光伏建筑一体化防雷设计

摘要：通过分析系统工作原理与雷电危害，提出了建筑屋面上的光伏方阵采用避雷针（带）防直击雷以及对室内的控制器和逆变器采用等电位连接和浪涌保护器防感应雷和地电位反击，采取了多级、综合雷电防护措施，使太阳能光伏并网发电系统达到有效和安全运行的目的。避雷装置在太阳能光伏并网发电系统中的应用具有广阔的市场应用前景和重要的科学研究意义。

关键词：雷电； 避雷装置；光伏方阵；光伏并网

光伏发电作为一种新兴的发电系统受到越来越多的重视，与建筑相结合的并网光伏发电是当今光伏应用的新趋势。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。另一类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。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，因而倍受关注。

光伏方阵成本较高，是光伏电站的关键部分。光伏方阵安装于屋顶，高度较高，占地面积较大，增加了其遭受雷击的概率。光伏电站还有控制器、逆变器等其它一些设备，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，为了使光伏电站能够安全、稳定的运行，对光伏电站的防雷提出一套较完善的方案是必要的，本文对这一问题进行了论述。

1 并网光伏发电系统原理

原理如下图所示。

在光照下太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，方阵输出的直流电压一般较低，如24V、48V或110V。将较低的DC通过高频（几千赫兹到几万赫兹）逆变为方波交流AC，通过升压变压器整流滤波后变为高压（110V以上）直流DC，然后再经DC-AC逆变为所需的工频交流电（50HZ、220V或380V）。

2 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影响，主要由以下几个方面造成：

直击雷：太阳能电池板大多都是安装在室外屋顶或是空旷的地方，所以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；

感应雷：远处的雷电闪击，由于电磁脉冲空间传播的缘故，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、逆变器到电源分配电盘以及配电盘到交流负载等的供电线路上产生浪涌过电压，损坏电气设备；

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。

3 并网光伏电站的雷电防护设计

3.1 防直击雷措施

安装于屋顶的光伏方阵，如果处于接闪装置的保护范围内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击。大于10KW的光伏设备，应根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010确定其防雷类别，对于一般公共建筑物，按三类防雷建筑物进行直击雷及感应雷设计。根据建筑物的防雷类别，使用滚球法来确定避雷针的高度和数量。对于一般公共建筑，其屋面上的光伏方阵应按60米滚球半径来防直击雷。此外，还应注意保持光伏支架和避雷针之间的隔离距离。

（1）单针型避雷针

若光伏方阵较小，可选用单针型避雷针，其保护范围如下图所示。

上图中h为避雷针高度，hr为60米滚球半径，xx’连线处的高度为hx。若光伏方阵的高度小于hx，且占地范围小于以rx为半径的圆形区域，则光伏方阵可以免遭直击雷侵袭。

（2）双支等高避雷针

当光伏方阵较大，单支避雷针不能有效防护时，可在被保护范围的两侧竖立2支等高避雷针作为接闪器，保护效果明显优于单支避雷针。保护区示意图3所示。

图3双支等高避雷针保护范围

（3）多根避雷针

当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器。

（4）避雷线与避雷针的组合

当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器。避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分。在架空网下是保护区，光伏方阵与架空网间应有安全距离，以保证防雷效果。

当光伏方阵很大时，接闪器可以采用以下形式：先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据屋顶形状组合安装避雷线和避雷针。用相应的滚球半径来确定接闪器的保护范围。

3.2接地系统

所有接地都要连接至预留的防雷装置，光伏系统的接地包括以下几个方面。

防雷接地：如前所述，为了防止各种雷引起的雷电流的损害，避雷针、避雷带（线）以及低压避雷器、连接架空线路的电缆金属外皮必须可靠接地。

工作接地：为保证安全，逆变器的中性点、电压和电流互感器的二次绕组必须接地。

保护接地：为防止出现正常情况下不带电、而在绝缘材料损坏后或其它情况下可能带电的情况，光伏电池组件机架、控制器外壳、逆变器外壳、配电箱外壳、电缆外皮、穿线金属管道的外皮必须接地。

屏蔽接地：为了防止电磁干扰而对电子设备所做的金属屏蔽必须接地。

直接雷击会产生数百千安的电流。雷电流被接闪器引入大地时，要经由引下线、接地体而分散入地。电流经接地装置进入大地是以半球面形状向大地散流的，离接地体20m处，半球表面积很大，该处的电位趋于零，称为电气上的“地”。 由于在接地体与“地”之间存在着散流电阻，在这些区域的不同地点会有不同的电位，距离越近电压越高。室内直流负荷设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端与工作接地相连，无流的远端地与工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压，当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。

良好的接地使接地电阻减小，才能把雷电流导入大地，减小地电位，各接地装置都要通过接地排相互连接以实现共地防止地电位反击。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻必须小于10Ω。低压电力设备接地装置的接地电阻，不宜超过4Ω。光伏设备的接地系统设计为环形接地极（水平接地电极），建议网络大小为20m×20m。固定的金属支架大约每隔10m 连接至接地系统。太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接，在焊接处也要进行防腐防锈处理，这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。水平接地极铺设在至少0.5m 深的土壤中（距离冻土层深0.5m），使用十字夹相互连接成网格状。同样，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀带包裹起来。

3.3 防感应雷措施

防感应雷主要采用等电位连接、屏蔽和加装浪涌保护器进行保护。

等电位连接，实现各金属物体之间等电位，防止互相之间发生闪络或击穿。防雷系统的关键部分是太阳能光伏并网发电系统的所有金属结构和设备外壳连通并接地。具体的做法是：太阳电池组件和支架及设备的外壳直接接到等电位系统上，直流和交流电缆通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。为防止部分雷电流侵入建筑物，等电位连接应尽可能靠近系统的入口或建筑物的进线处。

屏蔽，实现建筑物、线路和设备对外界的电磁屏蔽隔离，防止电磁脉冲和感应高电压。屏蔽是当雷电在系统附近的大地放电雷云在附近经过时，通过降低电磁场与系统输电线路的相互作用对系统提供保护。

浪涌保护，通过在带电电缆上安装浪涌保护器实现，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径， 除了太阳能电池方阵外， 还有配电线路、接地线等，所以太阳能光伏并网发电系统需要采取以下防护措施：

（1）在逆变器的每路直流输入端装设浪涌保护器。

（2）在并网接入控制柜中安装浪涌保护器，以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器，过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值。

当太阳能电池方阵架设在接闪器保护范围内时，太阳能电池方阵置于LPZ0B区内，配电设备和逆变器必须置于LPZ1区内，为此应在逆变器的直流输入端配置直流电源浪涌保护器，直流电源浪涌保护器可选用专门用于直流配电系统的浪涌保护器，也可选用交流配电系统的浪涌保护器，并按换算公式Vdc=1.414Vac计算。

作为第一级浪涌保护应该选择开关型浪涌保护器以泄放大的雷电流，直流浪涌保护器的主要技术参数应满足如下要求：

额定放电冲击电流Iimp≥5kA（10/350μs）；

最大持续运行电压UC≥1.15Udc（Uc为太阳电池方阵开路电压）；

电压保护水平UP≤0.8UW（UW为逆变器耐冲击过电压额定值，一般情况下UW=4000V）。

为保护用电设备，在逆变器与并网点之间必须加装第二级浪涌保护器，可选限压型浪涌保护器，具体型号应根据工作电压和现场情况确定。综合采用以上措施可以逐级将雷电流降低，最终控制在设备能承受的电压范围之内。大量实践证明这些措施是非常有效的。

4 结语

随着太阳能光伏并网发电产业的不断发展，对这一产业的的技术要求也越来越高，形式也越来越多样化。科学的防雷措施是保证光伏发电系统正常运转的必备条件，本文对此进行了一定的探索。防雷措施需要根据所在地区的气象条件、建筑物的特点、光伏方阵的特点进行综合考虑，这需要做更多的工作。

参考文献：

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[2]沈辉等.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005：109-110

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