屋顶分布式光伏发电系统雷电防护措施

屋顶分布式光伏发电系统雷电防护措施

杨弢1卢自红2张世谨3

杨弢1卢自红2张世谨3

1、清远市气象局广东清远511500；

2、河源市气象局广东河源517000；

3、黔南州气象局贵州黔南州558000

摘要：本文对光伏发电的发展进行概述，总结了屋顶光伏发电系统的特点，根据市场主流光伏电池元件等系统构件的情况进行雷击隐患定量分析，研究应采取的防雷措施和方法，以指导屋顶光伏发电系统的雷电防护措施设计、施工和检测。

1前言

太阳能是一种清洁的、可再生能源，也是最重要的一种可再生能源，我国太阳能资源丰富，光伏发电技术在我国有着广阔的市场前景。特别是随着国家不断大力推进新能源发展政策，近些年来光伏发电在我国各地得到了快速发展。对其雷电防护的研究十分有必要。

光伏发电系统主要可分为集中式和分布式两种。在荒漠地区建设的大型集中式光伏电站，占地较为广阔，装机容量一般在20MW以上；在住宅、商业办公、生产厂房等建筑区域和偏远地区建设的小型的分布式光伏发电系统，其主要特点是在用户所在地附近建设，运行方式以用户侧自发自用为主、余电上网，在配电系统平衡调节为特征，也称之为“分散式”、“非集中式”。2016年12月能源部颁布了《太阳能发展“十三五”规划》中，重点推进分布式光伏的发展。2017年度分布式（含户用）光伏装机量占全年装机量40%，同比增长350%，特别是屋顶分布式光伏的发展更为迅速，工商业屋顶分布式2018年预计新增装机13.5GW，户用屋顶2017年增加了40万套，但2018年预计增加120万套。分布式光伏发电系统由于其规模较小，设计运行和维护非专业化等的客观情况，对其的雷电灾害防护研究十分必要。

2、分布式光伏发电系统特点

按照系统位置分别为地面分布式和屋顶分布式两种。屋顶分布式即BMPV（在建筑物上安装的光伏发电系统），其安装方式可分为BIPV（建筑一体化）和BAPV（光伏建筑附加）。

BIPV：采用特殊设计的专用光伏组件，替代原有的建筑材料或建筑构件安装，与建筑物融为一体。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能，还要满足建筑物的基本功能要求，如光伏瓦、光伏窗、光伏幕墙、光伏遮阳板等。

BAPV：采用普通光伏组件在建筑物上安装，仅有发电的功能。

这两种安装方式中目前占绝对主流的是BAPV。但不管用什么方式，光伏电池板一般设置于建筑物天面、东、南向向阳的侧立面等处，位于建筑物上相对位置较高和突出的地方，没有被遮挡阳光。

3、典型分布式光伏发电系统基本结构

3.1光伏发电电池板主要特点

一、光伏电池元件按材料主要可分为晶硅与非晶硅光伏电池，主要有以下几种：

a、单晶硅：最早发明并使用、技术成熟、转换效率最高，最新技术大规模生产转换效率现可达23%，使用寿命长达30年，但制造需要纯度为99.9999%硅。一般电池片厚度为200~500μm。

b、多晶硅：相比单晶硅对材料的纯度要求下降，技术成熟，转换效率高，理论效率虽然比单晶硅稍低，最新技术大规模生产转换效率现可达21%，使用寿命长，可达25年，价格稍低。

c、硅基薄膜电池：今后的发展方向，硅薄膜层1~10μm，硅材料需求少，最新技术大规模生产中平均转换效率大概为21.9%，现存在的问题是稳定性不高，随使用时间会发生性能退化，寿命不足10年。

d、碲化镉薄膜电池：大规模生产中平均转换效率大概为10%以上，成本较高，且镉属剧毒。

e、砷化镓薄膜太阳能电池：多结转换效率高达30%以上，温度稳定性高，但成本很高，仅极少情况下用于性能优先的场景，如卫星上等。

f、CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池：大规模生产转换效率高达20%，量产转换效率最高的薄膜电池，性能稳定，使用寿命可达25年，材料价格昂贵，其中铜、铟、镓均属贵金属，特别是铟价比黄金且缓冲层含镉。

g、染料敏化薄膜电池等其它，正在研发中，未大规模商用。

二、主要光伏电池元件市场情况

晶体硅光伏电池（单晶硅和多晶硅）是市场的绝对主流，市场份额超过90%，特别是随着技术进步造成的成本下降，单晶硅生产成本贴近多晶硅，市场份额会进一步扩大。剩下少部分硅基薄膜光伏电池和CIGS薄膜光伏电池份额不足10%，例如一些CIGS薄膜光伏电池会用在户用光伏发电系统中。

三、光伏电池组件结构

单个晶体硅光伏电池单元大概产生的电压为0.5V，因此需将多个单元串联，典型的是36个串联组成12V光伏电池模块，还有72个串联的24V模块，多个模块串联或并联再组合封装为一个光伏电池组件。光伏电池以各单元或模块为单位，为防止个别的短/断路故障影响整个组件，还会单元/模块侧并联相应的阻塞或旁路二极管元件。

光伏电池组件为保证性能稳定，均进行了封装，一般其封装的各层结构分别为：低铁钢化玻璃、EVA胶膜、太阳能电池模块、EVA胶膜、PET胶片背板，采用铝合金边框包边密封。利用金属支架架设在屋面。

3.2逆变器

系统中除光伏电池组件外，最重要的元件为逆变器，其主要作用为将光伏电池发出的直流电转换为交流电，传输到交流用电设备和电网中，其核心原件为IGBT。根据分布式光伏发电系统规模逆变器有不同的工作电压和工作电流，绝大多数情况下不会设置于建筑物天面或较高位置的侧立面处。

3.3直流变换/充放电控制器及电能储存设备（蓄电池）

蓄电池是可选项，不是必要的设备，从成本考虑现大部分采用的是铅酸电池，相比镍镉电池和锂电池，成本较低，相应密度也较低。充放电控制器和蓄电池一般设于室内。

3.4汇流线、汇流排

当光伏电池组件较多时，为减少线路会设置一个或多个汇流排，汇流线连接各个光伏电池组件将传输直流电流至汇流排处，汇流线一般采用双层屏蔽的双芯电缆或单芯电缆，对强度要求的情况下还会采用铠装电缆。汇流排一般设置于单独的汇流箱中，其位置可能在天面处。

3.5监控系统

分布式光伏发电系统还可能包括各个监控系统，可能有：气象、环境监测设备、安防视频监控系统、光伏设备运行监控、跟踪器、逆流检测装置等。除逆流检测装置外其余系统都可能设置于室外，传感器、视频设备等信号传输线一般采用双绞线、同轴电缆或光缆。

4、雷电灾害隐患定性和定量分析

根据电力部门的运行统计，80%以上的光伏发电系统雷击损坏事故都是由电气线路引入的，按毁坏率从高到低分别为：电控系统、光伏电池组件、蓄电池，从成本上来分析，则从高到低分别为逆变器、光伏电池组件、电控系统、通迅系统。雷电对光伏发电系统的危害方式有直接雷击、雷电感应和闪电电涌三种。

4.1直接雷击

雷电直接击中太阳能电池组件，高电压会导致太阳能电池片表面或内部的PN结击穿，甚至物理性损坏，影响整个光伏电池组件的正确运行，造成使用寿命及发电效率降低；雷击点处强大的瞬间高温会造成光伏组件钢化玻璃面板的爆裂，电池组件背板的形变、脱层、击穿和烧灼，甚至引起太阳能光伏电池模块短路、断路、漏电等情况，影响光伏发电系统的正常运行；如直接击中汇流线路，会造成线路的烧灼、短路等，浪涌电流会沿着线路传至光伏电池组件、逆变器等各组件上，引起系统组件的损坏。

根据已有论文[1]测算当雷击直接击中光伏电池组件金属边框不同位置时，情况也不一样。电流值为25KA的首次雷击在组件边框上距离接地点位置最远处上可能产生超过75KV的瞬态过电压，足以造成太阳能电池元件的击穿损坏，但当雷击点位于接地点最近位置处则产生的瞬态过电压则仅有8KV，则不会对太阳能电池组件存在影响；雷击直接击中金属边框时对对玻璃面板影响极小，但要说明的是，如果边框未接地或无金属边框，雷击点位于玻璃面板处同样会造成损坏。

由此可看出光伏组件金属边框接地的重要性，特别其上部更容易接闪，组件金属边框上部或角位处直接接地效果将会更好。

第三类防雷建筑物滚球半径对应的绕击电流值15.8KA，按前述结论直接击中对光伏电池组件金属边框的影响不大（已接地的情况下），25KA对应的滚球半径为89米，因此光伏电池组件防直击雷保护范围计算滚球半径选取60米已经是足够的，实际设计中可与所处建筑物防雷分类要求一致。计算时还应注意，滚球应落在接闪装置之间或接闪装置与大地之间，未设接闪装置的楼面是不可等同大地的；设于侧立面的光伏电池组件，当其所处建筑物高度超过45m时应做防侧击雷措施，其中超过60m的上部20%处应额外设置接闪装置，其要求和保护范围的计算同天面的接闪装置要求。

4.2雷电感应

接闪器接闪时，瞬变的雷电冲击电流产生的感应电磁场会在附近的组件金属部件、线路上产生感应电压。感应电压过高则会造成电池元件击穿损坏。根据现有研究[2]测算，200KA首次雷击无边框（无屏蔽）的情况下超过0.5m外感应电压约为676V，有边框（通常都有）的情况下感应电压还要更低；即使是按照最严格的要求，50KA峰值的后续雷击，雷电流陡度按200KA/μm计算，有边框（有屏蔽）的情况下0.5米外感应电压约为1500V，无边框的情况下则2米外感应电压约为2800V；光伏电池模块实际耐压水平受串联硅晶和旁路二极管耐压水平的限制，一般超过2000V，因此雷击点距边框0.5m以外产生的雷击感应电压一般不会对光伏电池元件产生损害，更远处的感应电压则随着距离的增加会进一步降低，可以忽略不计。综合防反击的要求，接闪装置与光伏电池组件（有金属边框并接地）的距离宜保持1m以上距离，空间较小的情况下不应小于0.5m的安全距离，但如果光伏电池组件无金属边框的情况下则应增加安全距离，3米是一个合适的选择。

汇流线路和汇流排同样应处于接闪装置保护范围内，并与其保持1m以上的安全距离。汇流线路形成的回路面积与其上感应到的开路电压或短路电流成正比，因此汇流线路应合理布线，尽量减小回路面积。

4.3闪电电涌

雷电直接击中光伏组件、线路，除了会造成直接的损害外，闪电电涌还会通过线路引入室内或其它组件处引发损害。闪电电涌的产生主要有几个渠道：雷电直接击中电源线路、雷电击中光伏电池组件、附近接闪在线路和组件上感应出过电压/流、接闪器接闪及引下线泄放雷电流时对附近线路的反击、接地装置散流过程中产生的地电位反击。

假设线路处于接闪器保护范围（按第三类保护半径计算）中，发生绕击时的雷电幅值为15.8KA，雷电直接击中架空线，引入50%的雷电流便可高达7.9KA，即只要直接击中线路就会有很大概率引起组件和设备的损坏。因此采用屏蔽线路或套金属管并两端接地布设十分有必要，可以将大部分的雷电流泄放。在汇流排处应安装相应的直流电涌保护器，逆变器前端有必要的话还应安装第二级的直流电涌保护器进行防护。某些情况下可按更严格的滚球半径（30米甚至更小）要求单独计算线路的保护范围，计算时可将光伏电池组件作为接闪装置来计算保护范围（绕击优先击中光伏组件金属边框）。

根据现有结论[1]测算，25KA首次雷击击中光伏组件的情况下通过汇流线引至逆变器处的浪涌电流仅为268A，处于接闪装置保护范围内（按三类计算）的光伏组件仅可能被电流峰值不大于15.8KA雷电直接击中，因此引入的雷电流大大小于直接击中线路的情况。

附近雷击时在线路和组件上感应的浪涌电流远小于直接接闪产生的，需要注意的是线路的环路面积与环路上感应的开路电压或短路电流的值成正比，合理布线尽量减小汇流线环路面积十分有必要。

逆变器遭受闪电电涌损坏的主要原因冲击电压和冲击电流超过其耐受值。逆变器的主要器件IGBT的参数水平决定了逆变器的防雷水平，逆变器IGBT的对地脉冲绝缘耐压为一般为2.5kV，其额定电流则随逆变器容量和电压而定，通常逆变器能承受的最大冲击电流(即最大峰值电流10/350μs)近似额定电流的4倍，根据此选择合适参数的直流电涌保护器可以有效对闪电电涌进行限压和限流。充放电控制器及蓄电池前端同样应安装相应直流电涌保护器。

对于附设的监控系统，各传感器、摄像头等应处于接闪器保护范围内，信号传输线路优先选用不带金属的光缆，否则应采用屏蔽电缆或套金属管合理布设，屏蔽层或金属管应至少两端接地，线路引入室内前应安装相应的信号电涌保护器。

5、综上所述，屋顶分布式光伏发电系统的防雷要求总结如下：

5.1光伏系统所在建筑物应有符合规范要求的防雷设施。

5.2天面或侧面等高处设置的光伏发电系统各组件、线路、监控、传感等设备均应处于接闪器保护范围内，滚球半径可按照建筑物防雷分类要求选择，各组件、线路等应与接闪器应保持1米以上安全距离；接闪装置的设置应避免遮挡阳光。

5.3光伏发电系统所有金属构件，包括设备、机架、金属管道、电缆金属外皮等均应可靠接地，接地方式可就近与建筑物防雷设施等电位；其中光伏电池组件金属边框上部应直接接地。

5.4汇流线路应合理布置并尽量减少环路面积，线路应采用屏蔽电缆或套金属管布设；在汇流箱处应安装第一级直流电涌保护器，在逆变器及充放电控制器前端应装设第二级直流电涌保护器，相关参数根据系统要求选择。

5.5电网引入建筑物总配电箱处应安装交流电涌保护器，防止从电网引入的闪电电涌对逆变器及室内用电设备的影响。

5.6监控系统等引出至室外的信号线路优先采用无金属线的光缆；使用双绞线或同轴线等金属信号线的应采用屏蔽电缆或套金属管布设，电缆屏蔽层或金属管道应至少两端接地；金属信号线引入室内系统前端应安装D1类高能量试验的信号电涌保护器；有金属加强芯的光缆应将金属芯线在光端机处接地，并安装B2类慢上升率试验类型的信号电涌保护器。

5.7每年应对建筑物及光伏发电系统防雷设施进行定期检测，以确保防雷设施的有效性。

参考文献

[1]邰兴峰、刘宏、黄海金.《太阳能光伏电站防雷安全性的计算机模拟分析》[J].青海科技，2007年第5期

[2]张杰，胡媛媛.《大规模光伏电站的防雷评估及雷击风险管理》[J].通信电源技术，２０１１年第２８卷第２期

[3]郑军、胡东升.《光伏电站的防雷接地技术》[J].民营科技，2011年第3期

[4]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010

[5]《建筑物信息系统防雷设计规范》GB50343-2012

[6]《光伏发电站设计规范》GB50797-2012

[7]《太阳能发展“十三五”规划》，中国能源部

[8]崔容强赵春江吴达成.《并网型太阳能光伏发电系统》[M]化学工业出版社

[9]王立乔孙孝峰.《分布式发电系统中的光伏发电技术》[M].机械工业出版社

[10]（西）AntonioLuque、（美）StevenHegedus.《光伏技术与工程手册》[M].王文静、李海玲、周春兰、赵雷等，译.机械工业出版社

[11]王东.《太阳能光伏发电技术与系统集成》[M].化学工业出版社

[12]李钟实.《太阳能光伏组件生产制造工程技术》[M].人民邮电出版社