泉州市雷電災害對光伏發電系統的影響與雷電防護裝置檢測技術

楊主通 廖昱航 廖曉婷

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：楊主通（1985—），男，福建泉州人，助理工程師，主要從事雷電防護檢測工作。

摘? 要：隨著全球能源結構的轉型和清潔能源的推廣，光伏發電因其綠色、可再生的特性而得到廣泛應用。然而，光伏發電設施多數建設于戶外，因此極易受到自然災害的影響，尤其是雷電災害。以泉州市為例，針對雷電災害對光伏發電系統的影響與雷電防護裝置檢測技術進行了深入探究。概述了泉州市雷電災害特征和光伏發電發展概況，分析了光伏發電系統的結構特點與雷電敏感性和雷電對光伏發電系統的具體影響，討論了光伏發電系統防雷設計與技術，探討了泉州市光伏發電系統的雷電防護裝置檢測技術，旨在提升光伏發電系統的防雷性能和抗雷擊能力，為泉州市光伏發電系統防雷設計與維護提供理論支持和技術參考。

關鍵詞：雷電災害；光伏發電；防雷檢測；泉州市

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

泉州市位于福建省東南部，屬亞熱帶海洋性季風氣候，全年濕度大，云層活躍，加之沿海地理位置，雷電活動較為頻繁。氣象資料顯示，泉州市每年雷暴日數較多，雷電活動具有明顯的季節性特征，通常春夏季節較為集中，尤其是在梅雨季節和夏季午后，雷電活動尤為活躍。此外，雷電災害常常伴隨著強風、暴雨等極端天氣，加重了其危害程度。

近年來，隨著光伏發電系統在泉州市的大規模部署，雷電災害對光伏發電系統的影響日益凸顯。雷電災害對光伏發電系統的影響不僅體現在直擊雷造成的設備損毀，還包括雷電電磁脈沖引起的間接損害，會對光伏電站的經濟效益和運行安全性造成嚴重影響[1]。因此，研究泉州市雷電災害對光伏發電系統的影響，探索有效的雷電防護裝置檢測技術，對于保障光伏發電系統的安全穩定運行具有重要意義。

1 泉州市雷電災害的特征分析

泉州市地處亞熱帶季風氣候區，由于海洋性氣候特征顯著，暖濕空氣活躍，加上地形起伏和沿海效應的影響，區域內雷電活動較為頻繁。根據歷年氣象資料，泉州市的雷電活動表現出明顯的季節性和地域性特征。在季節性規律方面，雷電活動主要集中在每年的春、夏季節，特別是4—9月期間，此階段降雨充沛，大氣不穩定，雷暴天氣頻發；在地域性規律方面，山區和平原、沿海和內陸區域的雷電活動強度和頻率有所不同，山區及近海地區由于地形復雜、溫差大，更容易形成雷暴云團，雷電災害的發生概率相對較高。

2 泉州市光伏發電的概況

泉州市的光伏發電發展迅速。自2015年以來，泉州市的光伏發電裝機容量從5.9萬kW增長至50.5萬kW，年均增長率達到53.6%。這一增長速度顯示出泉州市在光伏發電領域的積極布局和快速發展。當前，泉州市正在積極創建新能源產業創新示范區核心區，推動儲能電池、光伏裝備制造基地的建設，以此加快新能源產業的發展。同時，泉州市還計劃結合新能源汽車規劃，適度發展太陽能光伏充電站、光伏車棚，并在資源、環境條件適宜的地區大力推廣光伏路燈、風光互補等設施。可見，泉州市不僅在光伏發電裝機容量上取得了顯著的增長，還在新能源產業的規劃和發展上也展現出了遠見和實力。通過一系列的政策支持和產業引導，泉州市的光伏發電產業有望在未來繼續保持快速的增長。

3 光伏發電系統的結構特點與雷電敏感性

3.1 結構特點

光伏發電系統通常由太陽能電池板陣列、逆變器、控制器、儲能設備（如蓄電池）以及電網接口等部分構成[2]。其中，太陽能電池板一般安裝在開闊地帶或建筑物屋頂，直接暴露在大氣環境中，由于其分布廣泛且位置較高，容易成為雷擊的目標。直流/交流轉換環節，電池板產生的直流電需經過逆變器轉換為交流電并接入電網，這一過程中的電力電子設備對過電壓和過電流非常敏感。光伏系統的各個組件之間需要良好的電氣連接和接地，以確保安全運行，并提供低阻抗的路徑給可能產生的雷電流。高度自動化的監控和管理系統使得整個系統包含大量的電子元器件和通信線路，這些部件在雷電環境下容易受到雷擊電磁脈沖（LEMP）的影響。

3.2 雷電敏感性

第一，直擊雷風險。由于太陽能電池板陣列處于露天環境，容易遭受直擊雷，強烈的雷擊所產生巨大的能量可能導致電池板瞬間高溫燒毀，同時通過電氣線路傳導至其他設備，造成大面積損壞。

第二，感應雷電。即使沒有被直接擊中，附近的雷擊活動也可能通過電磁感應作用在光伏系統內產生很高的瞬態過電壓，這會對系統的絕緣性能和內部電子元件造成威脅。

第三，閃電電涌侵入。當雷電通過電網線路或其他導體間接影響到光伏發電系統時，會產生閃電電涌，如果沒有有效的防護措施，這些浪涌電壓和電流足以摧毀逆變器、控制器等關鍵設備[3]。

第四，雷擊電磁脈沖，雷擊過程中產生的強大電磁場能在通信線纜上感應出電壓，從而對光伏發電系統的控制和監測網絡造成破壞。

4 雷電對光伏發電系統的影響

4.1 直擊雷對光伏組件、逆變器等設備的破壞

直擊雷是指雷電直接擊中光伏組件的情況。當雷電擊中光伏組件時，會產生極高的電壓和電流，這些能量會在極短的時間內釋放，對光伏組件造成嚴重的破壞。直擊雷可能導致光伏組件的玻璃破碎、電池片斷裂、電路短路等，還可能引發光伏組件內部的熱效應，導致組件內部的溫度急劇升高，從而損壞組件的結構和性能。

逆變器是光伏發電系統中的重要設備，負責將光伏組件產生的直流電轉換為交流電。當逆變器遭受直接雷擊時，其內部的電子元件可能由于承受不住高電壓和高電流的沖擊而損壞，導致逆變器無法正常工作，甚至引發火災等安全事故。直擊雷還可能對逆變器的控制電路和通信接口造成破壞，使逆變器失去控制功能，進而影響整個光伏發電系統的運行。

4.2 雷擊電磁脈沖對系統電氣設備的影響

當雷電擊中光伏發電系統附近的地面或其他物體時，會在瞬間產生巨大的電流和輻射電磁場。電磁場會在系統中產生感應電動勢和感應電流，進而對電氣設備造成干擾和損害。

第一，對電氣設備的直接損壞。高能量的雷擊電磁脈沖可能直接破壞電氣設備的絕緣層，導致設備短路或損壞。對于一些微電子器件，由于其承受電壓和電流的能力較弱，更容易受到雷擊電磁脈沖的損害。

第二，干擾電氣設備的正常運行。雷擊電磁脈沖產生的干擾信號可能進入系統的電路和控制回路，干擾電氣設備的正常運行。這種干擾可能導致設備誤動作、信號失真或數據丟失，進而影響整個光伏發電系統的穩定性和效率。

第三，對通信和數據傳輸的影響。光伏發電系統中通常包含大量的通信和數據傳輸設備，如傳感器、數據采集器等。雷擊電磁脈沖可能干擾這些設備的通信和數據傳輸過程，導致信息丟失或誤傳，并由此影響系統的監控和管理[4]。

4.3 雷電災害對光伏發電系統性能和壽命的影響

第一，組件性能。遭受雷擊后，即使光伏組件未完全損壞，也可能由于局部熱效應或電致退化而導致組件性能衰減，表現為轉換效率降低、發電量減少。

第二，控制與逆變設備。雷電引起的電氣故障可能導致逆變器效率下降，輸出不穩定，甚至頻繁宕機，嚴重影響了整體系統的發電效率和可靠性。

第三，硬件設備的壽命。雷電災害造成的硬件損壞往往意味著設備需要更換，增加了運營成本。即使修復后，設備的預期壽命，也可能因內部元件受到的潛在損害而縮短。

第四，安全風險增加，雷電災害可能觸發火災或爆炸，對人員和財產安全構成威脅，同時也對系統完整性帶來不可逆的損害。

第五，經濟損失。系統停止運行期間無法發電，會造成經濟效益的直接損失。此外，維修和替換受損部件的成本較為高昂，特別是大型光伏電站，一次嚴重的雷擊事件就可能導致巨大的經濟損失[5]。

5 光伏發電系統的防雷設計與技術

5.1 光伏電站的防雷設計原則與國家標準規范

光伏電站防雷設計的首要原則是保證系統的安全性和穩定性。設計時，必須遵循國家標準和相關規范，如《建筑物防雷設計規范》《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》等。這些標準規范對防雷設施的布置、接地系統的構建、設備的耐壓水平等都有明確要求，是光伏電站防雷設計的依據和指導。

光伏電站防雷設計應考慮以下因素：光伏電站所在地的雷電活動規律和特點，包括雷電活動的頻率、強度、分布等；光伏電站的規模和布局，包括光伏組件的排列方式、支架的結構、逆變器的位置等；系統的耐雷水平，即系統在雷電作用下的安全性、穩定性[6]。

5.2 光伏發電系統的直擊雷防護措施

直擊雷防護措施是光伏電站防雷設計的重要組成部分，其主要目的是防止雷電直接擊中光伏組件、支架等關鍵設備，造成設備損壞和火災等嚴重后果。具體的防護措施包括：

第一，安裝接閃桿或接閃帶。在光伏電站的關鍵部位，如光伏組件陣列的邊緣或支架的頂部，安裝接閃桿或接閃帶，以吸引和分流雷電電流，避免其直接擊中光伏組件。

第二，接地系統。建立完善的接地系統，將接閃桿、支架、光伏組件等設備的金屬部分與大地連接，確保雷電電流能夠迅速泄入大地，避免在設備內部產生高電壓。

第三，絕緣防護。對光伏組件和電纜等關鍵部件進行絕緣處理，提高其耐雷擊能力。

5.3 光伏發電系統的感應雷防護措施

感應雷防護措施主要針對LEMP對光伏發電系統電氣設備的干擾和損壞。其目標是通過技術手段，減少雷擊電磁脈沖對系統的影響，保障系統的正常運行。具體的防護措施包括：

第一，使用電涌保護器（SPD）。在光伏電站的電源入口、逆變器輸入端等關鍵位置安裝電涌保護器，以限制雷擊電磁脈沖引起的過電壓和過電流，保護電氣設備免受損壞[7]。

第二，屏蔽措施。對關鍵電氣設備和線路進行屏蔽處理，使用金屬屏蔽網或屏蔽管將線路包裹起來，減少雷擊電磁脈沖對它們的干擾。

第三，等電位連接。將光伏電站內的金屬設備、管道、構架等通過等電位連接帶進行連接，形成一個等電位體，以消除雷擊電磁脈沖引起的電位差，防止電氣設備的損壞。

6 泉州市光伏發電系統的防雷檢測技術

6.1 雷電防護裝置的定期檢測與維護

對于泉州市的光伏發電系統，雷電防護裝置的定期檢測與維護是確保系統安全穩定運行的重要措施。定期檢測的內容包括：檢查接閃桿、接閃帶等接閃器的完好性，確保其無銹蝕、斷裂或移位；檢查引下線與接地裝置的連接是否牢固，有無松脫或腐蝕現象；對防雷器件進行功能測試，確保其處于正常工作狀態。維護方面，主要是清理接閃桿、接閃帶等接閃器上的積塵和雜物，保持其清潔；對銹蝕或損壞的部件進行更換或修復；緊固松動的連接螺栓，確保電氣連接良好。

6.2 接地電阻測量與接地系統的檢測

接地電阻是衡量接地系統性能的關鍵指標，它反映了接地裝置與大地之間的電氣連接情況。定期測量接地電阻，可以及時發現接地系統存在的問題，確保其在雷電作用下能夠有效地泄放電流。接地電阻的測量通常采用四極法或三極法，根據測量結果，結合相關標準規范，可以判斷接地系統是否滿足要求。同時，還需要對接地裝置的完好性、連接情況等進行檢測，確保其處于良好的工作狀態。

6.3 防雷器件性能的檢測與評估

防雷器件是光伏發電系統防雷的重要組成部分，能夠限制雷電過電壓和過電流，保護電氣設備免受損壞。因此，對防雷器件的性能進行檢測與評估具有重要意義。性能檢測包括：檢查防雷器件的外觀是否完好，無損壞或變形；通過試驗設備對防雷器件進行功能測試，如沖擊放電電壓、殘壓等指標的測量；根據測試結果，判斷防雷器件的性能是否滿足要求；評估方面，主要是根據防雷器件的性能檢測結果，結合其使用環境和壽命等因素，對其進行綜合評估，提出維護或更換的建議。

6.4 雷電防護系統整體性能的評估與優化

除了對雷電防護裝置和防雷器件進行單獨檢測，還需要對雷電防護系統的整體性能進行評估與優化。整體性能評估包括，分析系統在雷電作用下的響應情況，如電壓、電流的分布和變化；評估系統對雷電的防護效果，如設備損壞率、故障率等指標；根據評估結果，找出系統存在的薄弱環節和潛在風險；優化方面，主要是針對評估中發現的問題，提出改進措施和優化方案[8]。

7 結束語

通過對泉州市雷電災害對光伏發電系統的影響及其雷電防護裝置檢測技術的深入研究，可知雷電災害對光伏發電系統的安全運行構成了巨大威脅。無論是直擊雷還是雷擊電磁脈沖，都有可能對光伏組件、逆變器以及其他電氣設備造成嚴重損害，進而影響電站的穩定運行和經濟效益。為有效抵御雷電災害，泉州市光伏發電系統嚴格按照國家防雷設計規范，采用合理的直擊雷防護措施，如安裝接閃桿、設置接閃網格以及優化接地系統，同時在電氣系統中安裝高效的電涌保護器來防御感應雷擊。相關部門應定期檢測與維護雷電防護裝置，確保接地系統性能優良，防雷器件始終處于良好的工作狀態。

參考文獻

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[8] 毛彥奎，回靜宇，王明磊.赤峰地區光伏發電雷電防護和檢測中的常見問題[J].經貿實踐，2015（16）：328.