浅谈雷电对光伏电站组件的危害及防范措施

浅谈雷电对光伏电站组件的危害及防范措施

王群新

（广州发展光伏技术股份有限公司510623）

摘要：随着新能源时代的到来，太阳能光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源，越来越受到人们的关注。因太阳能光伏电站多分布在大型建筑空旷屋顶或较偏僻的空旷田地及山头，多为雷电频发之地，雷击危害越来越成为光伏发电系统重要的事故隐患，如无有效的雷电防范安全技术保障措施，将会使光伏电站电气设备特别是光伏组件因雷击发生短路火灾等事故，影响光伏电站的安全经济运营。本文结合广州发展大湖光伏电站运营中因雷击引起光伏组件二极管击穿事件进行分析，并提出有效的解决方案，并为后继的光伏电站建设和运行过程中的防雷措施提出具体的改进建议，确保光伏电站安全稳定运营。

关键词：太阳能、光伏电站、防雷措施

一、案例背景

广州发展连平大湖农业光伏电站总装机容量为17.97MW，属于典型的山地农光互补光伏电站，雷电活动较频繁，且其光伏组件及箱变、逆变器都长期处于空旷的田野中。2017年7月16日当天为雷雨天气，于下午15:45突然一声雷响，光伏电站的部分逆变器“PDP保护”（模块故障）报警，故障停机。运维员发现#03A6汇流箱第1路组串的电流为“0”，且现场测量的开路电压只有550V，而其他组串的电流为5～6A左右、开路电压为740V左右。检查结果是部分光伏组件接线盒的旁路二极管被击穿，导致组串电流为“0”且开路电压有所下降。

雷电是一种常见的自然现象，会对建筑物及电气设备造成严重破坏。光伏组件大多是安装在室外屋顶或空旷山坡上，雷电很可能直接击中太阳能组件，产生很高的过电压，造成组件二极管击穿以及发电设备损坏，在村落光伏电站的防雷设计中，应将外部防雷和内部防雷结合起来，采取有效措施，防止直击雷、感应雷对光伏电站的破坏，保证光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行。

（图中红色箭头为故障组件）

二、雷电对光伏组件的影响

2.1避雷针为何无法有效保护光伏组件

根据现场查看基地升压站的避雷塔，塔高约49m，异常组串在附近距离避雷针约200m左右，按常理在避雷针范围内的组件应能得到有效的保护，为什么还会受雷击而损坏呢？通过滚球法分析如下，被保护物的高度hx水平面上的保护半径Rx应按下列公式计算：

当hx≥h/2时，Rx=（h-hx）*p=ha*p

当hx＜h/2时，Rx=（1.5h-2*hx）*p

其中，

Rx——避雷针在hx水平面上的保护半径，单位m；

hx——被保护物高度，单位m；

h——避雷针高度，单位m；

ha——避雷针有效高度，单位m；

P——高度影响系数，当

1、h≤30m，p=1；

2、30m＜h≤120m，p=5.5/√h

3、h＞120m，取其等于120m。

可计算出避雷针在把地面上的保护半径Rx=1.5*h*p，即避雷塔保护半径为57.75m，因此基站避雷塔的高度远不能涉及到保护异常组件的安装区域。

2.2光伏组件受到雷电的影响

以60片模块，36V为例：光伏组件通常由60个电池片（每20片焊接一个旁路二极管）串联而成，接线盒内部有3个二极管，当组件受到感应雷的影响后，组件内部的二极管可能会被击穿，且组件的开路电压会有有所下降。

当组件有1个二极管被击穿时，旁路二极管会把并联的电池片短路，组件的开路电压会下降至24V，对于整个系统来说，有影响，但不至于彻底失效。

当组件有2个二极管被击穿时，组件的开路电压会下降至12V，从而影响到整块组件。组件二极管的反向击穿电压约为45V，当故障的组串有超过4个以上的二极管被击穿，则会有其他并联组串的电压倒涌回故障组串中，使得反向电压击穿其他组件二极管。应当避免组件的二极管被击穿，从而导致故障的扩大。

（图中红色部分为被雷电击穿脱离的二极管焊脚）

2.3旁路二极管被击穿的原因

2.3.1阴影遮挡

当电池片出现热斑效应不能发电时，让其他电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现问题而影响整块组件发电。当某个电池片因为遮挡产生热斑效应时，它的电阻增大而且不发电，这时可以把它看做一个电阻，而它和其它电池片仍然是串联的。旁路二极管导通，组串大部分的电流从被遮挡组件的旁路二极管流过，二极管长时间流过大电流发热，导致二极管击穿。

2.3.2质量问题

由于大多数二极管安装在接线盒内，盒内受有限的散热空间及接线盒结构和材料的限制，要求二极管的热性能一定要好。对于二极管的选择，主要参数要遵循一下几点：

1、热阻系数小越小越好；

2、正向压降越小越好；

3、正向耐电流越大越好；

4、反向电流越小越好；

5、温度特性曲线要好；

6、ESD性能要好（参照IEC61000-4-2静电放电抗扰度试验标准）；

另外，旁路二极管在接线盒内的安装，限于接线盒内的空间和环境，从接线盒方面考虑，主要考虑如何将热量传导出去：

1、二极管选择管脚焊接方式安装，管脚大面积接触导热体散热效果会好于点接触的插装二极管；

2、接线盒内灌灌封胶体，增强散热性能，此时，导热体、密封胶均能够对二极管热量起到传到作用。

2.3.3雷击影响

在雷雨天气，在避雷针无法保护的区域内，光伏组件可能受到雷击的影响。雷电很可能直接击中太阳能组件，产生很高的过电压，造成组件二极管击穿以及发电设备损坏。虽然汇流箱有避雷器（浪涌吸收器），但不能完全保护所有的设备不受雷击影响。

三、防范措施

3.1避免遮挡的措施

解决遮挡的根本措施应从勘察设计、施工建设进行精细化管理，是设计更精准，施工阶段做好图纸会审和提前复查遮挡情况，竣工前做好验收把关，生产运行阶段做好巡检和日常维护。

3.1.1设计阶段

1）重可行性研究。做好项目的前期工作，山地光伏建设用地灌木等自卑不超过30%。

2）重勘测。实测地形是一项艰苦的工作，但地形图的精确及详细与否，对光伏区的设计排布影响较大。应选用信用好的测绘单位，安排有经验、能吃苦的测绘人员开展此项工作，设计时对光伏阵列整体布局优化。

3）重排布。设计单位大都利用PVsyst软件或内部设计软件进行光伏电站布置的计算、模拟阴影遮挡情况。对于山地复杂地形，建议设计人员实地勘察了解现场复杂环境，综合考虑变化因素。

4）重调研。详勘时应及时了解当地的风土人情，在充分尊重当地向导或村委的意见后，尽可能避免道路路径在施工阶段调整，科学设计，力求降低造价。

3.1.2施工阶段

1）做好场平地表清理工作，消除杂草、灌木树枝生长对光伏组件产生遮挡。

2）对经过光伏区的铁塔电力线路，设计单位在图纸上标注了铁塔阴影区。施工中进行方阵局部调整时应加强管理，避免盲目调整，误将方阵布置到铁塔阴影区。

3）施工中通过观察遮挡情况，考虑冬至日阴影最长和树木的生长，扩大适当范围进行砍伐。

3.1.3运营阶段

1）生产准备时，项目单位运行人员应提前介入施工，一方面对电站的建设有观感认识，另一方面能及时发现过程缺陷。如汕头阴影遮挡是很容易在施工中忽视的问题，单却是运行人员关注的重点，通过日常观察就可及时发现，及时联系设计单位复核。

2）生产单位应严把移交生产验收，对施工管理不到位产生的遮挡缺陷在移交生产前及时处理，保证电站的长期受益。

3）根据灌木、杂草的生长情况，制定计划，定期分块进行砍伐。

3.2防雷措施

在现阶段防雷措施中，最为有效也是最为广泛的方法就是把电气设备金属部件与大地相连。接地系统由四部分组成.即接地设备、接地体、引入线和大地。良好接地是防雷措施成功的重要基础。

3.2.1共体接地

接地体具体安装过程是在地上挖一个直径约30cm的洞.并且在洞底铺设一些食盐，再将接地体放人其中。使用PVC管罩住接地体，然后把接地体周围的空隙使用泥土进行填满并压实。最后在上面放上碎石子进行浇水加固。使用同样的方法将其他接地体接地。形成等腰三角形的布局，再使用35mm的铜线连接。形成光伏电场内部的一个接地体。

这种接地可以使光伏发电场所有的金属部件有效接地。这种方法还不需要埋设很多个接地体就可以解决接地问题。而且还有效地把电阻值控制在4Ω以内。光伏电场中所有设备的金属壳、避雷装置以及电池板的金属架、逆变器等众多设备都能直接连在同一个接地体上。在没有雷击现象发生时可以单纯作为接地保护和零线，一旦发生雷击时就可以当作防雷接地装置使用。

3.2.2单体接地

一些区域内由于地理环境的影响，光伏电场内部的电杆经常会遭受到雷击。并且雷击的位置相对固定，不会发生移动。针对这些特殊的电杆，要单独安装避雷装置。埋设相应的接地体，就可以有效防止雷击现象的发生，接地体通常会使用长度约2m的镀锌角钢或扁钢。

3.2.3组合接地

组合接地由多个接地体组成.通常以环形或方形放射状以及其他形式进行安装布局。接地体成环形布置时，要保证环线不能有开口，这是为了降低相互屏蔽作用。两个相邻接地体之间的实际具体不能小于3m。接地体的上端要使用镀锌的角钢加固，距离地面要小于1m。

3.2.4防雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲没有直击雷强烈，但是发生概率却非常高，目前常采用的防护措施主要有等电位连接、屏蔽和加装电涌保护器。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、汇流箱、逆变器的金属外壳，金属管（槽）线缆的金属屏蔽层及避雷带等应根据GB50057的规定采取良好的等电位连接措施。

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。入户线路和防雷连接线需分开敷设，保持最小平行间距1m，最小交叉间距0.3m。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防浪涌保护装置进行防雷保护。

四、结论

雷电会对建筑物及电气设备造成严重破坏。在独立光伏电站的防雷设计中，应当选择合理的设计方案，采取有效的措施。做好独立光伏电站的防雷设计防止直击雷、感应雷、雷电波对独立光伏电站设备的破坏，这样才能保证独立光伏电站长期稳定、安全、可靠地运行，为用户提供优质的电能。

参考文献

[1]GB50794-2012光伏发电站施工规范.

[2]GB50797-2012光伏发电站设计规范.

[3]GB26860-2011《电力安全工作规程(发电厂和变电站电气部分)》.

作者简介

王群新,广州发展光伏技术股份有限公司,光伏运维部负责人,电气工程师,国家注册安全工程师,联系地址:广州珠江新城临江大道3号发展中心1606室,邮编:510623,邮箱:wangqunxin@gdg.com.cn)