太陽(yáng)能光伏設(shè)備防雷技術(shù)的研究

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮募ぴ觯?yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。太陽(yáng)能光伏設(shè)備作為將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵，其應(yīng)用范圍不斷拓展，從大規(guī)模的集中式電站到分布式的小型系統(tǒng)，廣泛分布于各類環(huán)境。然而，光伏設(shè)備多處于開(kāi)闊、暴露區(qū)域，極易遭受雷電襲擊，雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大能量可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、發(fā)電中斷，甚至引發(fā)安全事故。因此，深入研究太陽(yáng)能光伏設(shè)備防雷技術(shù)，對(duì)保障光伏系統(tǒng)可靠運(yùn)行、推動(dòng)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

1.雷電對(duì)太陽(yáng)能光伏設(shè)備的危害

1.1直擊雷危害

當(dāng)雷電直接擊中太陽(yáng)能光伏設(shè)備瞬間釋放的巨大能量，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)。依據(jù)焦耳定律，雷電流幅值極高時(shí)，瞬間產(chǎn)生的高溫足以使光伏組件的電池片熔化、破裂，導(dǎo)致光伏組件失效。同時(shí)，雷電流產(chǎn)生的電動(dòng)力會(huì)使金屬支架扭曲變形甚至斷裂，破壞設(shè)備結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。

1.2感應(yīng)雷危害

1.2.1靜電感應(yīng)危害

雷電發(fā)生前云層電荷使周?chē)妶?chǎng)發(fā)生變化，光伏設(shè)備金屬部件感應(yīng)出異性電荷，云層放電后感應(yīng)電荷形成瞬間高電壓，可能擊穿逆變器、控制器等設(shè)備內(nèi)部的電子元件。在雷電頻發(fā)地區(qū)，此類靜電感應(yīng)致使逆變器控制芯片損壞造成發(fā)電中斷的情況時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某雷電高發(fā)地區(qū)，部分光伏電站每年因靜電感應(yīng)導(dǎo)致逆變器故障的次數(shù)占總故障次數(shù)的 1 5 % 左右。

1.2.2電磁感應(yīng)危害

雷電放電形成快速變化的電磁場(chǎng)使光伏設(shè)備導(dǎo)線回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與磁通量變化率相關(guān)。長(zhǎng)距離的光伏陣列連接線等回路易感應(yīng)出大電流引發(fā)過(guò)熱，損壞線路與連接部件甚至引發(fā)火災(zāi)。研究表明，長(zhǎng)度超100米的光伏陣列連接線電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流可能使電纜溫度升高10至 ，加速電纜絕緣層老化。

1.3雷電波侵入危害

雷電擊中附近輸電線路等導(dǎo)體產(chǎn)生的高電壓雷電波會(huì)沿著線路侵入光伏設(shè)備，在交流側(cè)可損壞逆變器交流輸入模塊、變壓器等；直流側(cè)可能損害光伏組件、匯流箱等。靠近高壓輸電線路的光伏電站，因雷電波侵入導(dǎo)致逆變器功率模塊燒毀影響電力輸出的情況較為常見(jiàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在靠近高壓輸電線路500米范圍內(nèi)的光伏電站，每年因雷電波侵入導(dǎo)致設(shè)備損壞的概率比遠(yuǎn)離線路的光伏電站高出 3 0 %。

2.太陽(yáng)能光伏設(shè)備防雷技術(shù)措施

2.1外部防雷技術(shù)

2.1.1避雷針

避雷針是防范直擊雷的重要裝置，其原理基于尖端放電效應(yīng)。在雷電發(fā)生時(shí)，云層與地面間形成強(qiáng)電場(chǎng)，避雷針的尖端因曲率半徑小、電荷密度大，會(huì)使周?chē)妶?chǎng)畸變吸引雷電先導(dǎo)，讓雷電流通過(guò)自身導(dǎo)入大地，從而保護(hù)下方的光伏設(shè)備。光伏電站應(yīng)科學(xué)規(guī)劃避雷針的布局，要根據(jù)光伏電站的規(guī)模、地形及當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)情況，通過(guò)滾球法確定其保護(hù)范圍。對(duì)于大型光伏電站，由于占地面積大，需設(shè)置多根不同高度的避雷針構(gòu)建立體防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。例如，在平原地區(qū)的大型光伏電站，可每隔50至80米安裝一根避雷針，高度在10至20米不等。避雷針應(yīng)選用耐腐蝕、導(dǎo)電性能良好的材料，如熱鍍鋅圓鋼或鋼管，且要與接地系統(tǒng)可靠連接，接地電阻應(yīng)不大于 1 0 Ω ，以保障雷電流能迅速泄放[2]。

2.1.2避雷帶

避雷帶一般沿光伏電站的建筑物屋頂、光伏陣列邊緣敷設(shè)，它由金屬導(dǎo)體（如熱鍍鋅扁鋼）制成，與接地系統(tǒng)相連可攔截雷電，降低直擊雷對(duì)設(shè)備的損害。敷設(shè)避雷帶時(shí)要保證其連續(xù)、平整，避免出現(xiàn)尖銳拐角，因?yàn)楣战翘幰自斐呻妶?chǎng)集中影響防雷效果，與光伏組件要保持0.5至1米的距離，防止電磁感應(yīng)影響光伏組件。連接點(diǎn)需牢固可靠，要定期檢查導(dǎo)電性，防正因腐蝕等原因造成連接不良。在分布式光伏項(xiàng)目中，常將避雷帶與建筑物防雷系統(tǒng)結(jié)合，既提高了防雷效果，又降低了成本。

2.2內(nèi)部防雷技術(shù)

2.2.1電涌保護(hù)器（SPD）

電涌保護(hù)器是內(nèi)部防雷的關(guān)鍵設(shè)備，用于限制過(guò)電壓和泄放雷電流，保護(hù)光伏設(shè)備免受雷電侵入波的危害。在光伏系統(tǒng)中，多個(gè)位置需安裝SPD，交流側(cè)在逆變器交流輸出端、電網(wǎng)連接輸電線路入口安裝，防止雷電波從交流線路侵入；直流側(cè)在光伏組件輸出端、匯流箱輸入輸出端及逆變器直流輸入端安裝，保護(hù)直流線路設(shè)備。選擇SPD時(shí)，要考慮線路電壓等級(jí)、雷電活動(dòng)強(qiáng)度等因素，確保其額定電壓與線路電壓匹配，通流容量能承受當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的雷電流幅值，響應(yīng)時(shí)間足夠短，以便快速動(dòng)作限制過(guò)電壓。在雷電頻繁地區(qū)，應(yīng)選用大通流容量、短響應(yīng)時(shí)間的SPD，如標(biāo)稱放電電流10至20kA、響應(yīng)時(shí)間小于25ns的產(chǎn)品。同時(shí)，要定期檢測(cè)維護(hù)SPD，確保其性能可靠。

2.2.2等電位連接

等電位連接是將光伏設(shè)備中可能帶電的金屬部件，如組件支架、逆變器外殼、配電箱外殼等，通過(guò)導(dǎo)體連接成等電位體，避免不同金屬部件間產(chǎn)生電位差，造成跨步電壓和反擊危害。連接方式有焊接、螺栓連接等。焊接連接牢固，導(dǎo)電性好，但施工復(fù)雜；螺栓連接便于安裝維護(hù)，但要確保連接緊密。連接導(dǎo)體要根據(jù)雷電流大小選擇合適規(guī)格，如5 0 m m× 5 m m 的銅排。在光伏電站建設(shè)中，從組件安裝開(kāi)始就要做好等電位連接，組件邊框與支架、支架與接地系統(tǒng)、各設(shè)備外殼與接地系統(tǒng)等，都要可靠連接形成完整的等電位網(wǎng)絡(luò)。定期檢查連接點(diǎn)，防止松動(dòng)、腐蝕，保證等電位連接的有效性[3]。

2.2.3屏蔽

屏蔽是通過(guò)金屬材料對(duì)電纜、設(shè)備進(jìn)行包圍或隔離，減少外界電磁場(chǎng)對(duì)光伏設(shè)備的影響，降低感應(yīng)雷危害。光伏電纜采用屏蔽電纜時(shí)，其金屬屏蔽層兩端接地可阻擋外界電磁場(chǎng)干擾。對(duì)于逆變器控制電路等敏感設(shè)備，可用金屬屏蔽罩包圍形成法拉第籠屏蔽罩，要與接地系統(tǒng)良好連接。通過(guò)屏蔽措施可有效減少電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。

2.3接地系統(tǒng)

2.3.1接地電阻要求

接地系統(tǒng)對(duì)光伏設(shè)備防雷至關(guān)重要，接地電阻大小直接影響雷電流泄放效果。一般要求光伏設(shè)備接地電阻不大于4Ω，這樣能保證雷電流快速導(dǎo)入大地，降低設(shè)備外殼電位，減少跨步電壓和反擊風(fēng)險(xiǎn)。為降低接地電阻，可合理選擇接地極材料和形式，如選用銅質(zhì)或鍍鋅鋼接地極；增加接地極數(shù)量、長(zhǎng)度，擴(kuò)大與土壤接觸面積；在土壤電阻率高的地區(qū)使用降阻劑改善土壤導(dǎo)電性能。

2.3.2接地極選擇與布置

接地極材料的選擇要綜合考慮土壤條件、工程造價(jià)和使用壽命。銅質(zhì)接地極導(dǎo)電性能好、耐腐蝕，但成本高；鍍鋅鋼接地極成本較低、應(yīng)用廣泛。接地極布置方式有環(huán)形、放射形、混合形接地網(wǎng)。環(huán)形接地網(wǎng)適用于地形平坦、土壤電阻率均勻地區(qū)，能提供均壓效果；放射形接地網(wǎng)適用于地形復(fù)雜地區(qū)，可根據(jù)土壤情況靈活布置；混合形接地網(wǎng)綜合以上兩者優(yōu)點(diǎn)。布置時(shí)，垂直接地極間距不小于長(zhǎng)度2倍，水平接地極間距不小于5米，且要埋于凍土層以下。

2.3.3共用接地與獨(dú)立接地

共用接地是指光伏設(shè)備與其他設(shè)備共用接地系統(tǒng)，可降低成本，但要防正相互干擾，如光伏設(shè)備與建筑物防雷接地、電氣設(shè)備接地共用接地系統(tǒng)時(shí)，需確保各設(shè)備接地連接可靠，避免電氣故障相互影響。獨(dú)立接地為光伏設(shè)備單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，可靠性高，但成本高，在對(duì)防雷要求高、電磁環(huán)境復(fù)雜的大型光伏電站或特殊區(qū)域，可考慮獨(dú)立接地。實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)項(xiàng)目具體情況權(quán)衡成本與可靠性，選擇合適的接地方式。

3.結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏設(shè)備防雷技術(shù)是保障光伏設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。通過(guò)綜合運(yùn)用外部防雷、內(nèi)部防雷及接地系統(tǒng)技術(shù)，可有效降低雷電危害。實(shí)際應(yīng)用中，需依據(jù)項(xiàng)目地理位置、雷電活動(dòng)強(qiáng)度、設(shè)備特性等具體條件，精心選擇與優(yōu)化防雷方案。同時(shí)，要加強(qiáng)防雷設(shè)備定期檢測(cè)與維護(hù)，確保性能可靠。隨著光伏技術(shù)發(fā)展，防雷技術(shù)也需不斷創(chuàng)新完善，以適應(yīng)新需求，推動(dòng)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。未來(lái)，可進(jìn)一步研究智能防雷技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，提升光伏設(shè)備防雷的智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊成山、蔡永祥、劉曉燕。光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷檢測(cè)方法[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（06）：44-46.

[2]李國(guó)城、李光茂、喬勝亞、張夢(mèng)慧、盧學(xué)容、鄭服利、吉旺威。500kV氧化鋅避雷器交流交接試驗(yàn)方法探討[J].電瓷避雷器，2024（01）：90-93.

[3]張燕霞。電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)的相關(guān)探討[J].中國(guó)管理信息化，2021（22）：120-123.作者單位：電力工程華電和祥工程咨詢有限公司.