大规模光伏电站的防雷评估及雷击风险管理

张 杰，胡媛媛

（国网电力科学研究院，湖北 武汉430074）

0 引 言

近年来，随着大规模光伏电站的不断建设和投入运行，光伏户外场的防雷问题得到日益广泛的重视。例如，一个100MW级的大规模光伏电站的光伏阵列户外场占地面积一般达二十多平方公里，在如此大的空旷暴露区域，雷击危害越来越成为光伏发电系统重要的事故隐患。其雷击感应过电压不仅损害光伏电池阵列，而且往往经过直流输出电缆传递到光伏并网逆变器的端口，引起的冲击电压可能会对逆变器造成危害。

一般而言，光伏变电站的雷电危害主要有直击雷、雷击感应过电压、地电位反击和静电感应这几种。由于光伏电池板一般比较低，不超过几米，静电感应产生的过电压危害比较小，一般情况下可以忽略。依照现有的防雷接地标准和技术规范下进行合理的等电位接地，雷击产生的地电位反击危害可以得到很大的控制，不至于损坏光伏并网逆变器。不仅仅光伏电池板的直击雷可以产生雷击感应过电压，而且云层的雷电和雷击大地均会产生雷击过电压。相对于直击雷而言，雷击感应过电压产生的机率更大，危害也会更严重。

早在1990～1993年，国外就已开始光伏电站雷击感应过电压的研究，并使用大电流的冲击电流源（imax≤100kA，di／dt≤50kA／μs）对光伏电池板（面积为50cm×40cm）进行模拟雷击感应过电压试验。试验表明，光伏电池板的金属边框产生的雷击感应电流可以降低光伏电池板的伏安特性，而且这种情况对于无边框的光伏电池板更加严重［1，2］。到了1998～2000年，欧洲建成了更强大的冲击电流发生装置，并借此对更大面积的光伏电池阵列重复了更大电流的雷击试验［3，4］。试验结果进一步验证了之前的结论。

尽管欧洲进行较多的光伏电站模拟雷击试验，并给出了一些非常有成效的防雷措施和方法，但就光伏电站雷击现象的计算和仿真却相对较少，特别是雷击感应过电压的计算。光伏电站发生雷击时产生的雷电冲击电流伴随着相应的瞬态强磁场，在电池串的模块内部和外部连接环内产生很强的感应电压，危害整个光伏系统的安全。

本文对光伏电站户外场的雷击产生的电磁脉冲感应过电压以及雷电波入侵进行仿真计算研究。首先建立雷电电流波的数学模型，根据雷电流的特征参数推出雷电流的数学表达式，得到雷电冲击电流产生的瞬态电磁场分布。计算单个光伏电池板上的雷击感应电压，在此基础上考虑金属边框和背面铝制屏蔽层的影响，并通过有限元分析方法得到金属边框的衰减因子，分别计算出带金属边框和不带金属边框的光伏电池板雷击感应电压大小。将计算数据和试验数据进行对比，证实上述分析计算方法的可行性和有效性。以雷电冲击电流在单个光伏电池板的电磁场感应电压分析为基础，计算不同雷击点时整个光伏阵列串产生的最大感应电压，并给出光伏电池串雷击感应电压，以及雷电波危害的防雷措施。

1 雷电流波形及特征参数

雷电流的数学模型是研究雷电的重要内容之一。由于雷电的产生具有很大的随机性，且与地质结构、土壤电阻率等有很大关系。通过雷电流波形可以得到有关雷电流的特征参数，如峰值电流、电流上升率、峰值时间、半峰值时间等。

（1）峰值电流：典型值为20kA左右，变化范围为2kA～200kA；

（2）电流上升率：典型值为10kA／μs左右，变化范围为1kA～10kA／μs；

（3）峰值时间：典型值为2μs左右，变化范围为1～30μs；

（4）半峰值时间：典型值为40μs左右，变化范围为10～250μs。

针对上述雷电流特征，本文分析了三种雷电流数学模型，如双指数函数形式、Heidler函数（IEC推荐雷电流解析表达式）和脉冲函数形式。为了便于进行电磁场分析计算，本文还采用了一种简化的雷电流电磁场分析形式。

2 雷电流的数学表达形式

为了进一步对雷电进行预测，用简单的雷电流数学表达式来描述典型的雷电流波形。

（1）双指数函数形式

（2）Heidler函数形式

国际电工委员会（IEC）在IEC 1312－1中规定供分析用的雷电流解析表达式如式（2）所示，适用于首次雷击和后续雷击的雷电流。

式中，I0为峰值电流，η为峰值电流修正系数，取η≈1，ks＝t／ζ1，n为电流陡度因子，取n＝10。

（3）脉冲函数形式

在利用上述两种数学形式的雷电流模型进行电磁场计算分析时，都涉及到复杂的重积分运算。双指数函数在t＝0时没有连续的一阶导数，而Heidler函数又没有明显的积分式。为了克服上述困难，有人提出用如下的脉冲函数形式来拟合雷电流的电流波形。

作为计算雷击感应过电压的雷电冲击电流，其感应电压的大小往往和雷电流的电流上升率相关，因此较陡的波头上升沿将更直接影响到闭合回路感应电压的大小。

根据建筑物防雷设计规范国家标准GB50057－1994选取10／350μs的雷电流波形作为首次雷击雷电流If（如图1），选取0.25／100μs的雷电流波形作为首次以后雷击的雷电流Is（如图2）。

图1 首次雷击的雷电流波形图

为了进一步简化雷电流的数学表达形式，根据IEC 62305－4的雷击电流规定，将首次雷击雷电流If产生的磁场Hf表征为频率25kHz，最大值 Hf（max）的衰减振荡场，后续雷击电流Is产生的磁场Hs表征为频率1MHz，最大值 Hs（max）的衰减振荡场。其首次以后雷击的雷电流模型表达式为：

图2 首次以后雷击的雷电流波形图

3 单个光伏电池板上的雷击感应电压

大规模光伏电站户外场一般为LPZ0A区或LPZ0B区，其雷击点往往在避雷针或光伏电池板边框处。假设雷电流为垂直于地面的的无限长直导体通以时变电流Is（t），首先将电流Is投影到沿电池板平面，如图3所示，则雷电流沿电池板平面的电流分量It为

折算后雷电流在光伏电池板上产生的等效结构如图3所示。此时，垂直于光伏电池板的磁感应强度B（t）为

对光伏电池板的磁感应强度B（t）进行积分，可以得到如图3（b）所示导线框的磁通量，并推出感应电压为

图3 雷击光伏电池板示意图

对于固定式光伏电池阵列而言，其雷击点往往在光伏电池板的顶部。对典型光伏电池板进行建立等效电路模型，对光伏电池板内部包含的各个导线框进行相应的感应电压计算，然后得到整个光伏电池板的出口处感应电压。

由图4所示，光伏电池板由多块太阳能电池硅片串联组合而成，其端口感应电压可以近似等于光伏电池板包围的三个等效导线框产生的感应电压之和。为了简化计算，将三个等效导线框等效为以中心对称的一个等面积的导线框，可以得到端口输出的电压。

图4 光伏电池板的内部等效面积

式中，三个导线框的高度分别为b1＝b2＝b3＝b0，且导线框距雷击点的距离分别为hij＝r0＋（1／2＋j）hpv＋iHpv。忽略乘积的高次项，则有

在HPU≫hPU的前提下，三个导线框产生的感应电压可以由一个居中的等面积的导线框产生的感应电压得出，即

从上述分析可以看出，雷击感应电压的大小正比于雷电流幅值和电流变化率，并且与光伏电池板的摆放角度有关。与雷击电流方向垂直的光伏电池板的感应电压为零，与雷击电流方向平行时，光伏电池板的感应电压最大。

4 金属边框的衰减因子分析及其它影响因素

为了防止水的渗透，光伏电池板往往采用铝合金框架进行封装，并且一般均采用金属边框接地的方式减小直击雷和雷击电磁场产生的感应过电压。在这种情况下闭合的金属边框会产生感应短路电流，从而减小导线框的内部磁场强度和感应电压。金属边框的感应短路电流大小由闭合回路的感应电压以及相应的回路电抗决定，其回路电抗包括回路阻抗和回路感抗，金属边框的数学模型如图5所示。

图5 金属边框等效模型

在上述计算分析的基础上建立如图5所示的金属边框模型，假定雷电流为通以雷击冲击电流I的无限长直导体时，与金属边框之间的互感系数为

当通电导体为有限长度时，电流产生的磁感应强度为

有限长导体与金属边框的互感系数为

通过计算，在上述光伏电池板参数条件下，垂直地面的雷电冲击电流在光伏电池板金属边框内感应出366A的环流电流。

金属边框的环流电流可以减小光伏电池板导线框的内部磁场，然而这种影响很难通过数学解析的方法进行推导。因此，本文采用有限元方法分析金属边框对输出感应电压的影响。为了对比无金属边框和有金属边框对不同光伏电池板的影响，本文定义光伏电池板的边框衰减因子RF为两者感应电压的比值，边框衰减因子RF决定于光伏电池板的类型以及模块与雷击电流之间的距离。

通过有限元仿真软件Ansoft的仿真有金属边框和无金属边框的光伏电池板，在相同的雷点冲击电流（20kA峰值电流和20kHz频率）下，计算距雷击点1m外的光伏电池板端口感应电压的峰值分别为42V和11V，其边框衰减因子为3.8左右。

国外已对光伏电池板的边框衰减因子进行过大量的试验研究，结果表明，金属边框能对光伏电池的感应雷击电压产生明显的降低作用，其典型值为3～5之间。某些采用内部补偿边框太阳能组件的光伏电池板的边框衰减因子更低，一般为普通光伏电池板的边框衰减因子的一半。

光伏电池板的雷击感应电压除了受上述因素的影响外，以下几种因素也会对其产生影响。

4.1 电池板背面铝箔

为了进一步降低光伏电池的感应电压，本文考虑了太阳能电池组件背面铝箔对感应电压的影响。从国外在背面铝箔对感应电压衰减情况的研究数据可以看出，铝箔的使用可以将在同等条件下的感应电压衰减到1／3～1／2，即衰减因子为2～3。同时，铝箔会导致太阳能电池组件降低冲击电压耐受能力，因此往往在铝箔和金属边框之间留有足够的绝缘距离保证光伏电池组件的冲击电压耐受水平。

4.2 旁路二极管

在阴雨天气或阴影遮挡情况下，光伏电池板的直流输出能力会急剧下降，往往采用旁路二极管的办法来保证光伏电池串的电压输出。当承受过大的反向过压或瞬态电流时，旁路二极管可能发生损坏并短路，多路光伏电池串并联会使得这种情况更加危险。目前的光伏电池板往往采用反向耐受电压为1 000V以上的旁路二极管，另外光伏电池串的并联过电流保护装置也会被采用。同时，反向承压的旁路二极管的结电容会使得光伏电池串电压端口输出电压略有升高，不过与电池板瞬态感应电压相比可以忽略不计。

4.3 邻近光伏模块的金属边框影响

在相同的条件下，特定光伏电池板的感应电压还受到附近光伏电池板金属边框环流电流的影响。与光伏电池板自身金属边框环流电流的影响不同，邻近光伏电池板的金属边框中产生的环流电流会起到感应电压增强的作用。实验测量到光伏阵列中的感应电压一般是单个光伏电池板感应电压的两倍。

4.4 光伏模块的承压耐受能力

普通光伏电池板往往由若干光伏电池组件构成，每个光伏电池组件又是由若干光伏电池单元串联而成，如图6所示。尽管每个光伏电池硅晶单元能提供不超过0.5～1.2V的电压，其耐受电压也受硅晶PN结最高耐受电压的限制，因此光伏电池组件的耐受电压也随着硅晶串联单元级数而增大。以西门子太阳能电池模块SM55为例，由36个单晶硅单元组成两个单元串联结构（额定输出17V／55W），能够承受的最大系统电压为1 000V／ISPRA和600V／UL1703。

图6 光伏电池硅晶单元及串联结构示意图

由上述多个光伏电池组件串联而成的光伏电池板的最大耐受系统电压可达好几千伏。另外，光伏电池板的雷击感应电压同时还受光伏硅晶单元的连接方式影响，通过硅晶单元连接方式的改变使得内部不同导线框产生的感应电压极性相反，从而大大降低光伏电池板的端口感应过电压输出。

4.5 整体衰减因子

综合上述光伏电池板电磁感应电压的各种影响因素，可以得到光伏电池板的整体衰减因子RZ

式中，RF为金属边框衰减因子；RAl为背面铝箔衰减因子，RPU为光伏电池板单元连接及其他综合影响因子。其中，无补偿绕组的光伏电池板衰减因子RPU可以近似等于1。

光伏电池板的各衰减因子会产生相关影响，因此在很多场合其整体衰减因子完全等于式（16）所示的各衰减因子乘积。经试验验证，仅仅金属边框的普通光伏电池板整体衰减因子为3～5，背面铝箔的光伏电池板的整体衰减因子可达7～10。如果考虑到单元连接方式补偿的影响，电池板的整体衰减因子可以再乘以1.5～2倍的系数。

5 光伏系统的感应电压计算

典型的单晶硅多晶硅的光伏电池板（1 640mm×990mm）由60块太阳能电池硅片串联而成，每块太阳能电池大小为156mm×156mm。光伏电池板的外框为金属边框，金属边框和内部太阳能电池硅片之间的距离为25mm。根据上面光伏电池板参数，分别以100kA，10／350μs和25kA，0.25／100μs的标准雷电冲击电流源计算无金属边框的单块光伏电池板的雷击感应电压值，其数值计算结果如图7所示。

图7 感应雷击电压波形及与距离之间关系

可以看出，光伏电池板最大感应电压出现在雷击初始时刻，其幅值由最大雷击电流上升率决定。其中，带金属边框和不带金属边框的光伏电池板的雷击感应电压的计算值和测量值如表1所示。

表1 不同距离的光伏电池板感应电压／V

从表1相同条件下的试验结果和计算结果的对比可以看出，本文对不同距离光伏电池板的感应电压计算结果与试验数据能较好的吻合，从而验证了雷击感应电压计算方法的准确性和有效性。基于本文关于感应电压计算公式，表1还对不同电流上升率的雷击感应电压进行计算，预测不同电流变化率下的光伏电池板感应电压。考虑到光伏电池板的实际耐受电压水平受串联硅晶和旁路二极管耐压水平的限制，一般超过2 000V，由表1可以看出，雷击点距离边框0.5m以上产生的雷击感应电压一般不会对光伏电池板产生直接的感应电压损害。而更远处电池板的感应电压则随着距离增大而进一步降低，其感应电压影响可以忽略不计。

除了各光伏电池板感应电压之和，如图8所示的光伏阵列串产生的感应电压还应该包括光伏电池串连接电缆包围面积产生的感应电压。

图8 光伏电池阵列排布方式

6 结 论

大规模光伏电站户外场的雷击危害，比传统的建筑物防雷有更大的危害和不同点。与直击雷相比，感应雷不仅仅来源于雷击边框，而且对大地和避雷针等产生的雷击电流也会产生很强的电磁场和雷击感应电压，此外云层间放电也会产生一定的感应电压。

建立雷电流模型，对现有光伏电池板进行参数分析，给出光伏电池板模型，计算不同雷击距离下光伏电池板感应的雷击过电压大小。对光伏电池板的感应电压影响因素和相应的感应电压衰减因子进行分析，综合评估光伏电池板的整体衰减因子。以国外感应电压试验数据为基础，给出相同条件下的计算值，其对比结果证明了计算方法的有效性和准确性。可以看出，金属边框和背面铝箔屏蔽等措施能大大降低光伏电池板的感应电压。同时，雷击点与光伏电池板的距离对感应电压有着很大的影响，距离超过1m之外的感应电压影响可以忽略不计。

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