在避雷針保護范圍內，接閃器規格材料符合要求。

4.6 交直流逆變器防雷檢測

在光伏發電系統中，交直流逆變器發揮著十分重要的作用。針對該設備的防雷檢測主要包括以下幾點：（1）在測量逆變器直流輸入端的電涌保護器接地電阻值時，主要儀器是小型接地電阻測試儀，而直線法和夾角法則是主要的測試方法，需保證測出的接地電阻值低于4 Ω，且接地線長度及材料規格同規范要求相符；（2）測量機柜保護接地電阻值，且電阻值需要在4 Ω以下；（3）針對逆變器等金屬構架的等電位連接，可選擇微歐表進行測試，應保證電氣連接暢通，且測出的接觸電阻值需控制在0.03 Ω以內。

5 結束語

開展光伏發電站防雷檢測與發電站安全、穩定運行息息相關。在日常防雷檢測中，需要防雷人員全方位掌握發電站結構和防雷裝置布設情況，確保防雷檢測的準確性。在光伏方陣和升壓站防雷檢測中，為了進一步降低防雷檢測難度，可將地網規劃成網格化形式，不斷提高防雷檢測的準確性，減少雷電對光伏發電站的危害。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

Study on Influence of Lightning Disaster on Photovoltaic Power Generation System and Lightning Protection Detection Method

Luo Peng （Meteorological Service Center of Jiangxi Meteorological Bureau， Nanchang， Jiangxi 330000）

Abstract As a new generation system， solar photovoltaic power generation system has been widely used in the field of energy power generation. Due to the special installation environment and location of the solar photovoltaic power generation system， the probability of equipment being struck by lightning becomes more and more prominent. Solar cells were semiconductor devices， which can convert solar energy into electric energy， and have great potential for development and utilization. On the basis of understanding the composition of the photovoltaic power generation system， analyzed the impact of lightning disasters on the photovoltaic power generation system， and pointed out that the detection equipment with large output current was selected. the detection methods of photovoltaic array area and key areas of AC power transmission equipment were studied to effectively judge the lightning protection and grounding device performance of the photovoltaic power generation system.

Key words Lightning disaster; PV power generation system; Affects; Lightning protection detection

作者簡介 羅鵬（1973—），男，江西南昌人，中級工程師，主要從事雷電監測預警與防護工作。

收稿日期 2023-01-11