雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響及防雷檢測方法研究

摘要 作為一種新興的發(fā)電系統(tǒng)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在能源發(fā)電領(lǐng)域方面得到了廣泛應(yīng)用。因為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝環(huán)境和位置較為特殊，設(shè)備遭受雷擊的概率愈加突出。太陽能電池屬于半導(dǎo)體器件，可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，具有巨大的開發(fā)利用潛力。在了解光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，分析了雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，并指出了選擇輸出電流較大的檢測設(shè)備，對光伏方陣區(qū)和交流輸電設(shè)備重點區(qū)域的檢測方法進行了研究，以實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷和接地裝置性能的有效判斷。

關(guān)鍵詞 雷電災(zāi)害；光伏發(fā)電系統(tǒng)；影響；防雷檢測

中圖分類號：P427.32+1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0172-03

光伏發(fā)電是指結(jié)合光生電伏特效應(yīng)原理，在太陽能電池組件的基礎(chǔ)上將太陽能轉(zhuǎn)化為可以直接使用的電能，屬于綠色環(huán)保的可再生能源[1]。太陽能資源較為豐富，且分布極為廣泛，是21世紀中發(fā)展?jié)摿薮蟮目稍偕茉碵2]。因全球能源短缺和環(huán)境污染問題的進一步加劇，而太陽能光伏發(fā)電的安全、清潔、便利、高效等特點較為突出，現(xiàn)已成為世界范圍內(nèi)普遍關(guān)注和重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。由于光伏發(fā)電站大都布設(shè)在人煙稀少的空曠地帶，自身遭受雷擊的概率較高，很容易引發(fā)設(shè)備受損和停電事故，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。為了降低或避免雷擊事故的出現(xiàn)概率，需要保證雷電防護裝置的科學(xué)性、完整性。只有通過防雷裝置檢測才能對雷電防雷裝置的完好性進行判斷[3]。因此，對光伏發(fā)電站防雷裝置檢測方法進行研究，是做好電站檢測工作的前提，且實用性較強。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電主要是借助半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，且太陽能電池是這種技術(shù)的關(guān)鍵性元件[4]。

1.1 光伏陣列

光伏陣列主要是并聯(lián)光電池單元串形成的，是光伏系統(tǒng)的核心組成部分。在光生伏特效應(yīng)的作用下，光伏陣列中的太陽能電池板兩端會產(chǎn)生電動勢，確保光能可以轉(zhuǎn)化成電能。晴天，電池會吸收天空中的光能，且會不斷在電池兩端積累異號電荷，此時就會出現(xiàn)“光生電壓”，這就是人們常說的“光生伏特效應(yīng)”。

1.2 匯流箱

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，匯流箱發(fā)揮的作用巨大，可有序連接光伏組件，還能作為接線裝置發(fā)揮匯流功能，在光伏匯流箱內(nèi)的同時并聯(lián)接入多個光伏串列。一旦匯流完成后，將控制器、直流配電柜、光伏逆變器和交流配電柜進行結(jié)合，就能構(gòu)成系統(tǒng)性的光伏發(fā)電系統(tǒng)，進而實現(xiàn)并網(wǎng)[5]。

1.3 蓄電池組

在接收到光照后，太陽能電池陣列發(fā)出的電能可在蓄電池組中儲存，且可以隨時向負載供電。在太陽能發(fā)電的過程中，其對蓄電池的要求是價格低廉、維護方便、壽命長、有較強的深放電能力、自放電率低、工作溫度范圍大等。

1.4 逆變器

逆變器可直接將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。對于太陽能電池和蓄電池來說，均屬于直流電源，一旦出現(xiàn)交流負載時，選擇逆變器顯得極為重要。根據(jù)運行方式的不同，可將逆變器分為獨立運行和并網(wǎng)逆變器2種方式。前者屬于獨立負載供電，是獨立運行太陽能電池的發(fā)電系統(tǒng)；后者主要被應(yīng)用于并網(wǎng)運行太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)[6]。

1.5 控制器

控制器是避免蓄電池充放電時間過長的設(shè)備。對于蓄電池來說，循環(huán)充放電次數(shù)、放電深度直接關(guān)系到最終蓄電池的使用壽命，對蓄電池組過放電或過充電進行有效控制，選擇控制器必不可少。

1.6 太陽跟蹤控制系統(tǒng)

對于固定地點的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，隨著四季更迭、日升日落的變化，太陽能光照角度也隨之改變，只有確保太陽能電池板隨時正對太陽，才能使發(fā)電效率達到最高。以世界通用的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)為例，需要結(jié)合布設(shè)位置的經(jīng)緯度信息，對一年中不同時刻太陽角度進行計算，并將這些信息儲存至PLC、電腦軟件或單片機，通過計算太陽位置實現(xiàn)跟蹤。

2 雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的危害

2.1 直擊雷危害

對于光伏系統(tǒng)來說，因光伏陣列的占地面積大，且在露天區(qū)域內(nèi)大規(guī)模暴露，自身遭受直接雷擊的概率較高。若出現(xiàn)雷電天氣，在短時間內(nèi)會出現(xiàn)強大的雷電流。一旦裸露在光伏陣列外的金屬部位被直擊雷擊中，在沒有防雷措施或防雷設(shè)施不合適的情況下，強大的雷電流將會損害光伏系統(tǒng)內(nèi)部組件，甚至使不同區(qū)域的電池板嚴重受損，最終影響整個光伏電站的正常運行[7]。

2.2 雷電感應(yīng)危害

實際上，雷電感應(yīng)包括靜電與電磁感應(yīng)2種類型。當光伏系統(tǒng)上方有雷雨云經(jīng)過時，在光伏系統(tǒng)不同導(dǎo)體上將感應(yīng)到與雷云極性相反的電荷，一旦出現(xiàn)雷云放電現(xiàn)象，產(chǎn)生的電荷將在短時間內(nèi)中和，若光伏系統(tǒng)內(nèi)感應(yīng)到的電荷不再受到束縛，會以導(dǎo)體為媒介釋放出來，線路中將會產(chǎn)生電磁脈沖，同時還會產(chǎn)生雷電靜電效應(yīng)。在雷云放電的過程中，由于雷電流變化速度極快，會有瞬變電磁場出現(xiàn)在閃電通道附近，同時還會有感應(yīng)電動勢出現(xiàn)在光伏系統(tǒng)中，這就是人們常說的雷電電磁效應(yīng)。雷電感應(yīng)在太陽能電池板上會出現(xiàn)對應(yīng)的感應(yīng)過電壓，借助太陽能電池組件的連接線，感應(yīng)高壓將會朝著光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他設(shè)備上進行傳輸，進而損壞整個光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.3 雷電波侵入

雷電波侵入光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有2種不同類型的途徑：（1）雷電脈沖可借助同光伏系統(tǒng)連接的信號線、接地線、電源線等金屬管道入侵整個光伏系統(tǒng)；（2）雷電波在入侵光伏電站或整個光伏系統(tǒng)時可以架空線路為媒介，且這種入侵途徑嚴重危害著光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.4 地電位反擊

若在光伏陣列直擊雷保護范圍外或附近地面上出現(xiàn)雷擊點，將會有巨大的雷電流泄放進入大地。此時，地電位將會快速上升，進而出現(xiàn)電位場，且在陣列的接地部位會轉(zhuǎn)移有高電位。若電池組件間出現(xiàn)電位差，此時就會出現(xiàn)巨大的高電壓，因能量較高、具有較強的穿透性，會損壞電池組件，這種破壞甚至是永久性的。

3 雷電對光伏系統(tǒng)各個組件的危害

3.1 雷電對太陽能電池板的危害

由于太陽能電池的主要組成部分是半導(dǎo)體硅材料，對高電壓的反應(yīng)最敏感，一旦太陽能電池板遭受雷擊，將會損壞硅材料表面或體內(nèi)PN結(jié)，還會破壞電池片的PN結(jié)晶體場，使得電池片出現(xiàn)缺陷，會有雜質(zhì)遷移，會對半導(dǎo)體壽命產(chǎn)生影響，進而縮短太陽能電磁組件使用壽命。宏觀來看，在瞬間高電壓的影響下，太陽能電池表面結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)破裂。因高電壓和瞬間沖擊電流會導(dǎo)致硅電池PN結(jié)發(fā)生改變，對電池的光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，會對整個電池組件的發(fā)電效率產(chǎn)生影響。

3.2 雷電對太陽能背板的危害

太陽能背板的主要材料是聚酯薄膜，在太陽能組件中得到了的廣泛應(yīng)用，主要作用是保護和支撐電池片，而水蒸氣的阻隔性、阻燃性、電氣絕緣性等均是其的主要特點。一旦太陽能背板遭受雷擊，會有瞬間高電壓出現(xiàn)在太陽能電池組件上，強大的雷擊電流會損壞太陽能電池組件背板，產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致串并聯(lián)后的電池串焊接點出現(xiàn)開焊或脫焊，甚至?xí)痣姵匕鍞嗦贰⒍搪罚瑢﹄姵匕宓恼Ｊ褂卯a(chǎn)生影響。

3.3 雷電對太陽能鋼化玻璃的危害

若雷電擊中太陽能鋼化玻璃，會有強大的雷擊電流出現(xiàn)在電池組件上。在短時間內(nèi)，鋼化玻璃局部的溫度將快速上升，高溫會導(dǎo)致鋼化玻璃溫差進一步加大，使得鋼化玻璃爆裂。這個過程會損壞電池片，進而產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，不利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常使用。

3.4 雷電對逆變器的危害

為了保證太陽能為電器提供源源不斷的電能供應(yīng)，應(yīng)將太陽能輸出的電壓轉(zhuǎn)化為AC220V或AC380V。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電能，需要借助于DC-AC逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電能。若因雷電天氣的出現(xiàn)造成逆變器受損，產(chǎn)生的影響主要包括：（1）用戶負載沒有輸入電壓，影響用電設(shè)備的正常運行；（2）逆變器很難逆變電壓，使得太陽能電池板上的直流電壓直接被負載使用，一旦電壓過高很容易損壞用電設(shè)備。

3.5 雷電對光伏控制器的危害

對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制，同時保護蓄電池過充電和過放電是光伏控制器的主要作用。一旦雷電擊中光伏發(fā)電系統(tǒng)，會出現(xiàn)雷電過電壓損壞的情況。（1）充電系統(tǒng)持續(xù)充電，放電系統(tǒng)無放電操作，使得蓄電池始終保持充電狀態(tài)，一旦充電時間過長，輕則會縮短蓄電池使用壽命、降低容量，重則會造成蓄電池爆炸，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)遭受不同程度的破壞，或者造成人員傷亡。（2）充電系統(tǒng)沒有充電操作，放電系統(tǒng)持續(xù)放電，蓄電池很難有效儲存電能，在有太陽光的情況下設(shè)備運行正常，在無太陽或者光線不強烈的情況下，很難保證設(shè)備可以正常工作。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷檢測方法

4.1 光伏方陣的防雷檢測

光伏方陣是由數(shù)個太陽能電池板組合形成的，電池板則是疊加后的鋼化玻璃，背面是合金薄片，四周屬于鋁合金框架，根據(jù)一定高度將其固定金屬支架上。針對光伏方陣的防雷性能檢測，需要防雷人員選擇微電子測試儀分別對金屬支架及鋁合金框架的接觸情況進行檢測，應(yīng)將接觸電阻值控制在0.03 Ω

內(nèi)，連接線纜應(yīng)包含金屬屏蔽層，同時將做好等電位連接工作，然后借助較大電流導(dǎo)通測試儀，檢測不同方陣單元間的連通情況。只有保證導(dǎo)通電阻在

50 m·Ω以上，才能說明方陣電氣較為完整。隨后根據(jù)防雷類別，借助異頻小電流法對方陣金屬支架的接地阻抗進行檢測。在測量電流極和電壓極與地網(wǎng)間的直線距離時選用GPS定位系統(tǒng)。若測出的土壤電阻率均勻分布，可縮短距離，選擇4～6個大于或小于50 Hz的測試頻率，且阻抗值應(yīng)控制在4 Ω以下。若有太大的回路阻抗，測試電流達不到要求，可在潮濕或水源區(qū)域插入電流極，將電流極的接地電阻值降至最低。為了符合測試要求，應(yīng)保證電流極的電阻值不高于10 Ω。在防雷類別的基礎(chǔ)上，檢測從金屬支架引出的引下線支柱間的距離是否與規(guī)范要求相符。

4.2 光伏方陣區(qū)跨步電壓和接觸電壓檢測

一旦光伏方陣金屬支架遭受雷擊，強大的雷電流將會以支架為媒介泄放進入大地，一旦工作人員進入方陣區(qū)內(nèi)極易產(chǎn)生跨步電壓，若與金屬支架接觸則會出現(xiàn)接觸電壓，嚴重威脅著工作人員生命財產(chǎn)安全。在檢測之前，應(yīng)將異頻電流注入地網(wǎng)，并選擇可以調(diào)頻的萬用表對方陣區(qū)電池板間隔工作通道的地面跨步電壓和方陣支架的接觸電壓值進行測量。（1）接觸電壓測量。在地網(wǎng)中注入大功率變頻信號源與耦合變壓器的輸出測試電流，并將可調(diào)頻萬用表分別與設(shè)備架構(gòu)、模擬人腳的金屬板進行連接，同時選擇可調(diào)頻率萬用表對人體接觸電壓值進行測量，若是實際測出的數(shù)值比理論值偏小，則說明符合標準要求。（2）跨步電壓測量方法與接觸電壓測量類似，只是前者將可調(diào)頻率萬用表兩端分別與距離地面1.8 m高的設(shè)備架構(gòu)及距離設(shè)備架構(gòu)1.0 m遠模擬人腳的金屬板進行連接；后者則是將調(diào)頻萬用表兩端分別與地面上2個距離1.0 m模擬人腳的金屬板進行連接。

4.3 智能控制器防雷檢測

對于智能控制器的防雷檢測來說，主要是對連接線纜的防雷電感應(yīng)措施進行檢測。（1）在對智能控制器機柜的接地電阻值進行測量時，可以選擇小型接地電阻測試儀，且檢測方法包括直線法和夾角法，應(yīng)保證測試的接地電阻值不高于4 Ω；（2）對電源供電線路的電涌保護器安裝情況進行檢查，主要查看接地線材料、長度等是否與技術(shù)標準要求相符；（3）為了對機柜、金屬構(gòu)架、電纜屏蔽層的接地和等電位連接情況進行檢測，可以選擇微歐表檢測法，且測到的接觸電阻值應(yīng)在0.03 Ω以下。

4.4 直流匯流箱防雷檢測

根據(jù)直流匯流箱的電路連接關(guān)系，應(yīng)選擇小型接地電阻測試儀對匯流箱體保護接地電阻值進行測量，應(yīng)確保該數(shù)值不超過4 Ω。（1）直線測試方法，在同一方向上對電流和電壓極進行測量，電流極和電壓極的測試線分別為10、5 m，應(yīng)保證一定的間距；（2）30°夾角法，選擇電流極和電壓極的測試線均為10 m，且組成30°夾角，之后選擇微歐表對等電位連接情況進行檢測，應(yīng)保證匯流箱體與接地線的接觸電阻值不高于0.03 Ω。在測試電涌保護器地線的接地電阻值時，可以選擇小型接地電阻測試儀，且測試的接地電阻值不應(yīng)超過4 Ω。同時，還要將接地線長度控制在0.5 m以下，且材料、相關(guān)參數(shù)應(yīng)與規(guī)范要求相符。

4.5 交流輸配電設(shè)備防雷檢測

交流輸配電設(shè)備的，主要作用是對交流電能進行接收和分配，屬于電力設(shè)備，相當于升壓站。防雷檢測主要包括：（1）場區(qū)地表電位梯度測試。在將異頻電流注入接地裝置后，合理劃分被試場區(qū)，使其劃分成若干條縱橫曲線的表述場區(qū)，用來分布電位，應(yīng)將劃分間距控制在30 m以內(nèi)。可在曲線路徑中央選擇一條與主地網(wǎng)連接良好的接地引下線，將其作為參考點，并將該參考點同可調(diào)頻率的萬用表電壓端子進行連接，之后在曲線起點上放置模擬人體金屬鐵腳的電位極，選擇導(dǎo)線在可調(diào)頻萬用表另一個電壓端子上連接電位極，并測量每個點與參考點之間的電壓值。繪制對應(yīng)曲線圖，若最終的曲線圖平穩(wěn)且有朝著兩端緩慢抬升，說明接地裝置性能較好。（2）獨立避雷針檢測。實際上，對交流輸配電設(shè)備場區(qū)獨立避雷針的檢測主要包括2種：對避雷針的接地電阻值可選擇小型的阻儀直線或夾角法進行測量，應(yīng)保證測量值與設(shè)計要求相符；對避雷針高度及保護范圍進行測量計算，保證站區(qū)所有設(shè)備均在避雷針保護范圍內(nèi)，接閃器規(guī)格材料符合要求。

4.6 交直流逆變器防雷檢測

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，交直流逆變器發(fā)揮著十分重要的作用。針對該設(shè)備的防雷檢測主要包括以下幾點：（1）在測量逆變器直流輸入端的電涌保護器接地電阻值時，主要儀器是小型接地電阻測試儀，而直線法和夾角法則是主要的測試方法，需保證測出的接地電阻值低于4 Ω，且接地線長度及材料規(guī)格同規(guī)范要求相符；（2）測量機柜保護接地電阻值，且電阻值需要在4 Ω以下；（3）針對逆變器等金屬構(gòu)架的等電位連接，可選擇微歐表進行測試，應(yīng)保證電氣連接暢通，且測出的接觸電阻值需控制在0.03 Ω以內(nèi)。

5 結(jié)束語

開展光伏發(fā)電站防雷檢測與發(fā)電站安全、穩(wěn)定運行息息相關(guān)。在日常防雷檢測中，需要防雷人員全方位掌握發(fā)電站結(jié)構(gòu)和防雷裝置布設(shè)情況，確保防雷檢測的準確性。在光伏方陣和升壓站防雷檢測中，為了進一步降低防雷檢測難度，可將地網(wǎng)規(guī)劃成網(wǎng)格化形式，不斷提高防雷檢測的準確性，減少雷電對光伏發(fā)電站的危害。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Study on Influence of Lightning Disaster on Photovoltaic Power Generation System and Lightning Protection Detection Method

Luo Peng （Meteorological Service Center of Jiangxi Meteorological Bureau， Nanchang， Jiangxi 330000）

Abstract As a new generation system， solar photovoltaic power generation system has been widely used in the field of energy power generation. Due to the special installation environment and location of the solar photovoltaic power generation system， the probability of equipment being struck by lightning becomes more and more prominent. Solar cells were semiconductor devices， which can convert solar energy into electric energy， and have great potential for development and utilization. On the basis of understanding the composition of the photovoltaic power generation system， analyzed the impact of lightning disasters on the photovoltaic power generation system， and pointed out that the detection equipment with large output current was selected. the detection methods of photovoltaic array area and key areas of AC power transmission equipment were studied to effectively judge the lightning protection and grounding device performance of the photovoltaic power generation system.

Key words Lightning disaster; PV power generation system; Affects; Lightning protection detection

作者簡介 羅鵬（1973—），男，江西南昌人，中級工程師，主要從事雷電監(jiān)測預(yù)警與防護工作。

收稿日期 2023-01-11