摘要：由于全球能源紧缺，我国太阳能产业得到迅速增长，其中普及较广的是光伏发电系统。近两年来国家相继出台了一系列相关扶持政策，极大的促进了个人光伏并网发电系统的发展。但个人光伏并网发电系统通常建设在屋顶，极易遭受雷击。目前，我国还没有专门的光伏发电系统防雷设计规范，本文针对个人光伏并网发电系统可能遭受的雷击灾害予以分析，依据国家有关防雷标准有针对性地采取防直接雷和感应雷及雷电波侵入的防护措施进行探讨。
关键词：个人；光伏发电；防雷；措施
1、引言
由于全球能源紧缺，我国太阳能产业得到迅速增长，其中普及较广的是光伏发电系统。近两年来国家相继出台了一系列相关扶持政策，极大的促进了个人光伏并网发电系统的发展。但个人光伏并网发电系统通常建设在屋顶，极易遭受雷击，造成设备损坏和停电故障，甚至威胁人身安全，因此对其采取防雷保护措施是十分必要的。
2、雷电的危害及侵入途径
光伏发电是利用半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能。典型的太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器、蓄电池组、逆变器组成。
雷电对光伏发电系统的破坏作用主要有三种类型：一是直击雷的作用，即雷电直接击在建筑物或设备上；二是雷电的感应作用，即雷电流产生的静电感应作用和电磁感应作用；三是雷电对架空线架或金属管道的作用，所产生的雷电波可能沿着这些金属导体、管路，特别是沿天线或架空电线将高电位引入室内与造成反击。
3、个人光伏并网发电系统的防雷保护措施
光伏发电是一种新兴的发电系统，我国还没有专门的光伏发电系统防雷设计规范。目前，国内大都依据《建筑物防雷设计规范》及电力系统的有关规范来对其进行比照设计，设计结果差异较大。因此，有关规范的防雷原则对光伏发电系统同样适用，却不可完全照搬，要因地制宜，经济合理地采取防雷保护措施。笔者根据个人光伏并网发电系统的特点制定了一套完整的雷电防护方案，主要包括防直击雷措施，防雷击电磁脉冲措施和可靠的接地系统。
3.1 防直击雷措施
个人光伏并网发电系统的太阳能电池板一般安装在个人住宅或公共建筑物的屋面上，处于LPZ0 区(LPZ为防雷区)，如太阳能电池板不在建筑物原有防雷装置的保护范围内，应对其采取防直击雷措施。根据 GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的规定，对于一般公共建筑物上的太阳能电池板可按 60 m 滚球半径采取防直击雷措施。太阳能电池板的金属支架应与避雷针做可靠的等电位连接，并与屋面防雷装置相连。
太阳能控制器、蓄电池和逆变器一般都安装在室内，处于LPZ1 区。如果控制器、蓄电池和逆变器安装在屋面(LPZ0 区)，应处在接闪器的保护范围内，其金属外壳应与电池板金属支架、避雷针及屋面防雷装置相连。
需要注意的是，避雷针的高度及竖立的位置可能产生阴影对光伏发电效率产生影响，因此需要慎重考虑。
3.2 防雷击电磁脉冲措施
3.2.1均压和等电位连接
为了减小不同金属物之间的电位差和故障电压危害，太阳能电池板的四周铝合金边框和金属支架，控制器、蓄电池、逆变器的金属外壳，金属管(槽)，线缆的金属屏蔽层及避雷针等应采取良好的等电位连接措施。根据 GB50057-2010的规定，等电位连接网络主要有两种结构，即 S型星形结构和 M 型网形结构。通常 S型等电位连接方式用于相对较小、限定于局部的系统，所以小规模的个人光伏发电系统应采用 S型等电位连接方式，将所有设备进行可靠的互连并接到接地装置上，从而使整个光伏并网发电系统成为一个等电位。
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3.2.2 合理布线和屏蔽措施
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。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(金属管应两端接地)应做等电位连接并接地。
3.2.3 过电压及过电流保护
为了防止雷击电磁脉冲产生的过电压及过电流经入户线路侵入损坏室内的光伏发电设备，对光伏发电系统的线缆应加装多级浪涌保护装置进行防雷保护。首先，应该在太阳能电池板输出到控制器的线路上(在入户处)安装电源浪涌保护器。其次，由于控制器、蓄电池和逆变器均为价格昂贵的设备，应在控制器、蓄电池和逆变器内安装第 2 级的电源浪涌保护器，使其具有防雷保护功能。如果逆变器输出到一些较重要的负载设备，还应该在逆变器输出端安装第 3 级电源浪涌保护器。以上各级电源浪涌保护器的参数选择和安装要求应符合 IEC616432-12 相关规定。室外的防雷器件应全部安装于防雨防尘的电源箱内。
3.3 接地系统
接地装置是指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的金属导体。个人光伏发电站一般无法利用自然接地体，需要埋设人工接地体。人工接地体即直接打入地下转作接地用的经加工的各种型钢或钢管。在接地系统设计时，必须保证各接地系统之间避免在地下电位反击，因此各接地系统在地下要有足够的间距。由于太阳能发电站占地面积有限，要做到这一点有一定的困难，为此在接地系统设计时，我们采用了共用接地系统的设计方案。
当雷电流经地面雷击点或接地体，流散入周围土壤时，在它周围形成电压降。如果有人在接近接地体附近行走，就会受到雷电流所造成的“跨步电压”的危害。为了避免避雷装置对人或牲畜造成危害，在设计接地装置时要按照接地电阻设计规范，将引下线和接地装置应尽量放在人们走不到或很少走的地方，避免跨步电压危害，还应注意使接地体与金属体或电缆之间保持一定的距离，如果距离不够，应把它们连接成电气通路，以免发生击穿，保证结构的可靠性。
4、结束语
随着太阳能光伏发电产业的不断发展，各类光伏发电系统的应用也会愈加广泛，采用科学的防雷技术是保证光伏系统可靠安全运行的一个重要因素。将防雷技术应用于个人光伏并网发电系统，通过对防直击雷、防雷电感应和雷电侵入波的防雷装置进行合理设计，采取多级保护措施，达到使太阳能光伏并网发电系统有效和安全运行的目的。特别是在我国中南部和长江沿线一带地区，由于空气潮湿，阴雨天气多，雷电活动频繁，更应注意防雷方面问题。个人太阳能并网光伏发电是个阳光产业，方兴未艾，防雷技术在个人光伏并网发电系统中的应用具有广阔的市场应用前景和社会影响，本文的研究具有重要的现实意义。
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论文作者:贺小波,邹鹏,尚荣会,刘帆,郭家荣
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/16
标签：防雷论文; 光伏论文; 系统论文; 并网发电论文; 太阳能论文; 雷电论文; 电池板论文; 《基层建设》2017年第24期论文;