O引言

太陽能是一種干凈的可再生的新能源，越來越受到人們的青睞，在人們生活、工作中有廣泛的作用。太陽能光伏發電作為新興的環保型發電產業，得到政府支持開始逐漸發展[l門，但國內尚沒有一個獨立的光伏電站的防雷接地設計規范來確保電站的安全持久運行。目前，國內大都依據《建筑物防雷設計規范》l4]進行參照設汁，設計結果針對性不強，防雷接地效果有待驗證。太陽能電池板在太陽光照射下產生直流電，眾多太陽能電池組件的直流輸出是通過電纜串聯、并聯之后，沿電纜槽盒、電纜橋架等送至逆變器，經逆變器將直流逆變為交流并升壓后送至電網的。在整個太陽能光伏發電的環節中，直流輸出部分占了很大的比例，可以說在大面積的太陽能電池方陣中，直流電纜、電纜橋架、直流匯流箱等電氣設備是大量穿插布置的。如果將光伏電站作為一個發電系統，按照電力系統的有關規范進行設計，關注的核心就會是電力系統交流電氣設備的防雷接地，缺少了對直流電防護的要求。光伏發電項目與電力系統中的常規電站、輸變電系統不同，即使與小型的輸變電工程相比，其重要程度和發生災害后的損失程度也不同，簡單地采用電力系統有關規范進行交流電氣設備的防雷接地設計，是不滿足光伏發電項目的特征要求的閻。筆者以常州佳訊110.4k腳的光伏并網發電項目為例，探討光伏發電防雷技術。項目安裝地為多雷區，電池板占地面積廣，處在位置較高的屋頂，根據這些特點以及常州近60年雷暴日和近5年閃電數據，分析太陽能電池方陣遭受雷擊可能性，并參照《建筑物防雷設計規范》(GB50057一2010)和《光伏發電站接入電力系統技術規定》(GB/219964一2005)問等研究太陽能發電站的防雷設計。

1項目簡介

本項目建設地位于江蘇省南部，常州市新北區，屬美麗富饒的長江金三角地區，江蘇省平均年日照數為1400一3000h，太陽能資源年理論儲量每平方米1130一1530kw時，每年每平方米地表吸收的太陽能相當于140一190kg標準煤熱量，太陽能資源比較豐富，開發利用前景較為廣闊。本項目共使用230飾組件480塊，全部為固定安裝方式，總容量為lro.4kwp，每20塊組件進行串聯，共計24串。使用四臺6進1出的匯流箱進行匯流后接人直流配電柜再次匯流后接人逆變器。方陣全部安裝在佳訊光電辦公大樓屋頂中部的南北兩側。北側安裝240塊組件，共12個組串，接人兩個6進1出匯流箱;南側安裝240塊組件，共12個組串，也接人兩個6進l出匯流箱。方陣匯流后直流電纜通過橋架敷設從大樓中部電纜井直接下至1樓，交流配電柜和逆變器放置在1樓車間測試區，逆變后直接并人測試區配電柜。光伏發電系統原理框圖如圖1，太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分，太陽能量通過電池組件轉化為直流電，再通過并網逆變器將直流電轉化為與電網同頻率、同相位的交流電，全部或部分給當地負荷供電，剩余電力饋人電網或全部電力饋人電網。

2雷電特征分析

常州位于江蘇省南部.屬于長江下游地區.北靠長江性氣候南臨太湖，瀕臨東海，屬于北亞熱帶海洋常年氣候溫和，雨量充沛，四季分明。境內地勢西南略高，東北略低，高低相差Zm左右。地貌類型屬高沙平原，山丘平好兼有。南為天目山余脈，西為茅山山脈，北為寧鎮山脈尾部，中部和東部為寬廣的平原、抒區。獨特的氣候和地勢條件有利于雷暴的發生發展，年平均雷暴日約為犯天，屬于雷暴多發區。太陽能豐富的同時，也有敝處，就是雷暴頻發，影響太陽能發電的正常運行。

2.1霄撰月變化規律

利用最接近項目所在地的常州龍虎塘觀測站的1952一2009年雷暴日資料，分析項目周圍長期雷暴活動規律。常州各月雷暴分布差異明顯(圖2)，全年只有的0.11%的雷暴出現在1月，2月也只有0.92%，每年3月開始雷暴逐漸增多，4月雷暴較5月略多，6月雷暴增多明顯，平均雷暴日達到3.9天，7月猛增達到峰值，月均雷暴日為9.7天，占全年的30.52%，8月略有減小，平均雷暴日為7.7天，而9月雷暴迅速減少至幻天，10、n月雷暴都很少發生，12月出現雷暴最少，和1月的平均雷暴日一樣都只有Q04天，1、12月幾乎不會發生雷暴。針對各月雷暴發生的特點，應有效地采取防雷措施，發現雷擊及時恢復設備正常運行，以免影響正常供電。尤其是夏季作為太陽能發電的重要時期，雷暴卻頻繁發生，一方面需主動防御，時刻關注天氣變化，實施雷電預警;另一方面，應注意防范雷擊，及時采取補救措施，減少雷暴造成的損失。

2.2地閃空間分布

分析2以巧一2010年常州地區發生的地閃分布特征(圖3)，地閃密度圍繞三個中心向周圍逐漸減少，最大值出現在金壇中部，達到7次瓜mZa，其余兩個出現在武進以及武進和戚墅堰交界處，約為6次瓜mZa。金壇遭受雷擊的概率最大，其次為常州市中部地區，本項目處在地閃密度約為4次瓜mZa的地區，地閃相對較少，但其處在地閃密度變化區域，地閃密度梯度明顯，增加了其遭受雷擊的概率。

3防雷設計

作為最昂貴的部件，太陽能電池方陣占地面積大，電池的組件邊框采用鋁合金，電池板均采用角鋼、槽鋼等鋼性物質固定，均為導電性能良好的金屬材料，大面積的露天布置容易遭受直接雷擊破壞，同時，項目所在地為雷暴多發區，雷擊概率相對較高，雷云電荷容易在太陽電池內部電路、太陽電池組件邊框及其支撐結構上形成感應過電壓，直流配電柜和室內的交流配電柜可能遭受感應雷擊損壞。因此針對屋面和內部系統，采取直擊雷和雷擊電磁脈沖防護措施，而良好的接地是整個防雷工程的有效保障。

3.1直擊雷防護

直擊雷防護主要采取避雷針、帶、線，可采取提前放電式避雷針回，它是一種具有連鎖反應裝置的主動型避雷系統，在傳統避雷針的基礎上增加了一個主動觸發系統，提前于普通避雷針產生上行迎面先導來吸引雷電，從而增大避雷針保護范圍，可比普通避雷針降低安裝高度。采用提前放電避雷針，能大量減少避雷針的數量，降低避雷針的安裝高度，減小對太陽電池方陣的遮檔影響。確定接閃器的安裝位置及高度時，需先確定太陽能光伏方陣的防雷等級，根據防雷等級采用滾球法設計，同時考慮對太陽能電池方陣的陽光遮擋問題，布置的避雷針不能影響太陽能電池板接收的陽光。太陽能光伏發電系統的太陽能電池板一般安裝在建筑物的屋面上，處于LPZO區(LPZ為防雷區)，如太陽能電池板不在建筑物原有防雷裝置的保護范圍內，應對其采取防直擊雷措施。根據GB50057的規定，對于一般公共建筑物上的太陽能電池板可按6Om滾球半徑采取防直擊雷措施。太陽能電池板的金屬支架應與避雷針做可靠的等電位連接，并與屋面防雷裝置相連。太陽能控制器和逆變器一般都安裝在室內，處于Lpzl區。如果控制器和逆變器安裝在屋面(I正憶0區)，應處在接閃器的保護范圍內，其金屬外殼應與電池板金屬支架、避雷針及屋面防雷裝置相連。考慮到本項目為大型發電項目，一組太陽能發電板的損壞，對整體發電量影響甚小，并且針或線的布置很難保護所有電池板，因此采用的防護措施是將太陽能電池板四周鋁合金框架與支架連接，所有支架均進行等電位連接，并與屋面避雷帶可靠相連，在直擊雷發生時，如果雷電能量通過鋁框架立即泄人大地，就能使太陽能電池板得到保護，避免直擊雷沖擊而損壞。針對該項目的特點，利用本身作為接閃器是最經濟可行的方法。