沿海地區并網光伏發電系統防雷技術常見問題分析

摘 要：針對沿海地區并網光伏發電系統在雷電防護方面的常見問題進行深入探討。概述了并網光伏發電系統的防雷裝置，介紹了防雷裝置被腐蝕、引下線裸露及雷電流經線路侵入等三大常見問題，并提出了相應的解決策略與防護措施，旨在提升沿海地區并網光伏發電系統的雷電防護能力，保障并網光伏發電系統建設與安全生產運營，減少雷電災害對系統性能與經濟效益的影響。

關鍵詞：并網光伏發電系統；防雷技術；沿海地區；外部防雷裝置

中圖分類號：P429 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

地球上絕大部分能量源泉為太陽。光伏發電是從太陽獲取能量發電，其轉移了人類對化石燃料發電的依賴，又滿足了當前能源市場和低碳經濟發展的需求[1]。

但由于沿海地區空氣濕潤，光伏發電站點常選址于空曠多雷區，光伏陣列的邊框和支架均為金屬材料，使得光伏發電系統容易遭受雷擊。對此，為了確保沿海地區并網光伏發電系統安全、穩定地運行，對光伏發電系統的防雷裝置采取有效的保護十分必要。

1 并網光伏發電系統的防雷裝置概述

1.1 并網光伏發電系統的基本組成與工作原理

光伏發電系統是利用太陽能電池的光伏效應將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統，兼具環保與可持續性[2]。其主要分為并網光伏發電系統（圖1）和離網光伏發電系統，并網光伏發電系統是最常見的光伏系統。

并網光伏發電系統核心由光伏陣列（由多塊太陽能電池板構成，負責光電轉換）、逆變器（將直流電轉為交流電以并入電網）及計量系統（監測并記錄電能產出與消耗）構成。此外，還包括電纜、匯流箱（整合與分配電能）、保護設備與開關（提供電氣保護以防過載、過壓等異常）、雷擊防護裝置（抵御自然災害對系統的影響）及標識（便于運維管理）。其設計壽命一般為25年。

1.2 防雷裝置的主要組成部分及其功能

并網光伏發電系統的防雷裝置主要由外部防雷裝置和內部防雷裝置兩大部分組成（圖2）。

外部防雷裝置主要用于防護直擊雷，包括接閃器、引下線和接地裝置。接閃器作為整個防雷系統的“前鋒”，能夠有效吸引和承接雷電，并將其引入地下；引下線負責將接閃器承接的雷電安全地導入地下，防止雷電電流對系統造成破壞；接地裝置則是整個防雷系統的“終點”，它將雷電電流導入大地，從而保護系統免受雷擊[3]。

而內部防雷裝置主要用于減小和防止雷電流在光伏發電系統產生的電磁效應。這包括共用接地裝置、等電位連接、合理布線、屏蔽和浪涌保護器等措施。共用接地裝置確保了所有防雷設備能夠協調工作，等電位連接降低了因電位差引起的反擊風險，合理布線避免了電纜成為雷電的傳輸路徑，屏蔽減少了雷電電磁脈沖對設備的干擾，而浪涌保護器則能在雷電侵入時迅速響應，保護設備免受損害。

2 沿海地區并網光伏發電系統防雷技術常見問題

2.1 防雷裝置被腐蝕

沿海地區特有的海洋大氣環境對防雷裝置的腐蝕具有顯著影響。首先，沿海地區濕度較大，空氣中水分含量高，這使得金屬材料的表面容易形成水膜，加速了電化學腐蝕的過程。其次，沿海地區酸雨現象較為嚴重，酸雨中的酸性物質能夠侵蝕金屬材料，導致防腐涂層失效，進而引發更嚴重的腐蝕。最后，沿海地區的工業分布密集，環境污染嚴重，空氣中的污染物也會對防雷裝置造成腐蝕。

在海洋大氣環境的侵蝕下，防雷裝置的金屬材料腐蝕速率不斷增大。腐蝕會導致防雷裝置的厚度變小，結構強度降低，進而使其防護能力下降。此外，腐蝕還會引發防雷裝置的連接處松動、斷裂等問題，影響防雷系統的整體性能。

防雷裝置腐蝕老化導致其防護能力減弱，一旦遭遇雷擊，無法有效引導雷電流安全地流入大地，反而可能使雷電流在系統內部產生高電壓、強電流，引發光伏組件、逆變器、配電設備等關鍵部件的過電壓損壞，甚至導致系統短路、火災等嚴重安全事故。

光伏發電系統與電網并網運行時，若防雷裝置失效，可能導致雷電能量直接侵入電網，造成局部電網電壓波動、諧波失真、過電壓等電能質量問題，影響電網穩定運行，對其他并網設備及用戶用電安全構成威脅。此外，頻繁的雷擊故障可能導致光伏發電系統脫網、停機檢修，影響其發電能力和經濟效益，同時給電網調度帶來額外負擔。

2.2 引下線裸露

在并網光伏發電系統的設計中，為了簡化結構、降低成本并充分利用現有資源，通常將光伏組件的金屬支架作為防雷系統的引下線。這種設計利用光伏陣列大面積的金屬結構，將其與大地之間建立可靠的電氣連接，形成一個完整的雷電流疏導通道。金屬支架作為引下線時，一般會確保其與光伏組件邊框、支架等金屬部件良好連接，并通過接地極將雷電流導入地下，實現雷電防護[4]。正常情況下，當人員接觸這些已接地的金屬部件時，由于電位相同，不會形成電流流過人體，從而避免電擊事故的發生。此外，良好的接地還能減少雷擊時產生的電磁干擾，保護電子設備正常工作，間接消除因設備故障引發的安全隱患。

然而在雷暴雨等極端天氣條件下，引下線（金屬支架）裸露可能會導致接觸電壓問題。當雷擊發生時，巨大的雷電流通過引下線迅速流入大地，會在引下線周圍形成瞬態的電位分布，即地電位升高區。若引下線與附近接地不良或未接地的金屬物體之間存在電位差，人員在雷擊期間或之后接觸這些物體時，就可能承受較高的接觸電壓，引發電擊事故。此外，雷擊后，引下線周圍的地面電位分布并不均勻，距離引下線越近、電位越高。當人員在雷擊區域內行走時，兩腳間可能出現較大的電位差，即跨步電壓。當跨步電壓超過人體承受閾值時，電流會通過人體從一只腳流向另一只腳，造成跨步電壓電擊。尤其在雷暴雨天氣，地面濕滑，人員行動不便，更易誤入高電位區域，增加遭受跨步電壓電擊的風險。

2.3 雷電流經線路侵入

光伏陣列的組件邊框通常為金屬材質，且具有較大的表面積，能夠有效捕捉并傳導雷電放電。將其作為接閃器，一方面，利用了已有結構，簡化了防雷系統，降低了成本；另一方面，由于組件邊框與光伏陣列緊密相連，能夠更快速、更直接地將雷電流引入接地系統，縮短了雷電在系統內部傳播的時間和距離，減少了雷電對其他電氣設備的沖擊。

當雷擊光伏陣列時，雷電流通過邊框（接閃器）迅速流入接地系統。然而，部分雷電流可能沿著光伏陣列與支架間的電氣連接、電纜等線路侵入系統內部，途徑LPZ01區和LPZ02區進入LPZ1區。在LPZ1區中的電子系統設備由于其耐過電壓能力低，雷電流的侵入所產生的電磁效應、熱效應會對電子系統設備造成干擾或永久性損壞。

具體來說，雷電流通過線路時，其高幅值和短時間內的巨大能量釋放會產生強烈的熱效應，可能導致線路絕緣層燒損、電纜過熱、連接點熔斷等現象，嚴重時引發火災；雷電流對電子設備的直接沖擊、電磁干擾和熱效應可能導致元器件損壞、電路板燒毀等永久性損傷，需要更換或修復才能恢復設備功能。

3 并網光伏發電系統防雷技術問題的對策

3.1 減少防雷裝置的腐蝕老化

在自然環境中，金屬腐蝕屬于電化學腐蝕的范疇。該腐蝕過程涉及金屬與電解質溶液之間的電化學反應，導致金屬逐漸損失其原有性質和功能。針對這種情況，提高防雷裝置材料的抗腐蝕老化性能成為關鍵。

熱鍍鋅鋼和銅包鋼作為耐腐蝕性能優異的材料，被廣泛應用于防雷裝置。熱鍍鋅鋼通過熱鍍鋅工藝在鋼材表面形成一層堅固的鋅層，從而有效隔絕金屬與環境的接觸，減緩腐蝕速度。而銅包鋼則結合了銅的耐腐蝕性和鋼的強度，為防雷裝置提供了雙重保障。

除了選擇合適的材料，增加防雷裝置材料的厚度和擴大直徑也是提高抗腐蝕性能的有效手段。增加材料的尺寸可以提高其結構強度，即使在一定程度上發生腐蝕，也能保持足夠的機械性能和防護能力。同時，在焊接處刷涂瀝青漆等防腐涂層也是常用的防護措施之一。瀝青漆具有良好的附著力和耐候性，能夠有效隔絕金屬與潮濕環境的接觸，防止電化學腐蝕的發生。此外，當在沿海地區敷設接地裝置采用鍍鋅鋼時，還應注意避免將敷設于混凝土中的鍍鋅鋼延伸至土壤。這是因為土壤中的電解質溶液會加速鍍鋅鋼的腐蝕速度，從而縮短其使用壽命。

3.2 采取合理、有效的防接觸電壓和跨步電壓措施

首先，技術人員可以利用光伏陣列的支架作為引下線，確保支架之間相互貫通，并且至少有10根支柱組成引下線系統。如此，雷電流可以通過引下線迅速導入地下，減少在支架上積聚的可能性。

其次，網狀接地裝置的運用也至關重要。通過在地面布置網狀接地裝置，可以有效地對地面進行均衡電位處理，減小地面電位差，從而減少跨步電壓的產生。這種裝置能夠有效地分散雷電流，減少其對地面的沖擊。

再次，可在人行通道敷設5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層，這些材料具有良好的絕緣性能，能夠隔絕電流與地面的直接接觸，減少接觸電壓的發生。同時，瀝青層和礫石層還具有一定的厚度，能夠進一步減少電位差，提高安全性。

最后，還應設置明顯的警告牌，以提醒人員注意光伏陣列支柱的存在。這些警告牌應放置在顯眼的位置，用醒目的文字和圖案標明危險區域，使人員能夠迅速識別并避免接觸。

3.3 防雷擊電磁脈沖

并網光伏發電系統的線路較為復雜，由光伏組件和系統元件相互連通，一旦光伏發電系統被雷擊擊中，所產生的雷擊電磁脈沖往往會造成設備損害、停運檢修，經濟損失巨大。為了避免系統出現故障，應采取有效的防雷擊電磁脈沖措施降低組件損壞的風險。

首先，光伏匯流箱、逆變器和配電柜應處于接閃器的保護范圍內。從配電柜引出的配電線路應敷設在金屬槽盒或鋼管內。金屬槽盒或鋼管的一端應與配電箱和匯流排相連，另一端應與光伏陣列相連，并就近與防雷裝置相連接。當金屬槽盒或鋼管在敷設的過程中中間斷開時應設跨接線。

其次，在配電柜內開關的電源側應裝設Ⅰ級試驗的電涌保護器或Ⅱ級試驗的電涌保護器，其有效保護水平Up/f應小于配電系統中設備的耐沖擊電壓額定值Uw，標稱放電電流值應根據具體情況確定。推薦使用金屬氧化物壓敏電阻電涌保護器作為保護，其應有電流保護裝置和劣化指示功能，并接入電氣系統在線監測系統。

最后，當規劃系統電纜路徑時，光伏陣列的布線路徑應當使所有導電環路最小化，避免出現大回路，以減少雷擊引起光伏陣列線路過電壓的風險。

4 結束語

沿海地區由于其特殊的地理位置和氣候條件，使得并網光伏發電系統的防雷顯得尤為重要。通過選用耐腐蝕材料、改善環境以延緩裝置腐蝕；利用光伏支架構成引下線、敷設絕緣層等降低安全隱患；確保關鍵設備在接閃器保護范圍、安裝電涌保護器、優化電纜路徑以綜合防雷等措施，可以顯著提高沿海地區并網光伏發電系統的防雷能力水平，有效發揮防雷技術在發電系統防災減災工作中的重要作用，為氣象防災減災抗災工作貢獻力量。

參考文獻

[1] 劉景洪，粟鍇，程小芳.太陽能光伏發電站防雷檢測流程與方法探析[J].低碳世界，2017（21）：104-105.

[2] 王玉榮，王雅文.淺談光伏電站防雷標準技術的應用[J].標準科學，2015（7）：69-72.

[3] 李云龍.建筑物防雷規范應用實例：以淄博市某大廈為例[J].科技風，2019（20）：114，116.

[4] 《建筑物及電子信息系統隔離防雷技術標準》團體標準啟動編制[J].現代建筑電氣，2019，10（2）：65.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：李紹震（1994—），男，廣東湛江人，助理工程師，研究方向為雷電防御。