泉州市雷电灾害对光伏发电系统的影响与雷电防护装置检测技术

杨主通 廖昱航 廖晓婷

收稿日期：2023-10-10

作者简介：杨主通（1985—），男，福建泉州人，助理工程师，主要从事雷电防护检测工作。

摘  要：随着全球能源结构的转型和清洁能源的推广，光伏发电因其绿色、可再生的特性而得到广泛应用。然而，光伏发电设施多数建设于户外，因此极易受到自然灾害的影响，尤其是雷电灾害。以泉州市为例，针对雷电灾害对光伏发电系统的影响与雷电防护装置检测技术进行了深入探究。概述了泉州市雷电灾害特征和光伏发电发展概况，分析了光伏发电系统的结构特点与雷电敏感性和雷电对光伏发电系统的具体影响，讨论了光伏发电系统防雷设计与技术，探讨了泉州市光伏发电系统的雷电防护装置检测技术，旨在提升光伏发电系统的防雷性能和抗雷击能力，为泉州市光伏发电系统防雷设计与维护提供理论支持和技术参考。

关键词：雷电灾害；光伏发电；防雷检测；泉州市

中图分类号：TM615 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

泉州市位于福建省东南部，属亚热带海洋性季风气候，全年湿度大，云层活跃，加之沿海地理位置，雷电活动较为频繁。气象资料显示，泉州市每年雷暴日数较多，雷电活动具有明显的季节性特征，通常春夏季节较为集中，尤其是在梅雨季节和夏季午后，雷电活动尤为活跃。此外，雷电灾害常常伴随着强风、暴雨等极端天气，加重了其危害程度。

近年来，随着光伏发电系统在泉州市的大规模部署，雷电灾害对光伏发电系统的影响日益凸显。雷电灾害对光伏发电系统的影响不仅体现在直击雷造成的设备损毁，还包括雷电电磁脉冲引起的间接损害，会对光伏电站的经济效益和运行安全性造成严重影响[1]。因此，研究泉州市雷电灾害对光伏发电系统的影响，探索有效的雷电防护装置检测技术，对于保障光伏发电系统的安全稳定运行具有重要意义。

1 泉州市雷电灾害的特征分析

泉州市地处亚热带季风气候区，由于海洋性气候特征显著，暖湿空气活跃，加上地形起伏和沿海效应的影响，区域内雷电活动较为频繁。根据历年气象资料，泉州市的雷电活动表现出明显的季节性和地域性特征。在季节性规律方面，雷电活动主要集中在每年的春、夏季节，特别是4—9月期间，此阶段降雨充沛，大气不稳定，雷暴天气频发；在地域性规律方面，山区和平原、沿海和内陆区域的雷电活动强度和频率有所不同，山区及近海地区由于地形复杂、温差大，更容易形成雷暴云团，雷电灾害的发生概率相对较高。

2 泉州市光伏发电的概况

泉州市的光伏发电发展迅速。自2015年以来，泉州市的光伏发电装机容量从5.9万kW增长至50.5万kW，年均增长率达到53.6%。这一增长速度显示出泉州市在光伏发电领域的积极布局和快速发展。当前，泉州市正在积极创建新能源产业创新示范区核心区，推动储能电池、光伏装备制造基地的建设，以此加快新能源产业的发展。同时，泉州市还计划结合新能源汽车规划，适度发展太阳能光伏充电站、光伏车棚，并在资源、环境条件适宜的地区大力推广光伏路灯、风光互补等设施。可见，泉州市不仅在光伏发电装机容量上取得了显著的增长，还在新能源产业的规划和发展上也展现出了远见和实力。通过一系列的政策支持和产业引导，泉州市的光伏发电产业有望在未来继续保持快速的增长。

3 光伏发电系统的结构特点与雷电敏感性

3.1 结构特点

光伏发电系统通常由太阳能电池板阵列、逆变器、控制器、储能设备（如蓄电池）以及电网接口等部分构成[2]。其中，太阳能电池板一般安装在开阔地带或建筑物屋顶，直接暴露在大气环境中，由于其分布广泛且位置较高，容易成为雷击的目标。直流/交流转换环节，电池板产生的直流电需经过逆变器转换为交流电并接入电网，这一过程中的电力电子设备对过电压和过电流非常敏感。光伏系统的各个组件之间需要良好的电气连接和接地，以确保安全运行，并提供低阻抗的路径给可能产生的雷电流。高度自动化的监控和管理系统使得整个系统包含大量的电子元器件和通信线路，这些部件在雷电环境下容易受到雷击电磁脉冲（LEMP）的影响。

3.2 雷电敏感性

第一，直击雷风险。由于太阳能电池板阵列处于露天环境，容易遭受直击雷，强烈的雷击所产生巨大的能量可能导致电池板瞬间高温烧毁，同时通过电气线路传导至其他设备，造成大面积损坏。

第二，感应雷电。即使没有被直接击中，附近的雷击活动也可能通过电磁感应作用在光伏系统内产生很高的瞬态过电压，这会对系统的绝缘性能和内部电子元件造成威胁。

第三，闪电电涌侵入。当雷电通过电网线路或其他导体间接影响到光伏发电系统时，会产生闪电电涌，如果没有有效的防护措施，这些浪涌电压和电流足以摧毁逆变器、控制器等关键设备[3]。

第四，雷击电磁脉冲，雷击过程中产生的强大电磁场能在通信线缆上感应出电压，从而对光伏发电系统的控制和监测网络造成破坏。

4 雷电对光伏发电系统的影响

4.1 直击雷对光伏组件、逆变器等设备的破坏

直击雷是指雷电直接击中光伏组件的情况。当雷电击中光伏组件时，会产生极高的电压和电流，这些能量会在极短的时间内释放，对光伏组件造成严重的破坏。直击雷可能导致光伏组件的玻璃破碎、电池片断裂、电路短路等，还可能引发光伏组件内部的热效应，导致组件内部的温度急剧升高，从而损坏组件的结构和性能。

逆变器是光伏发电系统中的重要设备，负责将光伏组件产生的直流电转换为交流电。当逆变器遭受直接雷击时，其内部的电子元件可能由于承受不住高电压和高电流的冲击而损坏，导致逆变器无法正常工作，甚至引发火灾等安全事故。直击雷还可能对逆变器的控制电路和通信接口造成破坏，使逆变器失去控制功能，进而影响整个光伏发电系统的运行。

4.2 雷击电磁脉冲对系统电气设备的影响

当雷电击中光伏发电系统附近的地面或其他物体时，会在瞬间产生巨大的电流和辐射电磁场。电磁场会在系统中产生感应电动势和感应电流，进而对电气设备造成干扰和损害。

第一，对电气设备的直接损坏。高能量的雷击电磁脉冲可能直接破坏电气设备的绝缘层，导致设备短路或损坏。对于一些微电子器件，由于其承受电压和电流的能力较弱，更容易受到雷击电磁脉冲的损害。

第二，干扰电气设备的正常运行。雷击电磁脉冲产生的干扰信号可能进入系统的电路和控制回路，干扰电气设备的正常运行。这种干扰可能导致设备误动作、信号失真或数据丢失，进而影响整个光伏发电系统的稳定性和效率。

第三，对通信和数据传输的影响。光伏发电系统中通常包含大量的通信和数据传输设备，如传感器、数据采集器等。雷击电磁脉冲可能干扰这些设备的通信和数据传输过程，导致信息丢失或误传，并由此影响系统的监控和管理[4]。

4.3 雷电灾害对光伏发电系统性能和寿命的影响

第一，组件性能。遭受雷击后，即使光伏组件未完全损坏，也可能由于局部热效应或电致退化而导致组件性能衰减，表现为转换效率降低、发电量减少。

第二，控制与逆变设备。雷电引起的电气故障可能导致逆变器效率下降，输出不稳定，甚至频繁宕机，严重影响了整体系统的发电效率和可靠性。

第三，硬件设备的寿命。雷电灾害造成的硬件损坏往往意味着设备需要更换，增加了运营成本。即使修复后，设备的预期寿命，也可能因内部元件受到的潜在损害而缩短。

第四，安全风险增加，雷电灾害可能触发火灾或爆炸，对人员和财产安全构成威胁，同时也对系统完整性带来不可逆的损害。

第五，经济损失。系统停止运行期间无法发电，会造成经济效益的直接损失。此外，维修和替换受损部件的成本较为高昂，特别是大型光伏电站，一次严重的雷击事件就可能导致巨大的经济损失[5]。

5 光伏发电系统的防雷设计与技术

5.1 光伏电站的防雷设计原则与国家标准规范

光伏电站防雷设计的首要原则是保证系统的安全性和稳定性。设计时，必须遵循国家标准和相关规范，如《建筑物防雷设计规范》《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》等。这些标准规范对防雷设施的布置、接地系统的构建、设备的耐压水平等都有明确要求，是光伏电站防雷设计的依据和指导。

光伏电站防雷设计应考虑以下因素：光伏电站所在地的雷电活动规律和特点，包括雷电活动的频率、强度、分布等；光伏电站的规模和布局，包括光伏组件的排列方式、支架的结构、逆变器的位置等；系统的耐雷水平，即系统在雷电作用下的安全性、稳定性[6]。

5.2 光伏发电系统的直击雷防护措施

直击雷防护措施是光伏电站防雷设计的重要组成部分，其主要目的是防止雷电直接击中光伏组件、支架等关键设备，造成设备损坏和火灾等严重后果。具体的防护措施包括：

第一，安装接闪杆或接闪带。在光伏电站的关键部位，如光伏组件阵列的边缘或支架的顶部，安装接闪杆或接闪带，以吸引和分流雷电电流，避免其直接击中光伏组件。

第二，接地系统。建立完善的接地系统，将接闪杆、支架、光伏组件等设备的金属部分与大地连接，确保雷电电流能够迅速泄入大地，避免在设备内部产生高电压。

第三，绝缘防护。对光伏组件和电缆等关键部件进行绝缘处理，提高其耐雷击能力。

5.3 光伏发电系统的感应雷防护措施

感应雷防护措施主要针对LEMP对光伏发电系统电气设备的干扰和损坏。其目标是通过技术手段，减少雷击电磁脉冲对系统的影响，保障系统的正常运行。具体的防护措施包括：

第一，使用电涌保护器（SPD）。在光伏电站的电源入口、逆变器输入端等关键位置安装电涌保护器，以限制雷击电磁脉冲引起的过电压和过电流，保护电气设备免受损坏[7]。

第二，屏蔽措施。对关键电气设备和线路进行屏蔽处理，使用金属屏蔽网或屏蔽管将线路包裹起来，减少雷击电磁脉冲对它们的干扰。

第三，等电位连接。将光伏电站内的金属设备、管道、构架等通过等电位连接带进行连接，形成一个等电位体，以消除雷击电磁脉冲引起的电位差，防止电气设备的损坏。

6 泉州市光伏发电系统的防雷检测技术

6.1 雷电防护装置的定期检测与维护

对于泉州市的光伏发电系统，雷电防护装置的定期检测与维护是确保系统安全稳定运行的重要措施。定期检测的内容包括：检查接闪杆、接闪带等接闪器的完好性，确保其无锈蚀、断裂或移位；检查引下线与接地装置的连接是否牢固，有无松脱或腐蚀现象；对防雷器件进行功能测试，确保其处于正常工作状态。维护方面，主要是清理接闪杆、接闪带等接闪器上的积尘和杂物，保持其清洁；对锈蚀或损坏的部件进行更换或修复；紧固松动的连接螺栓，确保电气连接良好。

6.2 接地电阻测量与接地系统的检测

接地电阻是衡量接地系统性能的关键指标，它反映了接地装置与大地之间的电气连接情况。定期测量接地电阻，可以及时发现接地系统存在的问题，确保其在雷电作用下能够有效地泄放电流。接地电阻的测量通常采用四极法或三极法，根据测量结果，结合相关标准规范，可以判断接地系统是否满足要求。同时，还需要对接地装置的完好性、连接情况等进行检测，确保其处于良好的工作状态。

6.3 防雷器件性能的检测与评估

防雷器件是光伏发电系统防雷的重要组成部分，能够限制雷电过电压和过电流，保护电气设备免受损坏。因此，对防雷器件的性能进行检测与评估具有重要意义。性能检测包括：检查防雷器件的外观是否完好，无损坏或变形；通过试验设备对防雷器件进行功能测试，如冲击放电电压、残压等指标的测量；根据测试结果，判断防雷器件的性能是否满足要求；评估方面，主要是根据防雷器件的性能检测结果，结合其使用环境和寿命等因素，对其进行综合评估，提出维护或更换的建议。

6.4 雷电防护系统整体性能的评估与优化

除了对雷电防护装置和防雷器件进行单独检测，还需要对雷电防护系统的整体性能进行评估与优化。整体性能评估包括，分析系统在雷电作用下的响应情况，如电压、电流的分布和变化；评估系统对雷电的防护效果，如设备损坏率、故障率等指标；根据评估结果，找出系统存在的薄弱环节和潜在风险；优化方面，主要是针对评估中发现的问题，提出改进措施和优化方案[8]。

7 结束语

通过对泉州市雷电灾害对光伏发电系统的影响及其雷电防护装置检测技术的深入研究，可知雷电灾害对光伏发电系统的安全运行构成了巨大威胁。无论是直击雷还是雷击电磁脉冲，都有可能对光伏组件、逆变器以及其他电气设备造成严重损害，进而影响电站的稳定运行和经济效益。为有效抵御雷电灾害，泉州市光伏发电系统严格按照国家防雷设计规范，采用合理的直击雷防护措施，如安装接闪杆、设置接闪网格以及优化接地系统，同时在电气系统中安装高效的电涌保护器来防御感应雷击。相关部门应定期检测与维护雷电防护装置，确保接地系统性能优良，防雷器件始终处于良好的工作状态。

参考文献

[1] 罗鹏.雷电灾害对光伏发电系统的影响及防雷检测方法研究[J].农业灾害研究，2023，13（3）：172-174.

[2] 李永梅，高三星保.浅析柴达木光伏发电工作中防雷检测技术的运用[J].智能城市，2020，6（6）：79-80.

[3] 王瑞阳.光伏发电项目雷电易损性分析及雷电防护检测技术探究[J].河南科技，2019（2）：133-135.

[4] 马军，余振邦.防雷检测技术在柴达木盆地光伏发电中的应用[J].青海环境，2018，28（3）：154-156.

[5] 金师.内蒙古光伏发电站防雷检测技术探讨[J].科技与创新，2018（5）：33-34.

[6] 刘景洪，粟锴，程小芳.太阳能光伏发电站防雷检测流程与方法探析[J].低碳世界，2017（21）：104-105.

[7] 杨成山，蔡永祥，刘晓燕.光伏发电系统防雷检测方法[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2015，7（6）：551-556.

[8] 毛彦奎，回静宇，王明磊.赤峰地区光伏发电雷电防护和检测中的常见问题[J].经贸实践，2015（16）：328.