探析雷擊對江西省光伏電站的影響及防雷減災策略

盧敏

摘要 在當今中國經濟和科技迅猛發展的環境下，雷電造成的經濟損失越來越大，防雷工作受到了大眾的廣泛關注。作為一種清潔、環保的能源，太陽能近年來發展速度較快，并逐漸應用于各個領域。而人們在享受其帶來便利的同時，也開始注重光伏電站的防雷工作。根據光伏電站系統情況和防雷經驗，探究了雷擊對江西省光伏電站的影響，并梳理了光伏電站的防雷減災策略，以供參考。

關鍵詞 雷擊；光伏電站；影響；防災減災

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

近年來，越來越多的企業投入光伏產業，光伏企業創新活躍度越來越高，產業規模越來越大，我國光伏產業呈持續高歌猛進發展趨勢[1-2]。在市場需求和國家政策的影響下，光伏產業發展前景越來越廣闊，尤其是光伏發電在各領域的應用力度也越來越大[3-4]。

目前，我國已經成為全球光伏生產和應用大國，光伏發電裝機量、光伏發電量均居全球第一[5]。但是，在太陽能光伏業應用廣泛的同時，雷電危害性和光伏發電站防雷工作也需引起重視。

雷電對太陽能光伏電站的安全運行構成了巨大威脅。當閃電直接擊中太陽能電池板時，會直接摧毀設備，導致系統癱瘓；雷電電磁脈沖會在光伏系統的電源電路上產生過電壓，并損壞電氣設備。基于此，在探究雷擊對江西省光伏電站影響的基礎上，重點提出了可靠的防雷減災策略，為確保光伏電站的安全運行，減少雷擊經濟損失提供強有力的防雷技術指導。

1 光伏電站系統簡介

目前，太陽能光伏電站系統包括離網光伏蓄電系統、帶電池并網光伏發電系統、無電池并網光伏發電系統。其中，光伏并網發電系統涵蓋大型光伏并網系統和中小型光伏并網系統。大型光伏并網系統可集成至中高壓電網。中小型光伏并網系統一般只接入低壓電網。光伏電站系統的主要部件包括太陽能電池方陣、控制器、逆變器以及蓄電池組（圖1）。太陽能光伏發電的原理是借助太陽能電池陣列發電。在此期間，直流電將通過匯流箱，在直流配電柜的作用下進入逆變器，之后由直流電轉換為交流電。最后，三相低壓將通過交流配電柜的輸出連接至電網。

2 雷電對江西省光伏發電站的危害

2.1 直擊雷的危害

在直擊雷電流進入被擊中物體時，常常會產生破壞力非常強的機械力效應和熱效應。由于江西省光伏電站主要部署在空曠的郊區，太陽能電池板是固定和暴露的，在其附近沒有高層建筑進行防護，因此直接雷擊的風險很大。雷擊后，即刻會有上萬安培的雷電電流產生。如果暴露在光伏陣列外部的金屬部件被雷電直接擊中，此時的光伏發電系統若缺乏有效的防雷系統，雷擊中的強雷電電流會對光伏電站帶來不同程度的危害。

2.2 感應雷的危害

感應雷一般通過靜電感應和電磁感應侵入導體，進而危害光伏電站。太陽能光伏電站涵蓋多條線路，為感應雷的產生提供了較好的條件。一旦雷雨經過光伏電站，會在光伏電站內系統的每個導體上感應出相同極性和相反極性的雷雨電荷。在放電時，電荷將在短時間內被中和。因為失去約束，光伏電站中的感應電荷將在短時間內通過導體釋放，從而形成雷電靜電效應。雷電電磁感應通常由雷電云放電時雷電通道附近的瞬態電磁場造成，在光伏電站系統產生感應電動勢。在太陽能電池板上，雷電感應往往通過太陽能電池模塊的連接線傳輸至光伏發電站其他設備，容易導致光伏電站各儀器設備出現損壞[6]。

2.3 雷電波侵入

雷電波侵入是指雷電沖擊架空線路產生的感應過電壓引起的沖擊波。雷電波侵入光伏發電站大體上有2種方式：一種是雷電脈沖波依靠連接光伏系統的金屬管道侵入光伏電站，如電源線、接地線、信號線等途徑；二是雷電波通過架空線路侵入整個光伏電站。此類雷電波侵入對光伏電站的負面影響十分嚴重。

3 江西省光伏電站遭受雷擊的主要損壞形式

3.1 太陽能電池板遭雷擊

作為光伏發電系統的關鍵構成，太陽能電池大體由半導體硅材料制成。其不僅起到舉足輕重的作用，而且對高壓反應十分敏感。在直擊雷產生的情況下，強烈的雷電熱效應造成的損害不容忽視。雷擊太陽能電池板形成的高壓會導致硅材料的表面或內部結構受損，從而影響太陽能電池組件的使用壽命[7]。

3.2 接地系統的接地電位反擊

光伏電站通常布置在山區，還有部分電池板甚至直接架設在巖石上。由于接地電阻較大，光伏電站附近形成的接地電位雷擊同樣會危害整個光伏電站。

3.3 控制系統遭受雷擊

除了控制器和逆變器等電子設備，

光伏電站還擁有單軸和雙軸光伏模塊、發電計量系統和發電監控系統等電子設備。這些儀器通常對電磁環境有很高的要求。如果雷電感應過電壓非常強，往往會損壞光伏電站的電子設備。

4 光伏發電站防雷減災策略

4.1 直接雷防護策略

4.1.1 熱斑效應分析 接閃桿廣泛分布在光伏電站，不可避免地在光伏面板上產生大范圍陰影。這部分陰影的出現不但會對光伏電站的發電效率造成不同程度的影響，而且會形成熱斑，并損壞光伏電站電池板。因此，光伏電站防雷時應高度重視熱斑效應。在采取防雷策略前，清晰熱斑效應的產生的主要原因。在發電過程中，被遮蔽的太陽能電池模塊將成為一個負載，并將其他太陽能電池模塊用光產生的能量消耗而產生熱量，即熱斑效應，這將對太陽能電池模塊帶來一定的危害[8]。

4.1.2 光伏方陣接閃器 根據建筑物防雷設計規范的要求，光伏電站光伏電池組件、直流匯流箱、配電箱、變壓器平臺、光伏發電機組支架、并網逆變器等構筑物均屬于三類防雷建（構）筑物。通過滾球法計算避雷器的保護范圍和高度[9]。其中，光伏陣列的直接防雷是一個大問題。可以選擇不對稱或不等高的避雷針（接閃器），還可以選擇升降式避雷器，以避免 “熱斑效應”的產生。這種技術措施防雷成本非常高，并且不能完全保護所有電池模塊，因此，最經濟、最可靠的防雷減災策略是選用太陽能電池板附近的金屬框架作為避雷器。當發生直接雷擊時，雷電直接穿過金屬框架并立即釋放至地面，避免直接雷擊對太陽能電池板造成損壞。

接閃器敷設的要求和材料規格：①接閃器的布置應確保被保護的建（構）筑物和設備都處于接閃器的保護范圍；②專門部署的接閃器應處在光伏方陣的北邊，接閃器的部署高度應考量太陽光對光伏方陣的影響；③通常而言，光伏方陣的金屬框架可用作接閃器[10]；④當升壓變電站的單個接閃器桿由熱浸鍍鋅圓鋼或鋼管制成時，桿長不超過1 m的圓鋼直徑應≥12 mm，鋼管直徑應≥20 mm，厚度應≥0.5 mm；避雷針長度為1～2 m時，圓鋼直徑≥16 mm，鋼管直徑≥25 mm，厚度≥0.5 mm。選用單根熱浸鍍鋅扁鋼時，最小截面積≥50 mm2，厚度≥2.5 m；當使用單個熱浸鍍鋅圓鋼時，最小截面積應≥50 mm2，直徑應≥8 mm；⑤避雷帶支撐卡高度≥150 mm，支撐卡間距≤1 000 mm，敷設平直，焊接牢固，無直角彎曲；應與避雷帶相符，網格尺寸應滿足防雷標準[11]；⑥架空接閃器的導線應為截面≥50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線或銅線；⑦金屬網圍欄應連接到光伏陣列區域的接地網或單獨接地。需要關注的是，在單獨接地時接地電阻應≤10 Ω；⑧接閃器均應都采取防腐措施。

4.1.3 太陽能電池方陣引下線 光伏方陣的金屬支架可充當引下線。若光伏陣列支架由非金屬復合材料或混凝土預制件制成，則有必要部署獨立的引下線[12]。當光伏板的金屬支架用作引下線時，柱間距的材料規格和間距、獨立避雷針的引下線，現場建筑的引下線應滿足以下要求：①光伏組件的金屬支架和建筑內部的鋼筋和鋼柱可充當自然引下線；②若沒有自然引下線，光伏電站系統專用引下線的平均間距應≤25 m；避雷針需敷設2根引下線，并對稱布置；所有引下線應進行防腐處理。

4.1.4 光伏方陣的接地裝置 光伏方陣接地裝置的布設布置應符合《電氣設備工程接地裝置施工及驗收規范》的規定，并應設計為閉環環形接地極。金屬支架每間距10 m左右和接地裝置對稱連接，要求接地電阻≤4.0 Ω[13]。為有效防止跨步電壓，水平接地極應在土壤中鋪設至少0.8 m深或0.5 m厚的礫石瀝青路面。為了防止陰極放電對接地極的腐蝕，人工接地極應選用石墨或銅包鋼接地極，且在電阻率較高的環境中應使用長效降阻劑。

4.2 雷電感應、雷電波防護策略

4.2.1 等電位連接 光伏方陣的金屬框架需要彼此連接以形成電路。金屬支架和金屬框架應保持可靠連接狀態。每排金屬支架應至少在附近2點處連接至光伏陣列的環形接地網[14]。電纜屏蔽層或金屬屏蔽管要求和附近的方形金屬框架或支架進行等電位連接。匯流箱需要配備接地端子排。進出匯流箱的電纜的金屬護套、浪涌保護器（SPD）的接地線、屏蔽金屬管和匯流箱的金屬外殼均要求與接地端子可靠連接。對于室內發電設備和線路的等電位連接，應在集中控制室、繼電器室、逆變器、變壓器等設施中設置總等電位接地端子，以屏蔽進出金屬管道、電力電纜和信號電纜，并連接至相鄰的總等電位連接端子。各個配電箱或柜還應配備局部等電位接地端子排。設備的金屬外殼、電纜屏蔽層、靜電接地和保護接地、金屬管槽以及機柜本身等均要求與等電位接地端子板保持連接，并且連接距離需要處于最短狀態。

4.2.2 屏蔽 屏蔽是將建筑物、線路、電子設備和外部電磁屏蔽隔離，防止電磁脈沖和感應高壓的產生。在光伏電站中，逆變器升壓室往往應先采用基礎鋼筋、金屬框架、梁柱鋼筋和防雷引下線形成法拉第籠，且將其接地，最大限度地避免雷電電磁波的傷害。為了最大限度地減少雷電干擾的功率損耗和電容耦合，光伏電池陣列的直流輸出電纜不應過長。光伏電站中，每個電池的逆變器升壓也應布置在各個光伏發電單元附近，并且還需部署于方陣的中心區域，以有利于電纜的有效連接。再者，應做好線路的屏蔽工作。光伏電站場地內的電纜最好沿電纜箱和橋架敷設。箱蓋和橋蓋可以更可靠地屏蔽電纜；在電纜局部埋設的區域，通常使用電纜保護管進行保護，最大限度地避免雷擊事件的發生。

4.2.3 浪涌防護器（SPD） 為了更好地保護光伏電站，避免其遭受雷擊，還應在站內裝設浪涌防護器（SPD）。設置時應注意以下事項：①采用的浪涌防護器（SPD）要求滿足防雷規范且經過國家認可的測試實驗室檢測認證；②浪涌防護器（SPD）要求可承受預期的浪涌電壓；③浪涌防護器（SPD）應布設在所有防雷區域的連接位置；④浪涌防護器（SPD）的Uc（最大連續工作電壓）值應符合相關標準的要求；⑤浪涌防護器（SPD）接地線的規格和長度也應該與規范要求相符。一級開關或限壓浪涌保護器（SPD）的相線銅線的最小截面積要求＞6 mm2，接地銅線的最小截面面積應＞10 mm2；二次限壓浪涌保護器（SPD）相銅線的最小截面積＞4 mm2，接地銅線的最小截面面積應＞6 mm2；三級限壓浪涌保護器（SPD）相線的銅導體最小截面積應＞2.5 mm2，接地銅線的最小截面積＞4 mm2；四級限壓浪涌保護器（SPD）的相銅線最小截面積也應＞2.5 mm2，接地銅線的最小截面積應＞4 mm2。各級浪涌防護器（SPD）的接地線應短而直，長度應≤0.5 m；⑥如果浪涌保護器（SPD）安裝在線路上的多個位置，開關浪涌保護器和電壓限制浪涌之間的線路長度應≥5 m。一旦不符合上述要求，則需要專門設計去耦元件；⑦浪涌防護器（SPD）接地線和接地裝置之間連接點的導電電阻應≤50 mΩ。

4 結束語

作為國家重點扶持的新興產業，光伏行業一直受到國家政策的大力支持。隨著我國光伏發電產業的快速發展，國內光伏電站數量逐步增加。然而，由于光伏電站施工區域環境的特殊性，以及光伏電站內設備和電纜數量眾多，極易引發雷電事故。當閃電直接擊中太陽能電池板時，設備將輕度受損，嚴重時系統將直接癱瘓。因此，光伏電站的防雷保護尤為重要。防雷技術人員應根據光伏電站雷電方法要求，采取科學有效的多層次防雷策略，最大限度地減少雷電對光伏電站的危害，確保光伏電站的安全運行。

參考文獻

[1] 楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社， 2009.

[2] 李軍.光伏發電并網技術現狀及發展趨勢分析[J].市場周刊（理論版），2017 （28）：154.

[3] 寧翔.國內分布式光伏發電產業現狀與發展前景[J].節能，2017（11）：14-19.

[4] 薛濤，李志棟，王建勃.太陽能光伏發電技術的應用現狀及發展趨勢[J].電力系統裝備，2018（7）：100-101.

[5] 李艷坤，周榮斌.光伏發電的現狀及發展前景[J].現代工業經濟和信息化， 2021（1）：53-54.

[6] 李輝，陳江波，尹晶，等.大型光伏發電站防雷研究[J].中國電力，2014，47（1）： 112-117.

[7] 李祖逖.太陽能光伏電站的防雷及接地[J].青海科技，1997（3）：11-14，18.

[8] 楊仲江，蔡然，徐彬彬.光伏電站防雷裝置與熱斑效應分析[J].電氣應用，2012， 31（1）：52，82-85.

[9] 邵振輝.并網系統光伏電站防雷設計淺談[J].農業與技術，2019，39（8）：178-180.

[10] 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（6）：763-766.

[11] 高金輝，馬高峰，王虹霞.光伏發電系統的防雷設計[J].河南師范大學學報（自然科學版），2013，41（3）：42-45.

[12] 張輝.分布式光伏發電站雷電防護技術探析[J].電子科學技術，2017，4（5）： 25-27，31.

[13] 馬秋琛.并網系統光伏電站防雷設計淺談[J].環球市場，2019（15）：110，159.

[14] 郭繼堯.光伏并網發電系統防雷設計淺析[J].電氣時代，2015（10）：76-78.

Analysis of the Impact of Lightning Strikes on Photovoltaic Power Stations in Jiangxi Province and Strategies for Lightning Protection and Disaster Reduction

Lu Min （Jiangxi Provincial Climate Center， Nanchang， Jiangxi 330096）

Abstract In today’s rapidly developing environment of China’s economy and technology， the economic losses caused by lightning are increasing， and lightning protection work has also begun to receive widespread attention from the public. Solar energy， as a clean and environmentally friendly energy source， has developed rapidly in recent years and is gradually being applied in various fields. And while everyone was enjoying the convenience it brings， they also begin to pay attention to the lightning protection work of photovoltaic power stations. Based on the system situation and lightning protection experience of photovoltaic power stations，explored the impact of lightning strikes on photovoltaic power stations in Jiangxi Province， and summarized the lightning protection and disaster reduction strategies of photovoltaic power stations for reference.

Key words Lightning strike; Photovoltaic power station; Influence; Disaster prevention and reduction