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(fā)電作為新興的環(huán)保型發(fā)電產(chǎn)業(yè)，得到政府支持開始逐漸發(fā)展[l門，但國內(nèi)尚沒有一個獨立的光伏電站的防雷接地設(shè)計規(guī)范來確保電站的安全持久運行。目前，國內(nèi)大都依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》l4]進行參照設(shè)汁，設(shè)計結(jié)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(chǎn)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(lián)、并聯(lián)之后，沿電纜槽盒、電纜橋架等送至逆變器，經(jīng)逆變器將直流逆變?yōu)榻涣鞑⑸龎汉笏椭岭娋W(wǎng)的。在整個太陽能光伏發(fā)電的環(huán)節(jié)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(shè)備是大量穿插布置的。如果將光伏電站作為一個發(fā)電系統(tǒng)，按照電力系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)范進行設(shè)計，關(guān)注的核心就會是電力系統(tǒng)交流電氣設(shè)備的防雷接地，缺少了對直流電防護的要求。光伏發(fā)電項目與電力系統(tǒng)中的常規(guī)電站、輸變電系統(tǒng)不同，即使與小型的輸變電工程相比，其重要程度和發(fā)生災(zāi)害后的損失程度也不同，簡單地采用電力系統(tǒng)有關(guān)規(guī)范進行交流電氣設(shè)備的防雷接地設(shè)計，是不滿足光伏發(fā)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(wǎng)發(fā)電項目為例，探討光伏發(fā)電防雷技術(shù)。項目安裝地為多雷區(qū)，電池板占地面積廣，處在位置較高的屋頂，根據(jù)這些特點以及常州近60年雷暴日和近5年閃電數(shù)據(jù)，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(shè)計規(guī)范》(GB50057一2010)和《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/219964一2005)問等研究太陽能發(fā)電站的防雷設(shè)計。

1項目簡介

本項目建設(shè)地位于江蘇省南部，常州市新北區(qū)，屬美麗富饒的長江金三角地區(qū)，江蘇省平均年日照數(shù)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(fā)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?cè)萘繛閘ro.4kwp，每20塊組件進行串聯(lián)，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(cè)。北側(cè)安裝240塊組件，共12個組串，接人兩個6進1出匯流箱;南側(cè)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(shè)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(qū)，逆變后直接并人測試區(qū)配電柜。光伏發(fā)電系統(tǒng)原理框圖如圖1，太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分，太陽能量通過電池組件轉(zhuǎn)化為直流電，再通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電，全部或部分給當?shù)刎摵晒╇姡Ｓ嚯娏︷伻穗娋W(wǎng)或全部電力饋人電網(wǎng)。

2雷電特征分析

常州位于江蘇省南部.屬于長江下游地區(qū).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(nèi)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(zhèn)山脈尾部，中部和東部為寬廣的平原、抒區(qū)。獨特的氣候和地勢條件有利于雷暴的發(fā)生發(fā)展，年平均雷暴日約為犯天，屬于雷暴多發(fā)區(qū)。太陽能豐富的同時，也有敝處，就是雷暴頻發(fā)，影響太陽能發(fā)電的正常運行。

2.1霄撰月變化規(guī)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(guī)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(xiàn)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(fā)生，12月出現(xiàn)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(fā)生雷暴。針對各月雷暴發(fā)生的特點，應(yīng)有效地采取防雷措施，發(fā)現(xiàn)雷擊及時恢復(fù)設(shè)備正常運行，以免影響正常供電。尤其是夏季作為太陽能發(fā)電的重要時期，雷暴卻頻繁發(fā)生，一方面需主動防御，時刻關(guān)注天氣變化，實施雷電預(yù)警;另一方面，應(yīng)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(qū)發(fā)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(xiàn)在金壇中部，達到7次瓜mZa，其余兩個出現(xiàn)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(qū)，本項目處在地閃密度約為4次瓜mZa的地區(qū)，地閃相對較少，但其處在地閃密度變化區(qū)域，地閃密度梯度明顯，增加了其遭受雷擊的概率。

3防雷設(shè)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(zhì)固定，均為導(dǎo)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(fā)區(qū)，雷擊概率相對較高，雷云電荷容易在太陽電池內(nèi)部電路、太陽電池組件邊框及其支撐結(jié)構(gòu)上形成感應(yīng)過電壓，直流配電柜和室內(nèi)的交流配電柜可能遭受感應(yīng)雷擊損壞。因此針對屋面和內(nèi)部系統(tǒng)，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(yīng)裝置的主動型避雷系統(tǒng)，在傳統(tǒng)避雷針的基礎(chǔ)上增加了一個主動觸發(fā)系統(tǒng)，提前于普通避雷針產(chǎn)生上行迎面先導(dǎo)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(shù)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(jù)防雷等級采用滾球法設(shè)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(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板一般安裝在建筑物的屋面上，處于LPZO區(qū)(LPZ為防雷區(qū))，如太陽能電池板不在建筑物原有防雷裝置的保護范圍內(nèi)，應(yīng)對其采取防直擊雷措施。根據(jù)GB50057的規(guī)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(yīng)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(nèi)，處于Lpzl區(qū)。如果控制器和逆變器安裝在屋面(I正憶0區(qū))，應(yīng)處在接閃器的保護范圍內(nèi)，其金屬外殼應(yīng)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(fā)電項目，一組太陽能發(fā)電板的損壞，對整體發(fā)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(fā)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(jīng)濟可行的方法。