光伏電站直擊雷防護設計

張 磊，張建國

(鄭州科技學院實踐中心,河南鄭州450064)

光伏電站直擊雷防護設計

張 磊，張建國

(鄭州科技學院實踐中心,河南鄭州450064)

按照新頒布實施的《光伏發電站防雷技術規程》標準中直擊雷防護要求,基于電氣幾何法接閃器的保護范圍計算公式，提出了利用滾球法計算直擊雷保護范圍，由畫圖法驗證有效保護范圍的設計方法，并通過實例分析驗證，3年的運行實踐表明，該方案能夠有效保護光伏電站，為防直擊雷設計提供了依據。

電氣幾何法; 光伏電站; 滾球半徑; 擊距; 畫圖法

0 引言

受環境問題、未來能源問題和電力體制改革等綜合因素的影響，分布式電源近年成為研究熱點[1],尤其是分布式光伏發電作為新型清潔的能源受到了廣泛的關注，特別是光伏系統成本每年下降約3%～5%，據專家預測，至2050年，全球太陽能光伏發電系統裝機容量將達到全社會總裝機容量的15%左右，至2100年，將達到60%左右[2].光伏電站發展勢頭良好，但是在夏季易遭雷電襲擊，導致設備毀壞無法正常工作，造成重大經濟損失，因而光伏發電系統的設計人員對防雷設計都很重視。自《光伏發電站防雷技術規程》(DL1364—2014)正式發布實施以來，將滾球法定為光伏發電站直擊雷防護裝置(接閃器)設計的主要依據。而用滾球法確定接閃器的保護范圍,標準只用“光伏發電站的接閃器保護范圍應依據“滾球法”進行計算，按“滾球法”計算保護范圍時，先確定雷電防護等級”。一句話帶過，規定不清楚。用滾球法確定接閃器保護范圍在應用上如何去做,擊距如何確定，根據多年的防雷設計經驗,下面以運行三年的73 kW分布式光伏電站直擊雷防護為例進行研究。

1 避雷針防護范圍原理

滾球法基于雷閃電氣幾何數學模型，其設計原理是以擊距為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位(如電力設備或建筑物)各個方向進行滾動，當球體只觸及接閃器，包括被利用作為接閃器的金屬體，或只觸及接閃器和地面包括與大地接觸并能承受累計的金屬物，而不觸及需要保護的部位時，則該部位就得到接閃器的保護[3],一言蔽之就是半徑為hr的放電球體滾過光伏陣列時，沒有觸及光伏陣列的空間部位，該空間部位就是保護范圍，如圖1所示。

圖1 滾球法原理

從圖1可知雷電球體的運行軌跡為圓弧，是以避雷針和支撐點為切點的半徑畫弧,圓弧下的范圍為保護范圍。同時它的放電路徑幾何距離(擊距)也是避雷針保護范圍的判斷依據，可見保護范圍與擊距的確定至關重要。

2 滾球法的避雷針防護范圍確定

2.1 滾球半徑的確定

依據國家能源局標準《光伏發電站防雷技術規程》(DL1364—2014)規定；雷電防護等級為A級的光伏發電站的滾球半徑取45 m，雷電防護等級為B、C級的光伏發電站的滾球半徑取60 m；可見滾球半徑的確定關鍵在于光伏發電站雷電防護等級。

防護等級確定。

依據《光伏發電站防雷技術規程》(DL/T1364-2014)標準，光伏發電站雷電防護等級計算公式為：

F=K×Td

(1)

式中：F為分級系數，具體標準劃分詳見表1光伏電站雷電防護等級劃分；K為地形環境因子。光伏發電站光伏方陣設置在山頂、海邊、水面等區域時取1.5；光伏發電站光伏方陣設在礦藏區、地下水露頭處等區域及金屬屋面時取1.3；光伏發電站設置在其它區域時取1；Td為年平均雷暴日數值，據當地氣象臺、站資料確定雷電防護等級為A級的光伏發電站的滾球半徑取45 m，雷電防護等級為B、C級的光伏發電站的滾球半徑取60 m[4]。

表1 光伏發電站雷電防護等級劃分

屋頂分布式光伏電站是當前中國正快速實施建設，到2020年裝機容量達1億kW[5]，(DL/T1364-2014)標準規定：光伏電站若建在第一類建筑物屋頂則hr取值30 m,同樣建在二、三類建筑物屋頂則hr取值分別為45 m與60 m。

2.2 雷電擊距

雷電指雷暴天氣中發生的激烈放電現象，它是一種長距離的電火花，電流能夠達到幾萬甚至幾十萬A，閃電穿過的地方，空氣被擊穿，通道溫度驟然升高，具有極強的破壞作用[6]。雷電對地面物體放電一般存在上行雷閃和下行雷閃兩種方式[7]，當目標物與雷電迎面先導時，下行先導頭部與目標物之間的距離就是擊距rs，它是電氣幾何模型的基礎。如圖2所示。

圖2 雷電擊距示意圖

從圖2中可知迎面先導起始后，將與下行先導相向發展，最后躍變距離rk等于迎面先導的長度與流注區長度之和[8]。吸引半徑Ra是迎面先導能成功攔截下行先導的最大側面距離，它與建筑物的高度關系最為密切。

目前計算避雷針保護范圍的方法有很多種,如電氣幾何擊距法(EGM)、修正EGM 的先導傳播模型法、滾球法等,本文采用IEEE工作組推薦電氣幾何擊距法(EGM)的擊距rs公式：

rs=10I0.65(m)；

(2)

式中：I為雷電流幅值，kA；一般取值10 kA;取值范圍：3～50 kA[9]。

從公式中可知擊距隨雷電流增大而增大,擊距越大,保護范圍就越大，空間內繞擊率就越大，保護可靠性越低。吸引半徑Ra公式：

Ra(I,h)=2.83I0.63h0.40

(3)

式中：Ra：為吸引半徑，m;I為雷電流幅值,kA;h為針狀物高度,m。

從式(3)可知Ra不僅與雷電流相關,也同目標物的高度相關，是二者之間的函數,并和目標物的幾何形狀有關。屋頂分布式光伏電站建在建筑物的頂端，位置地處高位，設計避雷保護時要用吸引半徑與擊距驗證其保護范圍的安全性。

2.3 用滾球法確定避雷針間的保護范圍

避雷針適用于電站防雷、建筑物防雷和高壓線路防“繞擊”，其工作原理是通過尖端放電，引導雷電對其自身放電而屏蔽其保護范圍內的其他設備免遭直擊雷，是直擊雷防護的主要裝置。其實避雷針的名稱并不確切，應叫做“引雷針”更為合適[10]，安裝線路避雷器必須要考慮其經濟性，力圖以最少的避雷器數量達到最佳的防雷效果，這必須考慮避雷針的高度、保護范圍及安裝位置。

2.3.1 單支避雷針高度h≤滾球半徑hr時

(1)作圖法確定保護范圍: 以hr為半徑的滾球保持與避雷針尖A、屋頂平面相切,在避雷針周圍滾動時形成的球下空間,即圖3正視圖上圓弧以避雷針為軸形成的圓錐體，具體做圖步驟如下：

(a)在距屋頂高hr米處作一平行線，平行于屋頂；

(b)以針尖頂點C為圓心,hr半徑,作弧線交于平行線的A、B兩點；

(c)分別以A、B為圓心,hr為半徑作圓,該弧線與針尖相交并與地面相切,則弧形區域A＇CB＇即為避雷針保護范圍[11]；

(d)若光伏陣列的高度為hx( 圖中X、X′ 線為光伏陣列的水平線),XX′線分別交圓弧于X和X′點,X、X′線在圓錐體之間保護有效。俯視圖中,半徑rx的圓(直徑XX′)就是光伏陣列高度hx的平面保護范圍。

圖3 單支避雷針的保護范圍

(2)hx高度X、X′平面上的避雷針保護半徑rx計算公式

(4)

依據GB50057-2010建筑物防雷設計規范的第5.2.1 條第3款的解釋,可將安裝了避雷帶屋面作為 基準面進行避雷針保護范圍的計算,同圖3所示,可得避雷針在屋面的保護半徑ro:

(5)

注意：避雷針高度h>hr保護半徑分析。

作圖法：在避雷針上選取高度為hr的點作為單支避雷針的針尖圓心,其余作圖步驟與h≤hr時相同。保護計算公式：

(6)

2.3.2 等高避雷針保護范圍與計算確定

兩支避雷針對不同高度光伏陣列保護范圍存在著相離、相切和相交三種情況,這三種情況由兩針之間的間距決定,相交及覆蓋范圍就是保護范圍，下面詳細說明。

做圖法確定保護范圍:A、B兩支及多支避雷針，它們的外側保護范圍與單支避雷針做圖方法一樣，保護范圍相同[12]。距離最近(相鄰)的兩支避雷針之間的保護范圍是以半徑hr的滾球在空間滾動而同時與針尖A和B相切，圓弧A⌒B與分別以針尖a、b為圓心以r0為半徑劃圓弧，由它們的交點(m、n點)位置所決定,即a、n、b、m所圍成的區域為兩針之間的保護范圍，具體如圖4所示。h0圓弧A⌒B的最低點，hr>h0，以此來設定避雷針的高度與間距。

圖4 雙支避雷針保護范圍

公式法確定。

(7)

(2)在ab軸線上，離中間線mn任意距離xm，光伏陣列高度hx米計算公式:

(8)

兩針間的anbm內保護范圍因ank、bnk、amk、bmk各部分都相同,故以ank部分的保護范圍為例,并在任意保護高度hx和C 點所處的垂直平面上,以hx作為假想避雷針,按單支避雷針的方法逐點確定詳見圖4中1一1剖面。

注意：避雷針高度h>hr保護半徑同單支避雷針相同。

2.3.3 不等高避雷針保護范圍與計算確定

對于任何一個大型建筑樓頂的光伏電站來說,避雷針防護肯定是多支的,當多支避雷針聯合保護時,首先被較高的避雷針針尖所托起，然后依次滾向較低的避雷針，因此最高避雷針相鄰的避雷針與滾球之間形成交集,該交集為稱為有效球面，計算時先確定最高的有效球面，然后確定與最高球面相鄰的次高的有效球面。

(1)畫圖法保護范圍確定同等高避雷針方法一樣不再累述，具體圖形如圖5所示。

圖5 雙支不等高避雷針保護范圍

(2)公式法確定

兩支不等高避雷針的保護范圍,在h1和h2都小于等于hr時;

在AEBC的外側，同單支避雷針計算方法相同。

CE線的位置計算公式

(9)

屋頂平面上最小保護寬度bo計算:

光伏陣列保護高度hx計算：

(10)

3 光伏電站防雷設計

國家能源局標準《光伏發電站防雷技術規程》(DL1364—2014)規定光伏發電站的接閃器保護范圍應依據“滾球法”進行計算，依據雷電防護等級選取滾球半徑，代人公式直接計算保護范圍。而忽視光伏電站內各被保護設備的絕緣耐受水平與其雷電擊距，因此本文提出將三者聯系起來進行防雷設計，方法具體如下：

(1)確定雷電防護等級與滾球半徑；計算保護范圍與避雷針高度。

(2)計算雷電流幅值與擊距。

(3)比較最小滾球半徑與雷電流幅值對應的擊距及被保護設備絕緣所能承受的最大雷流幅值，若前者小于則被保護設備，則設備得到保護;反之，設備就遭到雷擊，造成雷電事故。

(4)用畫圖法驗證避雷針的保護范圍與擊距對光伏電站設備是否構成危害。

4 工程計算實例

為驗證上述設計方法，以13年在鄭州科技學院科教樓樓頂建立的73 kW光伏電站為例分析、計算直擊雷防護?？平虡浅蕱|西走向,面朝正南方向,共6層,高21 m，樓頂面積為80 m×20 m、外圍有1.20 m高的女兒墻，女兒墻上150 mm避雷帶。直擊雷防護在北墻安裝3根11 m固定式避雷針，南墻安裝兩根11 m伸縮式避雷針，具體安裝如圖6所示。

圖6 避雷針安裝位置

分析計算：

(1)確定雷電防護等級與滾球半徑；本項目光伏陣列安裝在樓頂K取值為1.3；年平均雷暴日數值Td取值為20.6[13]。

將上述數值代入式(1)，可得

F=K×Td=1.3×20.6=26.78<60

參照表1可知本次本次光伏電站雷電防護等級為C級，hr取60 m，科教樓為二類建筑物，則屋頂則hr取值為45 m，因此本光伏電站滾球半徑hr取45 m。

(3)計算雷電流幅值與擊距:

將雷電流的幅值3 kA、5 kA、10 kA、15 kA、20 kA分別代入式(2)

rs=10I0.65與式(3)Ra(I,h)=2.83I0.63h0.40中，分別計算得數值如表2所示。

比較最小滾球半徑與雷電流幅值對應的擊距及被保護設備絕緣所能承受的最大雷流幅值：經式(2)計算可知最小保護半徑為19.62 m；參照表二可知雷電流幅值3 kA對應的擊距為20 m，大于最小保護半徑19.62 m,因此此避雷針只能保護大于等于3 kA的雷電流。

表2 雷電流對應的擊距與吸引半徑

(4)太陽能電池的光伏組件由“鋼化玻璃/EVA/電池/EVA/背板+金屬邊框等組成，鋼化玻璃為絕緣體其阻值可達100 MΩ，金屬邊框為導體，阻值為0 Ω，當發生低于雷電流幅值3 kA的直擊雷時，其電荷主要集中在電池板四周鋁合金框架與支架上，由于鋁合金框架與支架連接進行了等電位連接，并與屋面接閃帶可靠相連，就使雷電能量通過鋁框架和接地體立即泄入大地，避免直擊雷沖擊而損壞[14]。

(5)作圖法驗證：具體如圖7所示，外側保護范圍與單支避雷針做圖方法一樣，保護范圍一樣，避雷針內側保護范圍確定：分別在避雷針A、B；B、C；D、E之間畫垂直平分線，在垂直平分線上以45 m為半徑做圓弧，分別與避雷針A、B、C、D、E相切，圓弧AB、BC、DE就是的保護范圍，光伏陣列整體在避雷針保護范圍之內，因此認為避雷針配置方案可滿足工程要求。

圖7 避雷針最小保護范圍

5 結論

滾球法是基于電氣幾何理論,是用于確定避雷針的保護范圍的理論方法,目前已被國家定為光伏電站防直擊雷的規范標準，在實際工作中,首先根據現場情況確定保護級別,選取不同的滾球半徑，代入相應的公式進行計算，其次要考慮雷電流的影響，以確定安裝避雷針的高度、位置與數量,最后用畫圖方法進行驗證,全方位考慮被保護物(光伏電站)的正視圖、側視圖及俯視圖,以確保光伏電站的全方位安全防護，本文適用于光伏電站防直擊雷設計，經過三年(2013年～2015年)雷雨天氣實踐，證明鄭州科技學院科技樓上安裝5支11 m等高避雷針安全、有效合理，這種設計方法具有較強的應用推廣性。

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Direct Lightning Protection Design in Photovoltaic Power Stations

ZHANG Lei,ZHANG Jianguo

(Practice Center Zhengzhou Institute of Science&Technology,Zhengzhou 450064，China)

According to the direct lightning protection requirements stipulated in the Lightning Protection Technology Procedures for Photovoltaic Power Stations which is newly enacted in China and the protection scope computational formula of lightning arrester based on electric geometry method,it is proposed in this thesis that rolling ball method can be used to calculate the direct lightning protection scope and drawing method as well as instance analysis can be adopted to verify the effective protection scope.Three years of operational practice indicates that this scheme can effectively protect photovoltaic power stations and provide basis for the direct lightning protection design.

electric geometry method; photovoltaic power station; ball radius; strike distance; drawing method

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.013

2016-09-19。

河南省科技攻關項目(高新技術領域)：152102210174;河南省科技攻關項目(社會發展領域)：162102310237。

TM726.3

1672-0792(2017)01-0073-06

張磊(1976-)，男,實驗師,研究方向為自動化控制、新能源(光伏發電)應用。