光伏建筑一体化防雷设计

山东建筑大学热能学院 可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室 ■ 袁茂荣

山东省雷电防护技术中心 ■ 孙忠欣 邬铭法

一 引言

光伏发电作为一种新兴的发电系统受到人们越来越多的重视，与建筑相结合的并网光伏发电成为当今光伏应用的新趋势。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。另一类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。

光伏方阵成本较高，是光伏电站的关键部分。光伏方阵安装于屋顶，高度较高，占地面积较大，增加了其遭受雷击的概率。光伏电站还有控制器、逆变器等其他一些设备，线缆较长，容易遭受雷电感应和雷电波的侵袭。目前国家尚没有一个单独、严格的规范来明确应该如何进行避雷系统设计，为了使光伏电站能够安全、稳定地运行，对光伏电站的防雷提出一套较完善的方案是必要的，本文将针对这一问题进行探讨。

二 并网光伏发电系统原理

并网光伏发电系统原理简图如图1所示。在光照下太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成光伏方阵，方阵输出的直流电压一般较低，如24V、48V或110V。将较低的DC通过高频(几千Hz到几十千Hz)逆变为方波交流AC，通过升压变压器整流滤波后变为高压(110V以上)直流DC，然后再经DC/AC逆变为所需的工频交流电(50Hz、220V或380V)。

三 雷电的三种形式

雷电主要通过直击雷、雷电感应和雷电波侵入3种方式对物体形成灾害，一般在设计中应当分别对其加以防范。

1 直击雷

直击雷是带电积云与地面目标之间的强烈放电。雷电直接击在受害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏，对人畜造成伤害。

直击雷的电压峰值通常可达几万V甚至几百万V，电流峰值可达几十kA乃至几百kA，其破坏性之所以很强，主要是由于雷云所蕴藏的能量在极短的时间（其持续时间通常只有几µs到几百µs）就能释放出来，从瞬间功率来讲，是巨大的。

2 雷电感应

感应雷的能量远小于直击雷，但感应雷发生的可能性远大于直击雷。感应雷分为由静电感应形成的雷和由电磁感应形成的雷两种。

静电感应雷：当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，束缚电荷就变成了自由电荷，从而产生很高的静电电压(感应电压)，其过电压幅值可达到几万到几十万V，这种过电压往往会造成建筑物内的导线、接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电。

电磁感应雷：雷电放电时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近产生迅速变化的强磁场。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。

3 雷电波侵入

当架空线路或埋地较浅的金属管道、线缆直接受到雷击或因附近落雷而感应出高电压时，感应过电压会产生脉冲浪涌，如大量的电荷不能中途迅速入地，就会形成雷电冲击波沿导线或管道传播。这个传导过电压会影响或破坏很大范围内与之连接的设备。

四 并网光伏电站防雷设计规范

1 防直击雷措施

(1)接闪器的选择

安装于屋顶的光伏方阵，如果处于接闪装置的保护范围内，不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击。按照规定，大于10kW的光伏设备，应设计为“III级”防雷电系统。

接闪器有避雷针、避雷线和避雷带，应根据实际选用。根据建筑物的防雷类别，使用滚球法来确定避雷针的高度和数量。对于一般公共建筑，其屋面上的光伏方阵应按60m滚球半径来防直击雷。此外，还应注意保持光伏支架和避雷针之间的隔离距离。

现在的建筑屋顶，有的有避雷设施，有的没有避雷设施。对于安装于屋顶的光伏方阵的防雷，要充分利用和防护已有的防雷设施，既降低成本，又考虑防雷效果。

①单针型避雷针

若光伏方阵较小，可选用单针型避雷针，其保护范围如图2所示。

图2中h为避雷针高度；hr为60m滚球半径；xx'连线处的高度为hx。若光伏方阵的高度小于hx，且占地范围小于以rx为半径的圆形区域，则光伏方阵可以免遭直击雷侵袭。

②双支等高避雷针

当光伏方阵较大，单支避雷针不能有效防护时，可在被保护范围的两侧竖立两支等高避雷针作为接闪器，保护效果明显优于单支避雷针。保护区示意图如图3所示。

③多根避雷针

当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器。

④避雷线与避雷针的组合

当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器。避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分。在架空网下是保护区，光伏方阵与架空网间应有一安全距离，以保证防雷效果。

当光伏方阵很大时，在屋顶安装较高的避雷针成本较高、施工较难。考虑到实际情况，接闪器可以采用以下形式：先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据屋顶形状组合安装避雷线和适当高度的避雷针。用相应的滚球半径来确定接闪器的保护范围。

防雷等级越高，滚球半径越小，保护范围越小，但保护效果越好，可能进入保护区击中被保护建筑物的雷电流要越小。防雷等级越低，滚球半径越大，保护范围大，但保护效果较差，实际保护范围线是一复杂的近似圆弧线。

(2)接地系统

所有接地都要连接在一个接地体上，光伏系统的接地包括以下几个方面。

防雷接地：为了防止各种雷引起的雷电流的损害，避雷针、避雷带(线)以及低压避雷器，连接架空线路的电缆金属外皮必须可靠接地。

工作接地：为保证安全，逆变器的中性点、电压和电流互感器的二次绕组必须接地。

保护接地：为防止出现正常情况下不带电、而在绝缘材料损坏后或其他情况下可能带电的情况，光伏电池组件机架、控制器外壳、逆变器外壳、配电箱外壳、电缆外皮、穿线金属管道的外皮必须接地。

屏蔽接地：为了防止电磁干扰而对电子设备所做的金属屏蔽必须接地。

直接雷击会产生数百kA的电流。雷电流被接闪器引入大地时，要经由引下线、接地体而分散入地。电流经接地装置进入大地是以半球面形状向大地散流的，离接地体20m处，半球表面积很大，该处的电位趋于零，称为电气上的“地”。 由于在接地体与“地”之间存在着散流电阻，在这些区域的不同地点会有不同的电位，距离越近电压越高。室内直流负荷设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端与工作接地相连，无流的远端地与工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压，当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。单相交流负荷如空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上，当雷电流沿引下线对地泄放时，变压器的交流地和交流重复接地的电位也会升高，因此单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。

避免地电压反击可以使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器，即在交流变压器的低压侧、交流配电箱的地零间加装交流过压保护器；在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装，避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。

光伏方阵的金属支架每隔一段距离连接至接地系统。光伏设备和建筑的接地系统通过导体相互连接。将各个接地系统相互连接起来可以显著减小总接地电阻。通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，能够显著减小雷电作用在光伏阵列和建筑间连接电缆上所产生的过电压。这样在闪电电流通过时，室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。

将防雷接地与其他接地分开，可以大大降低反击电压。防雷接地与其他接地在联合接地网上的引接点距离不应小于5m，条件允许时间距宜为10～15m。当然，降低接地电阻也有利于防止反击事故。

2 防雷电感应措施

防雷电感应主要采用等电位连接。原则上说，从外部进入建筑物的所有导电部件都必须接入等电位连接系统中，所有不带电的金属部件直接连接到等电位系统。

不带电的金属部件分为室外和室内两种情况。处于室外的太阳电池板四周铝合金框架与支架、接地线等要可靠连接，使光伏方阵形成一个相等的电位，以防光伏方阵遭到雷电感应侵袭。处于控制机房内的全部金属物品，包括各种设备、各个机架、所有金属管道及电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串接后再接到接地干线上。

带电部件(如电缆)则通过安装电涌保护器间接接入等电位连接系统。等电位连接最好在建筑物入口附近执行，以防部分雷电流侵入建筑物。低电压供电系统可用多极复合型雷电流和电涌保护器保护。

3 防雷电波侵入措施

由于雷电波(雷电浪涌)侵入造成控制机房内的控制器或逆变器遭损坏的概率最大，所以必须对雷电波侵入进行防护。

光伏发电系统的雷电浪涌入侵路径除了光伏阵列到机房的引入线外，还有配电线路、接地线以及架空进入室内的金属管道和电缆。从接地线侵入是由于附近的雷击使大地电位上升，使得大地电位比电源高，从而产生从接地线向电源侧的反向电流。

光伏阵列到机房的引入线是雷电波侵入的主要途径。为此，可以采取多级防护措施进行保护。在电池阵列的主回路内分散安装避雷元件，在接线箱内也安装避雷元件；保证接线箱与控制柜间距大于10m；在光伏阵列和逆变器之间的每根引入线上加装防雷器。

在控制器、逆变器内安装防雷元器件；在逆变器与配电柜之间安装低压阀式避雷器或浪涌保护器。

对从低压配电线侵入的雷电浪涌，通过安装在配电盘中的避雷元件应付。在雷雨多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压器更加安全。

对供电线路、传输电缆和架空线路，可在线路上安装金属氧化物避雷器，要在每条回路的火线和零线上装设。对架空进入室内的金属管道和电缆的金属外皮要将它们在入口处可靠接地，冲击接地电阻值不得大于30Ω。接地最好采用电焊的方式，若做不到电焊也可采用螺栓连接。

五 结语

随着太阳能光伏并网发电产业的不断发展，对这一产业的技术要求也越来越高，形式也越来越多样化。本文探索的科学防雷措施是为光伏发电系统正常运转的提供了参考依据。防雷措施需根据所在地区的气象条件、建筑物和光伏方阵的特点进行综合考虑，这需做更多详细的工作。避雷装置详细介绍，有利于在太阳能光伏并网发电系统的应用，更具广阔的市场应用前景和重要的科学研究意义。现在的光伏电站的防雷措施尚缺乏统一的国家标准，企业很需要在光伏电站的防雷方面设定具体的标准，以便光伏电站的顺利建设。

[1] GB 50057-1994, 建筑物防雷设计规范（2000版）[M].北京:中国计划出版社, 2001.

[2] 沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京: 化学工业出版社, 2005: 109-110.

[3] 洪元颐,李宏毅.建筑工程电气设计[M].北京: 中国电力出版社, 2003: 627－628, 646－647.