探析雷击对江西省光伏电站的影响及防雷减灾策略

卢敏

摘要 在当今中国经济和科技迅猛发展的环境下，雷电造成的经济损失越来越大，防雷工作受到了大众的广泛关注。作为一种清洁、环保的能源，太阳能近年来发展速度较快，并逐渐应用于各个领域。而人们在享受其带来便利的同时，也开始注重光伏电站的防雷工作。根据光伏电站系统情况和防雷经验，探究了雷击对江西省光伏电站的影响，并梳理了光伏电站的防雷减灾策略，以供参考。

关键词 雷击；光伏电站；影响；防灾减灾

中图分类号：TM615 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

近年来，越来越多的企业投入光伏产业，光伏企业创新活跃度越来越高，产业规模越来越大，我国光伏产业呈持续高歌猛进发展趋势[1-2]。在市场需求和国家政策的影响下，光伏产业发展前景越来越广阔，尤其是光伏发电在各领域的应用力度也越来越大[3-4]。

目前，我国已经成为全球光伏生产和应用大国，光伏发电装机量、光伏发电量均居全球第一[5]。但是，在太阳能光伏业应用广泛的同时，雷电危害性和光伏发电站防雷工作也需引起重视。

雷电对太阳能光伏电站的安全运行构成了巨大威胁。当闪电直接击中太阳能电池板时，会直接摧毁设备，导致系统瘫痪；雷电电磁脉冲会在光伏系统的电源电路上产生过电压，并损坏电气设备。基于此，在探究雷击对江西省光伏电站影响的基础上，重点提出了可靠的防雷减灾策略，为确保光伏电站的安全运行，减少雷击经济损失提供强有力的防雷技术指导。

1 光伏电站系统简介

目前，太阳能光伏电站系统包括离网光伏蓄电系统、带电池并网光伏发电系统、无电池并网光伏发电系统。其中，光伏并网发电系统涵盖大型光伏并网系统和中小型光伏并网系统。大型光伏并网系统可集成至中高压电网。中小型光伏并网系统一般只接入低压电网。光伏电站系统的主要部件包括太阳能电池方阵、控制器、逆变器以及蓄电池组（图1）。太阳能光伏发电的原理是借助太阳能电池阵列发电。在此期间，直流电将通过汇流箱，在直流配电柜的作用下进入逆变器，之后由直流电转换为交流电。最后，三相低压将通过交流配电柜的输出连接至电网。

2 雷电对江西省光伏发电站的危害

2.1 直击雷的危害

在直击雷电流进入被击中物体时，常常会产生破坏力非常强的机械力效应和热效应。由于江西省光伏电站主要部署在空旷的郊区，太阳能电池板是固定和暴露的，在其附近没有高层建筑进行防护，因此直接雷击的风险很大。雷击后，即刻会有上万安培的雷电电流产生。如果暴露在光伏阵列外部的金属部件被雷电直接击中，此时的光伏发电系统若缺乏有效的防雷系统，雷击中的强雷电电流会对光伏电站带来不同程度的危害。

2.2 感应雷的危害

感应雷一般通过静电感应和电磁感应侵入导体，进而危害光伏电站。太阳能光伏电站涵盖多条线路，为感应雷的产生提供了较好的条件。一旦雷雨经过光伏电站，会在光伏电站内系统的每个导体上感应出相同极性和相反极性的雷雨电荷。在放电时，电荷将在短时间内被中和。因为失去约束，光伏电站中的感应电荷将在短时间内通过导体释放，从而形成雷电静电效应。雷电电磁感应通常由雷电云放电时雷电通道附近的瞬态电磁场造成，在光伏电站系统产生感應电动势。在太阳能电池板上，雷电感应往往通过太阳能电池模块的连接线传输至光伏发电站其他设备，容易导致光伏电站各仪器设备出现损坏[6]。

2.3 雷电波侵入

雷电波侵入是指雷电冲击架空线路产生的感应过电压引起的冲击波。雷电波侵入光伏发电站大体上有2种方式：一种是雷电脉冲波依靠连接光伏系统的金属管道侵入光伏电站，如电源线、接地线、信号线等途径；二是雷电波通过架空线路侵入整个光伏电站。此类雷电波侵入对光伏电站的负面影响十分严重。

3 江西省光伏电站遭受雷击的主要损坏形式

3.1 太阳能电池板遭雷击

作为光伏发电系统的关键构成，太阳能电池大体由半导体硅材料制成。其不仅起到举足轻重的作用，而且对高压反应十分敏感。在直击雷产生的情况下，强烈的雷电热效应造成的损害不容忽视。雷击太阳能电池板形成的高压会导致硅材料的表面或内部结构受损，从而影响太阳能电池组件的使用寿命[7]。

3.2 接地系统的接地电位反击

光伏电站通常布置在山区，还有部分电池板甚至直接架设在岩石上。由于接地电阻较大，光伏电站附近形成的接地电位雷击同样会危害整个光伏电站。

3.3 控制系统遭受雷击

除了控制器和逆变器等电子设备，

光伏电站还拥有单轴和双轴光伏模块、发电计量系统和发电监控系统等电子设备。这些仪器通常对电磁环境有很高的要求。如果雷电感应过电压非常强，往往会损坏光伏电站的电子设备。

4 光伏发电站防雷减灾策略

4.1 直接雷防护策略

4.1.1 热斑效应分析 接闪杆广泛分布在光伏电站，不可避免地在光伏面板上产生大范围阴影。这部分阴影的出现不但会对光伏电站的发电效率造成不同程度的影响，而且会形成热斑，并损坏光伏电站电池板。因此，光伏电站防雷时应高度重视热斑效应。在采取防雷策略前，清晰热斑效应的产生的主要原因。在发电过程中，被遮蔽的太阳能电池模块将成为一个负载，并将其他太阳能电池模块用光产生的能量消耗而产生热量，即热斑效应，这将对太阳能电池模块带来一定的危害[8]。

4.1.2 光伏方阵接闪器 根据建筑物防雷设计规范的要求，光伏电站光伏电池组件、直流汇流箱、配电箱、变压器平台、光伏发电机组支架、并网逆变器等构筑物均属于三类防雷建（构）筑物。通过滚球法计算避雷器的保护范围和高度[9]。其中，光伏阵列的直接防雷是一个大问题。可以选择不对称或不等高的避雷针（接闪器），还可以选择升降式避雷器，以避免 “热斑效应”的产生。这种技术措施防雷成本非常高，并且不能完全保护所有电池模块，因此，最经济、最可靠的防雷减灾策略是选用太阳能电池板附近的金属框架作为避雷器。当发生直接雷击时，雷电直接穿过金属框架并立即释放至地面，避免直接雷击对太阳能电池板造成损坏。

接闪器敷设的要求和材料规格：①接闪器的布置应确保被保护的建（构）筑物和设备都处于接闪器的保护范围；②专门部署的接闪器应处在光伏方阵的北边，接闪器的部署高度应考量太阳光对光伏方阵的影响；③通常而言，光伏方阵的金属框架可用作接闪器[10]；④当升压变电站的单个接闪器杆由热浸镀锌圆钢或钢管制成时，杆长不超过1 m的圆钢直径应≥12 mm，钢管直径应≥20 mm，厚度应≥0.5 mm；避雷针长度为1～2 m时，圆钢直径≥16 mm，钢管直径≥25 mm，厚度≥0.5 mm。选用单根热浸镀锌扁钢时，最小截面积≥50 mm2，厚度≥2.5 m；当使用单个热浸镀锌圆钢时，最小截面积应≥50 mm2，直径应≥8 mm；⑤避雷带支撑卡高度≥150 mm，支撑卡间距≤1 000 mm，敷设平直，焊接牢固，无直角弯曲；应与避雷带相符，网格尺寸应满足防雷标准[11]；⑥架空接闪器的导线应为截面≥50 mm2的热镀锌钢绞线或铜线；⑦金属网围栏应连接到光伏阵列区域的接地网或单独接地。需要關注的是，在单独接地时接地电阻应≤10 Ω；⑧接闪器均应都采取防腐措施。

4.1.3 太阳能电池方阵引下线 光伏方阵的金属支架可充当引下线。若光伏阵列支架由非金属复合材料或混凝土预制件制成，则有必要部署独立的引下线[12]。当光伏板的金属支架用作引下线时，柱间距的材料规格和间距、独立避雷针的引下线，现场建筑的引下线应满足以下要求：①光伏组件的金属支架和建筑内部的钢筋和钢柱可充当自然引下线；②若没有自然引下线，光伏电站系统专用引下线的平均间距应≤25 m；避雷针需敷设2根引下线，并对称布置；所有引下线应进行防腐处理。

4.1.4 光伏方阵的接地装置 光伏方阵接地装置的布设布置应符合《电气设备工程接地装置施工及验收规范》的规定，并应设计为闭环环形接地极。金属支架每间距10 m左右和接地装置对称连接，要求接地电阻≤4.0 Ω[13]。为有效防止跨步电压，水平接地极应在土壤中铺设至少0.8 m深或0.5 m厚的砾石沥青路面。为了防止阴极放电对接地极的腐蚀，人工接地极应选用石墨或铜包钢接地极，且在电阻率较高的环境中应使用长效降阻剂。

4.2 雷电感应、雷电波防护策略

4.2.1 等电位连接 光伏方阵的金属框架需要彼此连接以形成电路。金属支架和金属框架应保持可靠连接状态。每排金属支架应至少在附近2点处连接至光伏阵列的环形接地网[14]。电缆屏蔽层或金属屏蔽管要求和附近的方形金属框架或支架进行等电位连接。汇流箱需要配备接地端子排。进出汇流箱的电缆的金属护套、浪涌保护器（SPD）的接地线、屏蔽金属管和汇流箱的金属外壳均要求与接地端子可靠连接。对于室内发电设备和线路的等电位连接，应在集中控制室、继电器室、逆变器、变压器等设施中设置总等电位接地端子，以屏蔽进出金属管道、电力电缆和信号电缆，并连接至相邻的总等电位连接端子。各个配电箱或柜还应配备局部等电位接地端子排。设备的金属外壳、电缆屏蔽层、静电接地和保护接地、金属管槽以及机柜本身等均要求与等电位接地端子板保持连接，并且连接距离需要处于最短状态。

4.2.2 屏蔽 屏蔽是将建筑物、线路、电子设备和外部电磁屏蔽隔离，防止电磁脉冲和感应高压的产生。在光伏电站中，逆变器升压室往往应先采用基础钢筋、金属框架、梁柱钢筋和防雷引下线形成法拉第笼，且将其接地，最大限度地避免雷电电磁波的伤害。为了最大限度地减少雷电干扰的功率损耗和电容耦合，光伏电池阵列的直流输出电缆不应过长。光伏电站中，每个电池的逆变器升压也应布置在各个光伏发电单元附近，并且还需部署于方阵的中心区域，以有利于电缆的有效连接。再者，应做好线路的屏蔽工作。光伏电站场地内的电缆最好沿电缆箱和桥架敷设。箱盖和桥盖可以更可靠地屏蔽电缆；在电缆局部埋设的区域，通常使用电缆保护管进行保护，最大限度地避免雷击事件的发生。

4.2.3 浪涌防护器（SPD） 为了更好地保护光伏电站，避免其遭受雷击，还应在站内装设浪涌防护器（SPD）。设置时应注意以下事项：①采用的浪涌防护器（SPD）要求满足防雷规范且经过国家认可的测试实验室检测认证；②浪涌防护器（SPD）要求可承受预期的浪涌电压；③浪涌防护器（SPD）应布设在所有防雷区域的连接位置；④浪涌防护器（SPD）的Uc（最大连续工作电压）值应符合相关标准的要求；⑤浪涌防护器（SPD）接地线的规格和长度也应该与规范要求相符。一级开关或限压浪涌保护器（SPD）的相线铜线的最小截面积要求＞6 mm2，接地铜线的最小截面面积应＞10 mm2；二次限压浪涌保护器（SPD）相铜线的最小截面积＞4 mm2，接地铜线的最小截面面积应＞6 mm2；三级限压浪涌保护器（SPD）相线的铜导体最小截面积应＞2.5 mm2，接地铜线的最小截面积＞4 mm2；四级限压浪涌保护器（SPD）的相铜线最小截面积也应＞2.5 mm2，接地铜线的最小截面积应＞4 mm2。各级浪涌防护器（SPD）的接地线应短而直，长度应≤0.5 m；⑥如果浪涌保护器（SPD）安装在线路上的多个位置，开关浪涌保护器和电压限制浪涌之间的线路长度应≥5 m。一旦不符合上述要求，则需要专门设计去耦元件；⑦浪涌防护器（SPD）接地线和接地装置之间连接点的导电电阻应≤50 mΩ。

4 结束语

作为国家重点扶持的新兴产业，光伏行业一直受到国家政策的大力支持。随着我国光伏发电产业的快速发展，国内光伏电站数量逐步增加。然而，由于光伏电站施工区域环境的特殊性，以及光伏电站内设备和电缆数量众多，极易引发雷电事故。当闪电直接击中太阳能电池板时，设备将轻度受损，严重时系统将直接瘫痪。因此，光伏电站的防雷保护尤为重要。防雷技术人员应根据光伏电站雷电方法要求，采取科学有效的多层次防雷策略，最大限度地减少雷电对光伏电站的危害，确保光伏电站的安全运行。

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Analysis of the Impact of Lightning Strikes on Photovoltaic Power Stations in Jiangxi Province and Strategies for Lightning Protection and Disaster Reduction

Lu Min （Jiangxi Provincial Climate Center， Nanchang， Jiangxi 330096）

Abstract In today’s rapidly developing environment of China’s economy and technology， the economic losses caused by lightning are increasing， and lightning protection work has also begun to receive widespread attention from the public. Solar energy， as a clean and environmentally friendly energy source， has developed rapidly in recent years and is gradually being applied in various fields. And while everyone was enjoying the convenience it brings， they also begin to pay attention to the lightning protection work of photovoltaic power stations. Based on the system situation and lightning protection experience of photovoltaic power stations，explored the impact of lightning strikes on photovoltaic power stations in Jiangxi Province， and summarized the lightning protection and disaster reduction strategies of photovoltaic power stations for reference.

Key words Lightning strike; Photovoltaic power station; Influence; Disaster prevention and reduction