分布式屋頂光伏雷擊事故原因分析

王 瑛 黃鵬程

上海電力設(shè)計院有限公司

0 引言

分布式屋頂光伏項目是一種將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)于建筑屋頂上并且將發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近用戶供電的新型的發(fā)電和能源綜合利用項目[1]。

近年來，分布式屋頂光伏項目如雨后春筍般爆發(fā)性增長，隨之而來的專門適用分布式屋頂光伏項目的運行、維護、定期安全檢測的方案，還有待時間檢驗。據(jù)統(tǒng)計，已投產(chǎn)分布式屋頂光伏項目遭受雷擊的事故時有發(fā)生。

本文就一多雷地區(qū)的屋頂光伏項目的雷擊事故進行事故原因分析并進行經(jīng)驗總結(jié)，工程規(guī)模較為典型，可以為后續(xù)類似項目的設(shè)計、施工、建造提供借鑒。

1 現(xiàn)有屋頂光伏的防雷措施

屋頂式光伏發(fā)電站主要由太陽電池板、控制器、逆變器和蓄電池等構(gòu)成[2]。如圖1所示。

圖1 簡易屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

對于一般的屋頂式光伏發(fā)電系統(tǒng)，自然雷電等對其危害途徑主要有雷電直擊、高電位反擊、電磁感應(yīng)耦合三種[3-6]。

雷電直擊：雷電直接擊于建（構(gòu)）筑物、光伏組件裝置上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械力者。

高電位反擊：當屋頂光伏安裝外部防雷裝置時，一旦外部防雷系統(tǒng)遭受雷擊，外部防雷裝置因電位抬高與光伏組件間發(fā)生電弧閃絡(luò)。

電磁感應(yīng)：當雷擊外部接閃裝置或光伏陣列邊框上，強大的瞬變電磁場會在電纜導(dǎo)體回路中感應(yīng)產(chǎn)生很高的電勢[7]。

目前，屋頂光伏電站的雷電防護防雷措施包括由接閃帶、引下線、接地裝置組成的直擊雷防護措施和屏蔽、等電位連接、安裝SPD 等閃電電磁脈沖防護措施[8]。

所有電氣裝置中，可能由于絕緣損壞而帶電的電氣裝置的金屬部分均應(yīng)有保護接地，因此，在光伏場區(qū)及配電間內(nèi)應(yīng)接地的部分包括：所有電氣設(shè)備及其它電器的金屬底座和外殼；逆變器、并網(wǎng)綜合柜的框架；交直流電力電纜接頭的金屬外殼、電纜的金屬外皮和配線的鋼管。圖2 為屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護系統(tǒng)示意圖。

圖2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護系統(tǒng)示意圖

2 項目概況

本文介紹的屋頂光伏雷擊事故發(fā)生在寧波地區(qū)，該項目地點區(qū)域所在環(huán)境多年極端溫度為-5．5～+38．6 ℃，海拔高度＜100 m，地震烈度為6 C，多年平均相對濕度79%，污穢等級E 級，爬電比距3．1 cm/kV。

本屋頂分布式光伏電站項目規(guī)模約370 kWp，共設(shè)有兩個廠房屋頂光伏場（以下簡稱為1#廠房光伏場和2#廠房光伏場）。2 處屋頂光伏場共設(shè)有4 臺8 進1 出的交流匯流箱、24 臺15 kW 組串式逆變器、1 臺10 kW 組串式逆變器以及4 臺無線通訊管理終端。電量通過交流匯流箱匯集后并入廠區(qū)原有的400 V 母線配電柜后接入系統(tǒng)電網(wǎng)，為整個園區(qū)供電，余電不上網(wǎng)。屋面光伏場布置如圖3、圖4 所示。

圖3 1#廠房光伏場屋面圖

圖4 2#廠房光伏場屋面圖

3 雷擊事故發(fā)生及認定

在2017 年8 月的一天，該屋頂光伏場所在地發(fā)生雷雨天氣，引發(fā)了光伏電池雷擊事故。

根據(jù)圖5 所示，該地區(qū)2017 年8 月氣象臺發(fā)布的雷暴日表，由圖可推出該地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)約為40．0 日，屬于多雷地區(qū)。事故發(fā)生時，該地區(qū)雷電活動強烈。

事故發(fā)生在該項目的2#廠房光伏場，該光伏場區(qū)共設(shè)置了7 臺15 kW 組串式逆變器（以下命名為19#～25#逆變器），分別通過ZA-YJV23-0．6/1-4×6 mm2的電纜接入交流匯流箱（現(xiàn)場為4#交流匯流箱），匯集到匯流箱后通過ZA-YJV23-0．6/1-3×120+2×70 mm2的電纜引下最后接入到配電房400 V 開關(guān)柜內(nèi)。這7 臺組串式逆變器的485 通訊口經(jīng)通訊線纜并接后引入無線通訊管理終端（現(xiàn)場為4#無線通訊管理終端）。每臺逆變器的直流側(cè)接入4 串光伏組件，4#無線通訊管理終端電源線與其中1串（以下簡稱A 串）光伏組件通過2 進1 出接線端子并接入逆變器直流輸入側(cè)，如圖6所示。

事故發(fā)生前各設(shè)備運行情況良好，多年運行未發(fā)現(xiàn)任何故障。考慮到電站場址區(qū)域可能發(fā)生鹽霧等工況，設(shè)備招標生產(chǎn)已按照逆變器能滿足在當?shù)丨h(huán)境條件下長期、安全、可靠運行的條件設(shè)計生產(chǎn)。

圖5 寧波市2017年8月天氣詳情

圖6 19#～25#逆變器（已拆除送檢）、4#交流匯流箱、4#無線通訊箱并排安裝于屋頂

2017 年8 月雷擊事故發(fā)生，之后運行人員在該站后臺監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)后臺監(jiān)視器上顯示多臺逆變器突然失去信號。項目單位立即組織相關(guān)運行人員到現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)2#廠房光伏電站的第19#～22#、24#、25#共6 臺15 kW 組串式逆變器已發(fā)生事故脫網(wǎng)。項目單位立即聯(lián)系并組織廠家、設(shè)計等技術(shù)人員火速趕往現(xiàn)場檢查事故發(fā)生情況。

當天經(jīng)技術(shù)人員初步勘查，發(fā)現(xiàn)2#廠房光伏場屋面上總計有2 臺無線通訊管理終端、6 臺逆變器、A 串光伏組件中的11 塊光伏板、逆變器直流側(cè)及通訊側(cè)部分線纜及接線端子發(fā)生雷擊擊穿故障；進一步發(fā)現(xiàn)1#廠房光伏電站屋面上總計有1 臺無線通訊管理終端發(fā)生故障，其中2 臺逆變器黑屏、3 臺逆變器報無電網(wǎng)故障、1 臺逆變器報母線不均壓故障，初步檢查發(fā)現(xiàn)有11 塊光伏組件接線盒有明顯的擊穿現(xiàn)象。之后經(jīng)逐步排查并測量光伏組件的開路電壓，最終確認被擊穿光伏組件共計64 塊，事故造成光伏廠區(qū)設(shè)備財產(chǎn)損失巨大。

圖7 發(fā)生事故的無線通訊箱（含無線通訊管理終端）

4 事故原因分析

事故發(fā)生在2017 年8 月的寧波，事故發(fā)生前該地區(qū)經(jīng)過多日雷陣雨天氣，根據(jù)當?shù)禺敃r的氣象條件、事故后各個設(shè)備元器件的損壞情況及現(xiàn)場技術(shù)人員的測量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)此次事故的主要直接原因是由屋面無線通訊管理終端遭受直擊雷或感應(yīng)雷造成，如圖7所示。

屋面無線通訊管理終端在經(jīng)過直擊雷或者經(jīng)過多次雷電、電能量積聚后，2 個廠房光伏場屋面上的4 臺無線通訊管理終端由于竣工時未可靠接地，導(dǎo)致其中的3 臺設(shè)備發(fā)生雷擊故障損壞，并進一步造成光伏場區(qū)其他設(shè)備如光伏組件、逆變器等事故損壞。其雷電波侵入時過電壓傳遞途徑如下：

1）部分感應(yīng)雷能量通過電源線纜侵入到光伏組件，導(dǎo)致光伏組件接線盒直接燒損。

2）剩余的一些感應(yīng)雷能量則通過通訊線纜侵入到了7 臺逆變器通訊芯片，雷電過電壓經(jīng)過組串式逆變器的控制芯片和驅(qū)動芯片后，又侵入逆變器交流側(cè)，再反竄入其余交流側(cè)并聯(lián)的逆變器，最終導(dǎo)致其中6 臺逆變器（如圖8 所示接線圖）內(nèi)通訊芯片、IGBT 模塊、液晶電源變壓器、交流濾波電抗器等各個元器件發(fā)生不同程度的擊穿損壞。

5 事故后應(yīng)急措施

當組串式逆變器發(fā)生雷擊跳閘脫網(wǎng)事故后，所在項目單位立即組織運行人員對設(shè)備進行外觀檢查，并在第一時間積極組織相關(guān)專業(yè)人員檢查并分析事故原因。在對現(xiàn)場設(shè)備進行緊急處理后，立即更換了3 臺發(fā)生直擊雷故障的無線通訊管理終端，并根據(jù)設(shè)備損壞的程度進行鑒定，對5臺事故故障的組串式逆變器返廠檢修，將1 臺故障的逆變器送至第三方機構(gòu)檢驗。待設(shè)備檢修合格并安裝完成后，對現(xiàn)場無線通訊管理終端設(shè)備及其他所有帶金屬設(shè)備按照設(shè)備標準進行可靠接地，并實測其接地電阻，使接地電阻滿足不大于4Ω，并對其他接地點進行逐一排查，確保各點最終按照規(guī)范可靠接地。待現(xiàn)場施工并接地檢驗完成后，重新進行現(xiàn)場試驗（耐壓試驗、接地試驗等），最終順利并網(wǎng)發(fā)電。

圖8 逆變器電氣接線圖

6 結(jié)論及建議

綜上所述，可以認為本次事故發(fā)生的主要直接原因是由于連日來多次雷電天氣，其次間接原因是由于屋面無線通訊設(shè)備未按照相關(guān)標準進行可靠接地，使得設(shè)備在短時間內(nèi)多次遭受雷擊，最終致使系統(tǒng)跳閘、設(shè)備損壞。考慮到該地區(qū)惡劣天氣的影響，同時結(jié)合電站已運行若干年的情況，現(xiàn)場排查了2 棟屋面的接地系統(tǒng)，確保屋面所有電氣設(shè)備的接地端子、底座與外殼、金屬框架、金屬箱體、金屬爬梯、電纜橋架等金屬設(shè)備、設(shè)施均已可靠接地。類似工程如有條件建議將無線通訊設(shè)備移至室內(nèi)，并在室外屋頂設(shè)置避雷帶或者避雷針設(shè)備。

因此，設(shè)計人員在屋頂光伏設(shè)計過程中要綜合考慮計算屋頂接地電阻，校驗接地電阻滿足≤4Ω的條件，從而選擇合適的接地線、接地極及接地方式。設(shè)計要明確所有可能被雷擊產(chǎn)生事故的設(shè)備，保證屋頂上所有設(shè)備及金屬件在滿足規(guī)范標準的情況下有效接地，有必要的地區(qū)增設(shè)避雷針等設(shè)施。設(shè)備采購時需明確所在地區(qū)的污穢等級，防雷保護，抗震系數(shù)要求等。施工安裝應(yīng)嚴格按照施工工藝標準執(zhí)行，確保屋頂上所有設(shè)備及金屬件可靠接地，接地連接處可靠連接，并對接地電阻進行測量復(fù)核。運行維護時，需要定期檢查接地排等是否破損、生銹需要更換等情況。