太阳能光伏设备的防雷技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：庄治平（1984），男，汉族，上海人，中级职称，大学本科，研究方向为建筑防雷技术。-138-太阳能光伏设备的防雷技术研究 庄治平 上海绅新防雷检测有限公司，上海 200333 摘要：摘要：雷击是导致太阳能光伏设备受损的主要因素，为减少雷电灾害对太阳能光伏设备的影响，本文结合实际案例，阐述太阳能发电系统防雷项目难点和解决方案，并提出防雷技术应用措施。研究结果表明，太阳能光伏设备雷击灾害大致分为四种，相关技术人员应采取内部防雷、外部防雷、综合防雷措施，并引入雷电监控系统，做好设备防雷监测，全方位减少雷电对太阳能光伏设备产生影响。关键词：关键词：太阳能；光伏设备；防雷技术；接闪装置 中图分类号：中图分类号：TU8 目前，人类对清洁能源十分重视，太阳能光伏设备的安装，可以降低能源开发对环境的影响，减少能源利用成本。但太阳能光伏设备容易受到雷击，导致发电系统运行风险增加。太阳能光伏发电系统安装时，应做好防雷工作，通过内部防雷和外部防雷，确保光伏发电系统运行安全性、稳定性，减少不必要的损失。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。1 项目概况 上海市金山区亭卫南路 888 号厂房建筑物屋面位置安装太阳能发电系统，并在顶点位置安装光伏板。项目利用太阳能资源供给建筑电力，旨在减少能源成本和对环境的影响。该项目中，建筑物的顶部位置接闪器位于光伏面板底部，光伏板容易遭受雷击，造成设备损坏问题。本文以该项目为例，引进和应用综合防雷技术，针对项目建设的重点和难点，采取针对性解决方案，以确保太阳能光伏发电系统的稳定运行。2 太阳能光伏设备防雷特点 太阳能光伏设备遭受雷击类型包括直击雷、感应雷、雷电电涌等。其中，直击雷是指雷电直接击中太阳能光伏设备的现象。当直击雷发生时，会产生巨大的电流和电压冲击，可能导致设备损坏、烧毁甚至引发火灾。直击雷对太阳能光伏设备的影响最为严重，因此防止直击雷对设备的直接打击是首要关键。感应雷是指雷电在附近地面上击中，通过地面的传导和感应作用，产生感应电流进入太阳能光伏设备中。这种感应电流可能会破坏设备内部的电子元件，引起故障或损坏。感应雷对太阳能光伏设备的影响相对较小，但仍然需要采取防护措施来减少其影响。雷电电涌是指雷电击中附近物体时产生的瞬态电流和电压变化。这种电涌会通过电力线路、通信线路等传导到太阳能光伏设备中，对设备的电子元件造成损坏。雷电电涌对太阳能光伏设备的影响主要是在电力系统和通信系统方面，因此需要采取相应的防护措施来减少电涌对设备的影响1。本项目中，由于光伏面板暴露在接闪器保护范围之外，接闪器的位置低于光伏面板，容易遭受直击雷，导致太阳能面板受到损坏。感应雷对线路相连的光伏系统设备产生影响，太阳能光伏板容易发生静电感应，在雷电天气下雷云对地面放电，光伏方阵会发出类似于环形天线的作用，感应过电压数值最高可以达到上万伏。雷电电涌主要影响区域为本项目中的供电线路，雷电产生的电磁脉冲会侵害光伏微电子系统之中，导致设备受损。3 太阳能光伏设备防雷技术应用 3.1 注重项目重点和难点解决 太阳能光伏设备防雷技术应用应结合项目的实际情况，针对项目的重点和难点，采取针对性的解决措施。本项目中，主要针对直击雷、感应雷、雷电电涌对光伏设备的影响，采取针对性的措施。在直击雷防护中，由于光伏板方阵位于屋顶位置，再将光伏板方阵的金属框架作为接闪器，将其与屋面位置防雷装置连接，避免直击雷对太阳能光伏设备产生的影响。考虑到光伏发电系统防雷的稳定性，同时增加多个高度为 6m、直径为 16mm 以上的接闪杆，全方位开展光伏板防雷保护2。针对感应雷对太阳能光伏板产生的影响，为了减少感应电流的产生，则依据分流原理布置。将建筑内部钢筋作为引下线，接入接闪杆、光伏板，且控制线中国科技期刊数据库 工业 A-139-路数量为两个以上，使得其起到良好分流的作用。在该布置方案中，接闪器通过雷电电流之后，会快速引入到大地之内。引下线连接主要应用热镀锌扁钢。针对雷电电涌的影响，为了避免电磁干扰对太阳能光伏设备产生的影响，则采用线路屏蔽的方案，实施雷电防护。线路布置以最短路径为基本原则，技术人员在防雷区位置的电缆金属屏蔽层及金属管做等电位连接并接地处理，以减少电涌对直流、交流电源电路的影响。整个设计严格按照建筑防雷设计规范文件中的要求，每台逆变器前端、配电房低压侧均匹配安装一个一级试验避雷器，避雷器为开关型，同时在母线位置安装电涌保护器，在 SPD 位置安装电涌保护器+断路器，起到雷电天气下过电流保护的作用。整个线路汇总区域均安装至金属线槽之内，设备外壳接地处理，避免电位差反击问题出现。因此，技术人员应结合实际情况做好防雷接地处理工作，以确保防雷接地效果良好，实现对太阳能光伏设备的全方位保护。3.2 加强外部防雷技术应用 根据项目的难点，本项目中综合应用了外部防雷措施，严格按照建筑物防雷设计标准光伏发电站防雷技术要求中对防雷技术的要求。依据规范，相关技术人员应明确具体的技术参数，以确保外部防雷技术应用效果良好。本项目将金属框架作为接闪器，接闪器是一种用于吸收和分散雷电能量的装置，安装在太阳能光伏设备的高处。它能够吸引雷电并通过导体将电流引入地下，减少雷电直击设备的可能性。本项目同时增加了接闪杆，考虑到保护范围、布置方位、热板效应对接闪装置的影响。基于下述公式确定接闪杆的保护范围：Pa=h （2hb h）ha（2hb ha）公式中的 h 表示高度，a 表示被保护光伏板高度，b 表示滚球，P 表示接闪杆。依据上述公式，能够确定接闪杆保护范围，且根据厂区面积，确定接闪杆的高度和数量，保证防雷效果的适应性。在接闪杆的布置范围上，考虑到阴影会导致热斑效应产生，避免太阳能光伏板产生阴阻，则分析日影关系，确定接闪杆的布置范围，其日影关系表达公式如下：L=Htan 公式中的 L 表示避雷设备的高度，L 表示日影长度，表示阳光角度。根据工程项目所处经纬度位置，则可确定阴影范围，找出全年阴影最小位置。本项目中，在外部防雷上，开展引下线的安装，引下线是将接闪器与地面接地系统连接起来的导体线路。它能够将从接闪器吸引到的雷电电流迅速引入地下，减少对设备的影响。引下线应选用合适的材料和规格，并确保连接牢固可靠。光伏组件仿真金属支架相互连接，呈现出网格状，且支架两端相互连接，使用截面积在 60mm以上、厚度 2.8mm 的热镀锌扁钢，并做好相应的防腐措施。此外，本项目在外部防雷上，利用屏蔽措施、安装接地装置、共用接地系统，以确保外部防雷效果良好3。其中，屏蔽是指在太阳能光伏设备周围设置金属网或金属板等导体，用于阻挡雷电的进入。屏蔽能够降低雷电击中设备的概率，减少对设备的直接影响。接地装置是将设备与地下导体连接起来的装置，用于将雷电电流迅速引入地下。共用接地系统是将太阳能光伏设备、建筑物和其他设备的接地系统连接在一起，形成一个共同的接地系统。共用接地系统能够提高整个系统的接地效果，减少雷电对设备的影响。各部分安装严格按照相关规范执行。3.3 加强内部防雷技术应用 本项目中，厂房的建筑屋面附加安装光伏发电系统，分别位于不同区域。考虑到雷击电磁脉冲的波幅比较大，会对设备产生不良影响。因此，在太阳能光伏设备内部做好防雷保护，以确保防雷效果良好。首先，技术人员以合理的布线方式，坚持落实最短线路原则，减少雷电对太阳能光伏设备内部电路的影响。按照要求，布线应避免长距离平行线路，减少感应雷的可能性。同时，技术人员应保持线路的良好绝缘和防护，避免线路间的直接接触，减少雷电电涌的传导。在太阳能光伏设备内部，各个电路和设备应屏蔽接地等电位连接。屏蔽是指在电路或设备周围设置金属屏蔽层，用于阻挡外界干扰和电磁波的进入。等电位连接是指将设备的各个金属部件和电路连接在一起，形成共同的接地系统，以减少电位差引起的雷电放电。本项目中，为避免设备之间出现闪络或者击穿情况，则将光伏组件和支架设备连接到等电位系统之中，选择电气连接的材料为铜绞线，参数为 450/750V 18mm4。此外，电涌保护器是一种用于保护设备免受雷电电涌的装置。它能够吸收和分散雷电电涌，保护设备中国科技期刊数据库 工业 A-140-的电子元件不受损坏。在太阳能光伏设备内部，应根据不同的电路和设备需求，合理选择和安装适当类型和规格的电涌保护器。目前，市场中存在三类 SPD 产品，在电涌保护器安装期间，正极与负极、逆变器正极与保护地、负极与保护地等位置，均安装电涌保护器。且技术人员应确保光伏组件内正负极、防护地之间均使用 SPD 过电压保护，且每个 SPD 均需要做好接地工作。太阳能光伏设备内部的接地装置也是防雷的重要组成部分。接地装置应与外部的接地系统连接起来，形成一个共同的接地系统，以确保雷电电流能够迅速引入地下。同时，接地装置的设计和施工应符合相关标准和规范要求。3.4 引进雷电监测预测技术 为了贯彻综合防雷理念，建议引进雷电监测和预测技术，建立雷电监测系统。首先确定太阳能光伏设备中需要布设雷电监测系统的关键点位，包括太阳能光伏阵列、逆变器、电池组等。这些点位通常是设备中较为重要的部分，容易受到雷电影响的区域。根据确定的监测点位，安装相应的雷电传感器。传感器可以包括雷电探测雷达、电场传感器、电流传感器等。雷电探测雷达用于监测雷云中的闪电放电信号，电场传感器用于测量大气中的电场强度，电流传感器用于测量大气中的雷电电流。将安装好的传感器与数据采集系统连接起来。数据采集系统是专门的数据采集仪器或者是与太阳能光伏设备控制系统相连的接口。通过数据采集系统，实时获取传感器所测量的雷电相关数据。将采集到的雷电数据进行处理和分析。对雷电活动的强度、位置、趋势等进行分析，同时与其他气象参数关联分析。通过数据处理和分析，预测雷电活动的发生和趋势，提供有效的雷电预警和防护措施。根据数据处理和分析的结果，及时开展雷电预警和报警。预警和报警可以通过声音、光信号、手机短信等方式落实，以便相关管理人员及时采取防护措施，保护太阳能光伏设备的安全运行。监测系统的布设和应用对于防雷而言具有积极的作用，然而很多地区并未普及该技术，但不可否认该技术应用具有积极的作用。3.5 防雷装置的维护与管理 太阳能光伏设备应采取合适的外部防雷措施，如安装避雷针、避雷网等，以吸引和分散雷电的能量，减少对设备的直接影响。同时，应做好接闪器布置和引下线连接，确保雷电迅速引入地下。同时，太阳能光伏设备内部应采取合适的内部防雷措施，如合理布线、屏蔽接地等电位连接、安装电涌保护器（SPD）等。合理布线可以减少雷电对设备内部电路的影响，屏蔽接地等电位连接可以降低电位差引起的雷电放电，而电涌保护器可以吸收和分散雷电电涌，保护设备的电子元件不受损坏。太阳能光伏设备应具备良好接地系统，确保雷电能够迅速引入地下。接地系统应与外部的接地系统连接起来，形成一个共同的接地系统，以提高整个系统的接地效果。太阳能光伏设备的防雷设计应符合相关的标准和规范要求，如国家标准建筑物防雷设计规范（GB 50057）等。设备的防雷措施和防护装置的选择、安装等都应符合标准的要求，以确保防雷效果和设备的安全可靠性。在完成防雷设施安装之后，相关技术人员也应维护和管理，定期对设备检查，避免出现防雷性能下降的情况出现。技术人员检查内容应包括外部防雷装置是否连接良好、是否出现断裂、锈蚀等问题。检验电涌保护器是否处于稳定工作状态，各区域内的接地标识是否清晰、电阻值是否满足要求。同时，对于地下防雷接地装置，则应观察其是否出现腐蚀等问题。检查结果如不符合标准要求，则应对其维护、更换。综上所述，太阳能光伏设备主要受直击雷和感应雷的影响，防雷技术应用应结合项目实际情况，采取针对性的防雷技术措施。在防雷技术上，同时应用外部防雷技术和内部防雷技术，引进雷电监测预测技术，实现对太阳能光伏设备的综合防雷，并做好防雷保护与接地系统的后期维护管理工作。参考文献 1黄婧,李延.建筑屋面附加光伏发电装置防雷与接地系统设计与思考J.水电站设计,2023,39(01):75-77+81.2罗鹏.雷电灾害对光伏发电系统的影响及防雷检测方法研究J.农业灾害研究,2023,13(03):172-174.3戴钰林,杨雪峰,游志军.光伏电站防雷措施研究J.光源与照明,2022,(10):107-109.4杨福勇.太阳能光伏发电系统的设计与施工J.光源与照明,2022,(01):146-148.