地面光伏电站的直击雷防护与探讨

赵盛杰，王龙龙，程鹏，顾艳莉

（江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏南京 210036）

地面光伏电站的直击雷防护与探讨

赵盛杰，王龙龙，程鹏，顾艳莉

（江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏南京 210036）

近年来，我国太阳能光伏电站规模发展迅速，地面光伏电站的防雷措施的完善与否，直接影响到电站的安全稳定运行。通过对地面光伏电站常见的直击雷危害分析，充分考虑光伏电站面积、投资等因素，利用雷暴日等气象数据分析和计算结果，通过对徐州新沂宋山24 MW光伏电站防直击雷方案的分析，结合经济性、合理性、可行性等等因素，合理的提出了地面光伏电站的直击雷防护方案：对于一般地区的地面光伏电站，可不在光伏阵列区域大量设置避雷针，直接利用组件边框、支架及其他金属材料的等电位连接，集合完善的接地系统，大多数情况下可以化解直击雷危害，起到防雷的作用。提出了光伏电站防直击雷方案及建议，为地面光伏电站防雷实施提供了可靠、有效的理论依据。

光伏电站；防雷；直击雷；滚球法；雷击数

随着人们对环境保护意识的增强和全球新能源产业的不断发展，国内太阳能发电系统的数量和规模日益壮大，太阳能发电技术也日趋成熟，光伏电站的容量已从几百千瓦上升到几百兆瓦，同时带来的是光伏电站的安全运行问题。为保证光伏发电系统的稳定可靠运行，光伏电站的防雷设计越发重要，小规模的防雷危害可造成设备的损坏和停电，一些大规模事故甚至威胁到值班人员的人身安全[1-2]。因此，对光伏发电系统采取有效的防雷措施是十分必要的，而针对大型地面光伏发电项目，防直击雷尤为重要。本文以徐州新沂宋山24 MW光伏发电站为例，结合大型光伏电站项目的特点，对防直击雷提出了合理的方案和保护措施。

1 地面光伏电站中直击雷的危害

直击雷是指带电积云与光伏电站内设备或线路之间的强烈放电，雷电流通过被击物体时将产生有破坏作用的热效应和力效应，直击雷相伴的还有电磁效应和对附近物体的闪络放电[3]。其电压峰值可达几万伏，电流峰值可达几十千安，雷云蕴藏的能量在极短的时间就释放出来，容易形成很强破坏力[4]。

一般的大型光伏电站内都设有升压站或开关站，而升压站或开关站内的防雷设施都相对较完善，由接闪器、引下线和接地系统组成。但光伏组件布置区域的场地因地域广泛，面积较大，雷电危害更为严重，尤其是直击雷。光伏电站在建设初期就应做好防雷设计，一方面做到安全有效，另一方面又要经济合理，以确保站内设备和运维人员的安全。

直击雷对光伏场地阵列产生的危害主要分为以下几点：

1）对太阳能组件的危害。太阳能电池由半导体硅材料制作而成，直击雷主要会对硅材料或体内PN结产生伤害，破坏电池片PN结晶体场，使电池片PN结产生缺陷，引起杂质的迁移，最终会导致半导体寿命下降，影响太阳能电池组件的使用寿命。

2）对太阳能背板的危害。太阳能背板是一种聚酯薄膜，对电池片起保护和支撑作用。具有水蒸气阻隔性、耐湿热老化性、阻燃性、电气绝缘性及尺寸稳定性。当发生雷击时，雷电在太阳能电池组件上产生瞬间高压，雷击电流能够使太阳能电池组件背板出现形变、脱层、击穿和烧灼，同时瞬间高温对串并联电池串的焊接点造成脱焊、开焊，甚至造成电池板短路、断路，严重影响电池板的使用。

3）对太阳能钢化玻璃的危害。太阳组件表层的钢化玻璃是一种预应力玻璃，当直击雷在电池组件上产生雷击电流，能够使钢化玻局部产生瞬间高温，引起钢化玻璃温差变化瞬间变大，出现自爆裂现象，同时在爆裂瞬间能够对电池片造成损坏，可能使电池片造成局部隐裂。

目前人们尚不能对雷电加以有效利用，只能对它采取相应的预防性措施，以减少雷电带来的各种灾害。

2 地面光伏电站防直击雷方案

直击雷对光伏发电系统危害最大，通常采取的措施是直接引导雷云对避雷装置放电，使雷电迅速通过接地网流入地下，从而保护设备免受雷击。防直击雷装置一般有避雷针、避雷带等接闪装置。由于光伏电站内大多数电气设备都布置于建筑物内，而建筑物屋顶及外围都会参照GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》要求设计一套完整的防雷、引雷设施，所以对于光伏发电系统而言，防直击雷最重要的部分处于光伏场地阵列区。

光伏阵列区面积较大，主要布置光伏组件、逆变器和升压变等设备。其中，光伏组件是最容易直接受到直击雷伤害的电气设备。防雷主要采用接闪装置，实际上是把雷电引入地下，从而保护附近设备免遭直接雷的危害。

我国目前没有特别针对光伏发电系统的防雷接地规范，若参照GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》，根据建筑物重要性、使用性质、发生雷电的可能性和后果等诸多因素，进行了建筑物防雷分类，不同级别的建筑物采取的防雷措施不同。光伏阵列不属于建筑物，其可能易受雷击的原因是占地面积较大，增加了受直击雷的可能性。如果将光伏阵列界定为一般工业类建筑，需按照GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》执行，根据当地的雷暴日数和占地面积计算出年预计雷击次数，按照“滚球法”来确定接闪装置的保护范围，从而在光伏阵列区布置相应的避雷针等设备。但经广泛调研结果显示，目前国内外大型地面光伏系统光伏阵列区的防直击雷设计通常为了避免阴影对发电量的影响，都利用组件氧化铝合金边框作为接闪装置，通过和组件钢结构支架与接地网连成一体，直击雷往往会打到铝合金边框，然后经接地网散流，而不单独设立避雷针等接闪装置。以江苏徐州新沂宋山24 MW光伏电站为例，通过投资及发电量影响来比较分析防直击雷措施的可行性。

根据文献[4]，当露天堆场其年预计雷击数N≥0.05次/a时，应采用独立接闪杆或架空接闪线防直击雷。独立接闪杆和架空接闪线保护范围的滚球半径可取100 m。

建筑物年预计雷击次数计算公式为：

式中：N为建筑物年预计雷击数，次/a；k为校正系数，在一般情况下取1；Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/km2/a；Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2。

建筑物所处地区雷击大地的年平均密度：

式中：Td为年平均雷暴日，d/a。

经查询得出徐州地区年平均雷暴日为29.4 d/a，

徐州市是一个雷电灾害多发的地区，徐州市各地年平均雷暴日数20～30 d，最多的年份多达57 d，从2月份到10月份都有雷暴发生，但大多出现在4～9月，其中6～8月为最多。雷击灾害往往多发生在7～8月。徐州市各地每年发生的雷暴数量存在着一定的差异，其中新沂县因地势原因，雷暴日相对较少，经查询得出其平均雷暴日为29.4 d/a。

由此计算出：

与建筑物截收相同雷击次数的等效面积：

式中：D为建筑物每边的扩大宽度，m；L、W、H为分别为建筑物的长、宽、高，m。

徐州新沂宋山24 MW光伏电站占地面积约700多亩，因其占地面积不规则，可以等效为总面积470 000 m2，长、宽分别为500 m、940 m的区域，而光伏阵列区设备高度不会超过5 m，则Ae计算结果约为0.56 km2。

由式（2）、式（3）得出此光伏电站年预计雷击数N=1×2.94×0.56=1.646 4≈2次/a，相当于1 a会有约2次雷击。故若将光伏阵列区作为建筑物考虑，应采用独立接闪杆（避雷针）防直击雷。

根据避雷针保护范围计算出其在被保护物高度hr平面上的保护半径计为：

式中：rx为避雷针在hx高度平面上的保护半径，m；h为避雷针高度，m；hr为滚球半径，m；hx为保护物高度，m；

式（4）中避雷针高度h暂按常规的30 m高考虑，滚球半径hr取100 m，得出计算结果rx=40.2 m。

根据计算结果，该电站光伏阵列区需布置30 m高避雷针共130支，具体布置示意图如图1所示。

图1 徐州新沂宋山24 MW光伏电站阵列避雷针布置示意图Fig.1 Schematic diagram of lightning rod arrangement of 24 MW photovoltaic power station in Song Shan，Xinyi，Xuzhou

根据目前市场上避雷针价格估计，普通30 m高避雷针材料+施工费约3.5万元左右，按照光伏电站运行寿命25 a考虑，若整个光伏阵列全部布置避雷针来进行防直击雷，初期投资就约450万元，还不包括后期维护费用，其成本是相当高的。而若不设防直击雷保护，采用组件边框及支架作为金属材料直接将雷击引接大地，则根据光伏电站年预计雷击数计算，N=2次/a，徐州新沂宋山24 MW光伏电站每年遭受直击雷侵害次数为2次。按每次雷击造成1～2块300 W组件计算，目前1块300 W组件价格约1 200元，加上其他线缆等辅材损坏及施工费用，1 a的经济损失约2万元左右，按电站运行寿命25 a考虑，共损失50万元。

此外，采用避雷针最大的缺陷就是对阵列的阴影遮蔽。阴影会产生热斑效应，太阳能组件在阳光照射下，由于部分组件受到遮挡无法工作，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑，热斑会严重破坏组件，导致整个电池组件损坏，造成损失。很多研究机构针对阴影对组件发电效率影响进行过研究，一般3%～5%左右的阴影就能造成15%～20%的发电量损失。徐州新沂宋山24 MW光伏电站25 a年平均发电量为2 782万kW·h，根据计算72支避雷针造成阴影面积约占总面积的2%～3%，造成发电量损失约10 432万kW·h，按上网电价1元/kW·h计算，25 a损失10 432万元。

根据上述分析结果，采用直击雷防护和不采用直击雷防护的成本对比结果如表1所示。

表1 不同防雷方案25 a光伏电站成本经济对比Tab.1 Cost and economy comparison of photovoltaic power station in 25 years of different lightning protection schemes 万元

由表1可知，设置独立避雷针的初期投资远远大于光伏组件损坏的维护成本，且对发电量产生较大影响，间接提高了成本。

直击雷防护传统采用避雷针避雷线等主动防护。考虑到大型光伏发电站中一组太阳能电池板损坏，对整体发电量影响较小，并且避雷针或避雷线的布置很难保护所有电池板，目前，市面上采用的太阳能组件基本都是由钢化玻璃2层间夹太阳电池并抽取真空，钢化玻璃是绝缘体，四周的铝合金框架是导体，太阳能组件四周铝合金框架与支架连接。因此，采用可行而又简便的直击雷防护措施是将太阳能电池板铝合金框架与电池板支架相连，所有支架进行等电位连接，当直击雷发生时，通过边框直接泻入大地进行散流，能使组件得到保护，避免直击雷冲击而损坏。

近年来大量地面光伏电站的投运，证明了只有少数情况下，直击雷才会直接打到太阳能组件上。

综上所述，光伏电站中的阵列区域不设防直击雷保护的方案是经济且完全可行的，但仍然要通过相应的措施，配合电站接地系统，让雷电迅速、安全的流入大地才是最安全可靠的方案。当然，采用布置避雷针的方案也非完全不可。目前，也有一些带有自动触发系统的避雷针，天气情况良好时，“隐藏”在组件阵列中，利用“滚球法”计算出所需要保护的范围，并提前在系统中预设，待雷雨天气来临时，可通过人工操作或全自动方式，将避雷针升到一定高度，从而达到保护目的。此类方法目前没有普遍推广使用，一方面在设计成本上偏高，另一方面在施工难度上相对复杂。

3 结语

光伏电站的防雷系统直接关系到电站设备和人身安全，通过情况分析，明确了光伏电站遭受直击雷危害的重要性。通过对徐州新沂宋山24 MW光伏电站防直击雷方案的分析，结合经济性、合理性、可行性等等因素，合理的提出了地面光伏电站的直击雷防护方案：对于一般地区的地面光伏电站，可不在光伏阵列区域大量设置避雷针，直接利用组件边框、支架及其他金属材料的等电位连接，集合完善的接地系统，大多数情况下可以化解直击雷危害，起到防雷的作用。但电站建设中也应根据实际情况，结合当地地形、天气、光照条件等因素，合理选择相对最优的设计方案，更应不断采取新技术、新材料以及有效措施来优化、完善直击雷防护措施，以取得光伏电站最大的经济效益。

[1]范钧慧，徐楠，刘皓名.含分布式风光电源的配电系统故障恢复策略[J].江苏电机工程，2014，33（1）：1-4.FAN Junhui，XU Nan，LIU Haoming.Fault recovery strategy for distribution systems with distributed wind-solar generating system[J].Jiangsu ElectricalEngineering，2014，33（1）:1-4（in Chinese）.

[2]黄冬冬，吴在军，窦晓波，等.光伏规模化并网的电能质量复合控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（3）:107-112.HUANG Dongdong，WU Zaijun，DOU Xiaobo，et al.A power quality composite control strategy based on largescale grid-connected photovoltaic power generation[J].Power System Protection and Control，2015，43（3）：107-112（in Chinese）.

[3]张合栋，杨秀，王海波，等.城市微网接地方案探讨[J].电力系统保护与控制，2015（19）：137-142．ZHANG Hedong，YANG Xiu，WANG Haibo，et al.Study on grounding arrangement of microgird of city[J].Power System Protection and Control，2015（19）：137-142（in Chinese）.

[4]李德峰，陈述.配电网雷电防护措施总结分析及其应用[J].电网与清洁能源，2014，30（12）:104-108.LI Defeng，CHEN Shu.The summary of lightning protection measures and its applications for the distribution network[J].Power System and Clean Energy，2014，30（12）:104-108（in Chinese）.

（编辑 董小兵）

Discussions on Lightning Protection of Terrestrial Photovoltaic Power Plants

ZHAO Shengjie，WANG Longlong，CHENG Peng，GU Yanli
（Jiangsu Keneng Electric Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Nanjing 210036，Jiangsu，China）

In recent years，PV power plants are growing very fast in China.The lightning protection directly affects the safe and stable operation of ground PV plants.Through an analysis of common direct lightning hazards on the ground PV plant，with full consideration of the photovoltaic power plant area and investment，using meteorological date and calculation result of thunderstorm day，and based on an in-depth analysis of the direct lightning protection scheme of 24 MW Xuzhou-Xinyi-Songshan photovoltaic power plant，this paper proposes a reasonable lightning protection scheme for ground photovoltaic power plants.According to the scheme，for the ground PV plants in general areas，there is no need to install a large number of lightning rods in the PV array，instead，component frames，brackets and other metal materials can be connected together at the same potential to form a complete grounding system，which can overcome the direct lightning hazards in most cases.This paper also puts forward proposals and suggestions of photovoltaic power plants against lightning，and provides a reliable theoretical and effective basis for the implementation of the lightning protection for ground photovoltaic power plants.

PV plants；lightning protection；direct lightning；inductive lightning；lightning stroke

江苏电网“十三五”发展规划（1510011402HN）。

Project Supported by the 13th Five-Year Development Planning of Jiangsu Power System（1510011402HN）.

1674-3814（2016）10-0172-04

TM615

A

2016-04-22。

赵盛杰（1987—），男，本科，工程师，从事光伏发电系统、配电网系统设计；

王龙龙（1988—），男，本科，助理工程师，从事光伏发电系统设计；

程 鹏（1989—），男，本科，助理工程师，从事光伏发电系统设计；

顾艳莉（1986—），女，本科，工程师，从事电力系统通信设计。