光伏电站雷电灾害预警及风险评估

马 力

（国电科技环保集团股份有限公司赤峰风电公司，内蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

防雷设计与施工工作环节中，雷击风险评估极为重要，应当以等同于防雷设计的业务层次进行，可在科学构建防雷工程的基础上，确保经济合理、安全可靠。目前，科学技术发展速度十分迅速，需与本地实际情况密切结合，在闪电预警资料的运用下，进一步完善评估方法，以最大限度地减少或避免经济建设与人们生命财产中因雷电灾害而造成的损失。

1 光伏发电系统雷电灾害危险性

1.1 直接雷击

作为光伏发电系统核心的太阳能发电板组件，是由硅太阳能电池片串并联，并用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封形成的。该组件多暴露在建筑物制高点或空旷场所，能满足光源需求，但遭受雷击可能性极高。当太阳能组件直接遭雷电击中时，因太阳能芯片的制作材料为半导体硅，高电压环境中，会有动作产生于其表面或内部PN结。一旦发电板PN结晶体场出现了损坏，会影响太阳能发电组件发电效率及使用寿命[1]。由于雷击点周围的钢化玻璃在瞬间强大的高温下产生自爆，导致太阳能背板发生灼烧、击穿及形变等情况，严重时会导致太阳能发电板发生漏电、短路及断路等情况，从而在一定程度上影响发电板的使用。

1.2 雷电感应

太阳能可被光伏发电系统转化为直流电能[2]。任何种类的设备都对电磁环境方面提出极高要求。雷击点附近的电磁环境并非始终保持不变，极易影响电气设备的运行。当雷电感应造成过电压后，电子设备将受到一定损害。

1.3 雷电电涌侵入

并网光伏发电系统连接于电网，太阳能组件方阵的电池板经汇流、逆变及升压后，送至站内汇流线路。线路杆塔或相连架空线路受到雷电的直接伤害或是有感应电涌出现在线路上后，电压反击可能会发生在光伏系统变压器乃至电气系统。

2 光伏发电系统雷电灾害风险分析

光伏发电系统与一般发电场具有一定区别存在，与人员聚集区域距离较远，人员生命损失风险为零。雷电侵袭所引发的风险是以发电质量下降等为主，还会对电网稳定性和公共服务造成影响，也会因维修系统或是中断供电而间接地产生经济损失风险。

太阳能组件方阵、汇流箱、逆变器、变压器及汇流线路等电气设备或电网线路是雷电威胁的主要聚集区域。由于太阳能组件方阵的一组太阳能电池板损坏后并不会对整体发电量造成明显影响，因此电池板及相连汇流线路出现物理损坏后，仅需对经济损失予以考虑。对发电质量构成影响的关键部位在于逆变器汇流后的整流系统[3]。分析总结了光伏发电系统雷电灾害风险，如表1所示。

3 雷电灾害风险评估方法

雷电灾害风险中，R数值指的是由雷击导致的的年平均可能损失量与具有保护价值的对象之间的比值，以基本方程展开风险评估，区域雷电环境及评估对象等效截收面积、位置因子是决定年预计雷击次数N的主要因素，雷击损害概率P与具体防护措施有关[4]。具体实施评估的过程中，最关键的便是综合分析不同风险分量因子影响因素，同时结合分析结果合理确定不同因子的具体取值方法、范围。

表1 雷电灾害风险类型

围绕损害源特征和损害的具体类型，对光伏发电系统进行分区，太阳能发电板和汇流线路存在重叠的闪电接收面积，在实践分析计算中应当作为一个整体来计算，以Z1区（发电区域）定义；发电质量影响因素中，变压器和逆变器十分关键，以Z2区（控制区域）定义其所在建筑物；以Z3区定义并网线路，分别考虑各个单独区域，各个单独区域雷电灾害风险值总和即为光伏发电系统雷电灾害风险值。

4 雷电防御措施

4.1 防雷接地设计

光伏电站建设期间，需对发电站建设选址予以重视，尽量避开易受雷击的位置和场合。若需在配电室附近设置一个避雷针，通常是以圆钢或焊接钢管的避雷针为主，并以针长为根据进行直径选择。避雷针所有金属部件必须镀锌，并在操作中注重镀锌层的保护。以镀锌钢管进行针尖的制作，管壁厚度应在3 mm以上，针尖刷锡长度应在70 mm以上。避雷针高度应根据保护范围进行合理确定。避雷针高度越高，那么它具有的保护范围越大[5]。布置避雷针时，不但需对光伏设备是否在保护范围内予以考虑，同时还需避免其阴影投射至光伏组件上。倘若避雷针阴影投射至光伏组件上，被遮挡部分不但无法发电，还会有热斑效应产生，形成短路后，会导致太阳能组件受损。

太阳能发电接地系统主要由交直流接地、安全保护接地及防雷接地等功能性接地组成。由于难以实现不同接地系统之间的相互独立，为避免各接地系统的电位反击，应当连接各个设备、混凝土内基础地网及金属构件等，推动共用接地网的形成。相对于特定接地电阻值，接地网布置及尺寸更为关键，应以基础地网或环形人工接地网为佳[6]。接地电阻值不应超出1 Ω。

4.2 防雷击电磁脉冲

为避免光伏发电系统因雷击电磁脉冲造成的浪涌影响，应当在太阳能组件方阵、汇流箱、逆变器、变压器、汇流线路的钢筋混凝土内钢筋、金属板及金属框架等中可靠连接防雷装置，以推动大空间屏蔽体的形成。然后，将光伏发电系统设备、机柜及配电柜金属外壳可靠连接，并就近接地，推动设备屏蔽的构成。最后，将光伏系统电源线缆、信号通信线缆更换为屏蔽线缆或穿金属管敷设，屏蔽层或金属管应在两端接地，并在穿越防雷区处进行等电位连接处理。

各个线缆布线期间，需避免形成较大面积电磁感应回路。在不同线槽中分别敷设不同回路和工作电压的电源与信号线路，信息系统线路与防雷引下线之间的水平间距和交叉净距应当分别保持在1 000 mm和300 mm之上。

5 结 论

对于光伏发电系统，可设计安装与规范要求相符合的雷电防护措施，尽管投资比例会有一定程度上升，但却远比雷电灾害引发的损失小。同时，有效的防护措施可将雷击过电压引发的人身伤害事故及过电流造成的供电质量影响有效控制。本文提出的雷电灾害风险评估方法可在光伏发电系统雷电灾害风险评估中有效运用，制定的雷电防护方案也有利于雷电灾害的有效预防。