光伏建筑一体化发电系统雷电防护设计探析！

【摘要】 太阳能光伏发电系统将光能转化成电能，经过了线路的传输、能量的储备、交、直流的转换等多个过程，本文从其结构特点分析了雷电入侵太阳能光伏发电系统的主要途径，然后参照相关防雷标准进行分析，针对各种入侵方式，结合建筑物防雷，全面论述了光伏建筑一体化发电系统综合防雷的主要措施。

【关键字】光伏建筑一体化；直击雷；雷击电磁脉冲

前 言

当前全球能源紧缺，人们越来越多的开始使用新型、绿色、环保的能源作为传统能源的补充和替代品，太阳能就是其中的一种。太阳能发电系统广泛应用于用户太阳能电源、交通领域、通讯/通信领域、石油、海洋、气象领域等各行各业以及家庭灯具电源。

太阳能光伏建筑一体化发电系统则是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上，因其经济实用、规模大小可随意的与建筑物相结合等优势得到了大家的认可。但由于太阳能光伏建筑一体化发电系统本身安装于室外，且大多处于空旷高耸的区域，其自身以及设备遭受雷电损坏的隐患不容忽视。《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》指出在既有建筑上增设或改造光伏系统，应满足光伏所在建筑部位的防雷、防静电等要求。因此，因地制宜地对光伏建筑一体化发电系统采取防雷措施是保证整个发电设备系统安全、高效的运行的基本。

1 太阳能光伏发电系统构成和分类

    太阳能光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。太阳能电池组件由太阳电池板和支架组成。蓄电池组是太阳能光伏系统的储能装置。控制器的作用是保护蓄电池，避免过充、过放。若光伏电站并网供电，控制器则需要有自动监测、控制、调节、转换等多种功能。如果负载用的是交流电，则在负载和蓄电池间还应配备逆变器，逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给负载使用。

    太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统。并网光伏发电系统又分为集中式大型并网光伏电站和分散式小型并网光伏系统，分散式小型并网光伏系统特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。光伏建筑一体化发电系统简单地讲是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。如光电瓦屋顶、光电幕墙等,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，因而备受关注。

2 雷电对光伏建筑一体化发电系统的破坏形式分析

     从光伏建筑一体化发电系统的结构来分析，雷电入侵太阳能光伏发电系统主要通过以下四个途径：

　　（１）直击雷：雷电直接击中太阳能光伏发电系统的电池方阵，破坏电池板。

    （２）地电位反击：雷电击中外部防雷装置时，在接地装置附近产生的过电压，通过接地线对靠近它的电子设备的高电位反击，入侵电压可高达数万伏^[1]。

    （３）太阳能电池板的静电感应：带电荷的云对地面放电时，整个光伏方阵像一个大型环型天线一样感应出上万伏的过电压，通过直流输入线路引入，击坏与线路相连的光伏系统设备。

    （4）闪电电涌侵入输出供电线路：供电设备及供电线路遭受雷击时，在电源线上出现的雷电过电压平均可达上万伏，雷电电磁脉冲沿电源线浸入光伏微电子设备及系统，可对系统设备造成毁灭性的打击^[2]。

3 光伏建筑一体化发电系统防雷装置的设置

3.1 防雷类别的确定

    首先，太阳能光伏发电系统的选址应尽量避免将光伏电站建筑在雷电易发生的和易遭受雷击的位置。如无法避免，确定防雷类别时，应提高相应的计算因子，例如按年预计雷击次数来划分，其中位置因子k建议取2。

    防雷类别可按照下面两个方法之一来确定：①对于光伏建筑一体化的太阳能光伏发电系统，可按建筑物来划分太阳能光伏发电系统的防雷类别，按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，计算年预计雷击次数Ｎ＝kNgAe，此时一般光伏建筑一体化发电系统的防雷类别为三类。②对于较重要的太阳能光伏发电系统或因家庭用的光伏建筑一体化发电系统的建筑物因体量小无法确定防雷类别时，从自身的用途和特性划分，可先按照《雷电防护 第2部分：风险管理》GB/T21714.2-2008进行风险评估，从可能造成的风险因子和损失概率与经济合理性进行对比来确定防雷类别。

3.2直击雷的防护

3.2.1接闪器

光伏建筑一体化发电系统的光伏方阵，一般置于屋顶，可利用自身的太阳能电池方阵的金属框架作为接闪器，其金属支撑结构与建筑物屋面上的防雷装置电气连接。因为太阳能电池方阵的金属框架构成的金属网格比较密集，笔者认为可以利用自身的金属框架作为接闪器，原则上不再采用接闪杆、接闪线进行防护，且考虑太阳能光伏发电系统的经济实用性，可直接利用太阳能电池板的金属框架作为接闪器。

很多设计者利用接闪杆作为接闪器，笔者认为，接闪杆的设置可能会影响太阳能光伏发电系统对太阳能的吸收率，且不符合光伏建筑一体化发电系统的经济实用的特点。如一定要采取接闪杆，建议将接闪杆设置在光伏方阵北侧设置接闪杆拦截雷闪，以避免其对系统自身工作效率的影响。

3.2.2引下线

光伏建筑一体化发电系统一般利用建筑物内结构钢筋作为引下线。如果建筑物无防雷引下线，需设置光伏发电系统的专设引下线，建议不少于2根以用于分流、使截闪器截受到的雷电流快速流入接地装置泄放到大地，且规格尺寸符合《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010。

3.2.3共用接地装置

光伏建筑一体化发电系统需将系统的防雷接地、电气设备接地、安全接地、太阳能电池板防静电接地等采取共用接地装置。防雷装置在接闪时，雷电流将沿防雷装置引下线和接地装置入地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电压。如果引下线与周围设备绝缘距离不够且设备与防雷系统不共地时，将在两者之间出现很高的电压，并会发生放电击穿，导致设备严重损坏，甚至危及人身安全。为防止地电位反击，应注意接地装置的设计采用共用接地系统。

接地装置的布局类型可按 IEC623052规定的 A 型装置或 B 型装置进行设置。接地装置中接地体埋设深度不应小于0.5～0.8m^[3],接地装置的材料宜采用角钢、钢管或者圆钢。如果安装光伏发电系统建筑物有接地装置 ,光伏发电系统的各类设备的金属组件可以按合适的方式(S 或 M 型方式)连接到建筑物的接地装置上;如果该建筑物无接地装置 ,应增设独立接地装置 ,使以上各类金属组件都连接到此接地装置上。

3.3 雷击电磁脉冲的防护

3.3.1 屏蔽

 为减少电磁干扰,太阳能电池板的入户线路应以合适的路径敷设并做好线路屏蔽再引入光伏建筑一体化的建筑物内。线缆应选用有金属屏蔽层的电缆并穿金属管敷设,在防雷区界面处电缆金属屏蔽层及金属管应做等电位连接并接地^[3]。

3.3.2电涌保护器

为防止闪电电泳对光伏建筑一体化发电系统的直流、交流电源线路的侵入，在相应位置都设置与系统相一致的电源电涌保护器（SPD）至关重要。由于未安装SPD或安装不适用的SPD造成的由线路引起的雷灾事故屡见不鲜，太阳能光伏发电系统也不例外，尤其是由电池矩阵到室内的蓄电池、控制器、配电柜等的室外电源线路引入闪电电涌的概率不容忽视。

    光伏建筑一体化发电系统的变压器前端应至少装设一个开关型避雷器。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010强条“在低压侧的配电屏上，当有线路引出本建筑至其他有独立敷设接地装置的配电装置时，应在母线上装设I级试验的电涌保护器，电涌保护器每一保护模式的冲击电流值，当无法确定时冲击电流应取等于或大于12.5kA；当无线路引出本建筑时，应在母线上装设II级试验的电涌保护器，电涌保护器每一保护模式的标称放电电流值应等于或大于5kA。”。因此笔者认为对于小型的光伏建筑一体化的光伏发电系统，一般配电柜位于室内，无线路再引出该建筑物，建议在配电柜的交流输出线路出户端装设II级试验的20kA的一级SPD，后续用电设备前端安装Up、In相匹配的II级试验二级SPD。位于雷电活动比较强烈的地区的光伏发电系统，可考虑安装三级SPD。安装的所有SPD的电压保护水平、 持续工作电流等参数应与系统相匹配。且每级SPD之间需考虑能量配合。第一、二级SPD的距离小于10m时，应在线路间加装退耦装置。

    SPD前段脱离器（包括过电流保护）的要求应符合根据欧洲标准 FprEN 50539-11: June 2012《低压电涌保护器-包括直流特定应用电涌保护器-第 11 部分：应用于光伏装置 SPD 的要求与试验》。

    其次，还应将所有电源线路合理布线，尽量使汇总线路走金属线槽，避免形成回路。并将设备外壳接地、直流工作地、交流工作地、防雷保护地等共用接地。

4　结束语

    太阳能光伏发电系统的正常工作，依赖于各个组成部分，尤其是太阳能电池板、控制器等是其核心和关键。防雷装置的性能是保证系统设备安全运行的基础措施之一。太阳能光伏发电系统的综合防雷措施包括防直击雷、地电位反击、电池板的静电以及闪电电涌侵入。不同类型、不同形式的太阳能光伏发电系统需根据其自身结构特点，因地制宜地采取不同的综合防雷措施方可保证系统的正常运行。本文主要初步探析了太阳能光伏发电系统接闪器的经济合理性的选择、太阳能电池板的防静电措施、接地装置的设置、SPD参数的选择等。太阳能发电系统作为一种新型能源，其防雷系统的研究还需要大量的实验和数据作支撑，以满足其安全运行的要求。

参考文献

 [1]不详.太阳能光伏发电系统设备雷电及过电压防护[J]

[2]郭云才，韦良文等.太阳能光伏发电系统防雷设计初探[j],电气与智能建筑，2010.03

 [3]梅勇成，陈华晖.独立太阳能光伏发电系统防雷技术探讨[J],气象科技,2009.12

 [4]欧洲标准 FprEN 50539-11: June 2012,低压电涌保护器-包括直流特定应用电涌保护器-第 11 部分：应用于光伏装置 SPD 的要求与试验[s]

作者简介

    鲍延英，2009年毕业于南京信息工程大学，雷电防护工程科学与技术专业，现工作于湖南省防雷中心，毕业至今一直从事雷电技术和防护工作。

    陈磊，2009年毕业于河海大学，热能与动力工程专业，毕业至今一直从事电力系统设计与维护。