分布式光伏电站防雷案例及故障分析

关于分布式光伏电站雷电危险性案例及解析太阳能作为一种具有广阔前景的绿色能源，越来越受到人们的关注，并且光伏发电系统在能源发电领域得到了广泛的应用，然而大自然的雷电作用会击穿光伏组件的PN结和防倒流二极管，甚至会损坏控制器、逆变器和外围连接设备。光伏方阵成本较高，是光伏电站的关键部分，由于光伏设备占用空间巨大并暴露安装于屋顶、山地等领域，高度较高，增加了其遭受雷击的概率，造成设备损坏甚至组件及线路的燃烧。光伏电站还有逆变器、并网挂箱等其它一些设备，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，为了确保太阳能光伏发电系统稳定、安全的工作，其防雷避雷问题必须得到解决。

1.太阳能光伏发电系统雷电电磁脉冲干扰的入侵途径

雷电对太阳能光伏发电系统设备的景程，主要由以下几个方面造成：

直击雷：是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。当直击雷作用在远处或防雷保护区之内的导线或金属管道上时可以通过导线和金属管道传输到电子设备和太阳电池组件上，由于它有强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波，强烈的电磁辐射，所以能损坏放电通道上的输电线和电子设备，造成财产损失，甚至击死击伤人畜，造成生命损失。

图1直雷击示意图

图2雷击来源

分布式电站太阳能电池板大多是安装在室外屋顶或空旷山坡上，雷电很可能直接击中太阳能电池板，造成设备的损坏，从而无法发电。

图3雷击损坏的设备

感应雷：落到光伏电站附近的建筑物或地面的雷电会导致发电设备接地部分的电势(与基准点相比的某一点的电压)上升，感应电势会导致PCS等发电设备内的主电路产生过渡性异常高电压——浪涌电压。当雷云在架空线路(或其他物体)上方时，由于雷云的先导作用，使架空线路上感应出先导通道符号相反的电荷。雷云放电时，先导通道中的电荷迅速中和，架空线路上的电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，产生很高的过电压(高压线路可达几十万伏，低压线路可达几万)。

而对分布式电站，远处的雷电闪击，电磁脉冲空间传播，会在太阳能电池板与控制器或者是逆变器、控制器到直流负载、逆变器到并网挂箱等供电线路上产生浪涌过电压，损坏电气设备。雷电感应高电压和雷电电磁脉冲的作用范围广，作用方式比较隐蔽，所以其后果往往比直击雷更严重。

图4感应雷示意图

雷电波侵入：雷电波侵入由于直击雷或感应雷而产生的高电位雷电波，线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。据统计，供电系统中由于雷电波侵入而造成的雷害事故，在整个雷害事故中占50%以上。2005年4月8日，武汉市某控制室配电柜遭雷电波侵入烧毁配电柜等，损失数万元。

图5烧毁的配电柜

地电位反击：在有外部防雷保护的太阳能供电系统中，由于外部防雷装置将雷电引入大地，从而导致地网上产生高电压，高电压通过设备的接地线进入设备，从而损坏控制器、逆变器或者是交、直流负载等设备。

图6地电位反击示意图

1997年，汉阳九真山某户外设备遭雷电反击，13 类电子设备被损坏，直接经济损失300万元。

2.雷电产生机理

雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿，电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象，通常是指带电的云层对大地之间、云层与云层之间、云层内部的放电现象。这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响，即人们常说的“电闪雷鸣”。

雷电的形成雷电发展过程可以分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。据测试，对地放电的雷云大多为负雷云。随着负雷云中负电荷的积累，其电场强度逐渐增加，当达到一定强度时开始向下方梯级式跳跃放电，称为下行先导放电，当下行先导逐渐接近地面物体并达到一定距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电，形成上行先导，朝着下行先导方向发展，两者会合即形成雷电通道，随之开始主放电，接着是多次余辉放电，天空中出现蜿蜒曲折、枝叉纵横的巨大电弧，形成常见的云对地线状雷电。这种负极性下行先导雷击约占全部对地雷击的85%左右。

3.防雷规范

GB50169-92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》第2.5.3条作了如下规定。装有避雷针和避雷线的构架上的照明灯电源线必须采用直埋于土壤中的带金属护层的电缆或穿入金属管的导线、电缆的金属护层或金属管必须接地，埋入土壤中的长度应在10m以上，方可与配电装置的接地网相连或与电源线、低压配电装置相连接。

如果光伏设备系统安装在具有外部防雷保护系统的建筑物上，则对其基本要求之一是：光伏设备模块要在隔离接闪装置的保护区域内。此外，必须保持光伏设备支架和外部防雷保护系统之间的隔离距离，以防止发生失控的闪弧。否则，可能会有大量的雷电流进入建筑物内部。

业主常常希望整个屋顶都铺上光伏设备模块，以便获得尽可能高的经济利润。在这些情况下，常常无法实现所要求的隔离距离，不得不将光伏设备的支架整合到外部防雷电保护系

统中。在此，必须考虑耦合到建筑物内的雷电流所带来的后果，因而必须提供防雷保护-等电位连接。这意味着，对于直流导线中也将有雷电流流经，所以必须实施防雷保护-等电位连接。按照IEC 62305-3，该直流导线必须由“1级”雷电流保护器(SPD)保护。

屋面光伏发电场中以每一栋建筑物为一个单元，分别利用其建筑物原有的接地系统共用一个接地网。每一个单元内的每串光伏组件的金属支架、直流汇流箱和逆变器等电气设备的外露可导电部分均应分别与作接地线用基础安槽钢或工字钢牢固相连，作接地线的每一基础槽钢或工字钢不小于两处与其原建筑接地系统相连，依靠建筑物防雷接地系统的引下线引下与接地体相接实现接地。每一栋建筑物为一个单元的接地电阻，不得大于4欧姆。当原有接地系统的接地电阻不满足要求时，则应在地面下增接地极。并将光伏发电场内每一栋建筑物的接地网在地下相互连接，且应与光伏发电场内的变、配电室、升压站和集控室等各处接地网相接，形成一个屋面光伏发电场的总接地网，总的接地电阻不大于一欧姆。每两栋建筑物接网和各个小单元接地网在地下相互连接处不得小于两处。

4.结语

雷电是一种常见的自然现象，会对建筑物及电气设备造成严重破坏。在村落光伏电站的防雷设计中，应将外部防雷和内部防雷结合起来，采取有效措施，防止直击雷、感应雷、雷电波对光伏电站的破坏，保证光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行。

光伏系统事业部技术中心 2015-8-14