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摘要：光伏并网发电系统是国家电网的有力补充，在可持续发展战略下，其优势十分显著，但雷电会对其造成极大的伤害，形成重大损失。所以针对光伏并网发电系统的雷电防护十分关键，本文从光伏并网发电系统出发，分析了雷电对其的危害，并总结了雷电防护措施，以供参考。
关键词：光伏并网发电系统；雷电；危害；防护
光伏并网发电，也就是太阳能光伏发电，现阶段已经步入并网发电阶段。雷电在自然界当中是一种十分复杂的放电现象，在自然界当中十分常见，破坏性极强。由于其特性如此，一旦防控措施不恰当，就会对电力设施、人员等造成严重的威胁，造成极大的损失。合理有效的防雷措施是保证光伏发电系统正常运行的重要组成部分，本文以光伏并网发电系统为研究对象，进行雷电防护的探讨。
一、光伏并网发电系统
所谓光伏并网发电系统就是利用太阳能组件产生的直流电，通过并网逆变器的转换，使直流电变成交流电接入电网。光伏并网发电系统一般有两种，一种是国家级电站，是大型集中式并网电站，其特点是先向电网送电，然后由电网向用户供电。另一种是小型分散式并网发电系统，其中光伏建筑一体化发电系统是比较主流的一种系统。其原理如图1。
图1 光伏发电原理
太阳能电池发电系统是基于光生伏特效应制成的，太阳能电池组件将太阳辐射直接转换成电能，经过逆变器转换成50Hz，230V或400V的三相或230V单相交流电，并利用标准的电网接口，接入电网向用户供电，这种方式相当于一个小型的发电站，它不需要蓄电池。另一种方式如光伏建筑一体化发电系统是一个独立式的发电系统，也就是在自己的闭路系统中形成电路，它首先会将太阳能直接转化成电能供给负载，然后多余的能量经充电控制器以化学能的形式存在蓄电池当中。
光伏并网发电系统有两个关键的部分，其一是光伏组件，如图2。
图2 光伏组件
图2所示为一块太阳能电池板，由于一个太阳能电池产生的电压大约为0.5V，显然在实际使用当中这点电压是不够的。所以为满足实际使用需要，就需要多个太阳能电池组成组件，由导线连接成一个整体。这个部分是光伏并网发电系统的核心。
其二是光伏逆变器，它是光伏并网发电系统当中另一个关键部件，由于太阳能组件提供的是直流电，要连接电网，需要的是交流电，所以逆变器不可或缺。
二、雷电对光伏系统的危害分析
雷电对光伏发电系统产生危害的主要方式直击雷、感应雷及雷击电磁脉冲。
光伏并网发电的光伏组件一般放置于太阳能充足的地方，这种地方通常在室外屋顶或地势较高处，如果雷电防护措施不当极易引发直击雷，这会造成严重的雷击事故。首先是雷电的强电压会使光伏组件的半导体硅材料产生动作，使发电板PN结晶体场出现破坏，影响光电转换，降低使用效率。其次，雷击的超高温可能引发钢化玻璃的自爆，击穿太阳能背板，造成设备损毁。
光伏并网发电系统对电磁环境有着很高的要求，雷击电磁脉冲影响系统的安全可靠运行，特别是电子系统其耐压水平极低，雷击电磁脉冲是导致其不能正常工作，甚至损坏的主要原因之一。
光伏系统与电网连接，雷电极易由电网线路侵入到整套光伏并网发电系统，造成设备损坏。
三、光伏系统的雷电防护措施
首先是直击雷防护，直击雷防护技术目前来说是最为成熟的，只要设计规范，安装合理，采用接闪器、引下线、接地网就可比较有效防御直击雷。在设计时参考GB50057-2010及其它相关技术规范规定，结合系统所在地的雷电活动规律、地质、土壤、气候以及环境因素。目前，各种配备有声称能改善避雷针性能装置的主动避雷针出现在市场，其中，预放电（ESE）型避雷针装有引导电晕效应或产生火花的装置。但是到目前为止没有证据表明这些避雷针比同等几何尺寸的传统避雷针具有更高效率，这些新型接闪器不被国际相关组织认可，且其价高，传统接闪装置及直击雷防护措施依然是经济有效的方法。
其次，感应雷及雷击电磁脉冲防护，感应雷及雷击电磁脉冲是造成电气、电子设备损坏的主要原因，有80%是由其造成的，其防护措施主要是安装防电涌保护器（即SPD）。一般要在每个太阳能电池串列的出线端及逆变器交流输出端分别安装适宜SPD，这可以有效将电网侵入的雷电流泄入大地并将过电压限制在设备承受的范围内。降低过电压对其他太阳能电池串列的影响。目前有光伏专用的SPD，如SPD320，可采用三模块组合方式。光伏阵列汇流箱安装SPD。配电单元和逆变单元安装与室内，这可有效减少直击雷风险，但必须防感应雷和电磁脉冲，所以要在配电单元和逆变单元前安装SPD，如图3所示。
等电位连接及屏蔽措施，即将光伏并网发电系统机房内的所有金属物进行等电位连接并接地。所有金属物设单独接地线接入接地网，机房外部设环形的接地极，机房内的电气设备工作及保护接地均以等电位连接的方式接入环形接地极，同时连接主接地网。室外信号线路采用屏蔽线缆并穿金属管埋地且金属管两端接地，信号线接入设备处安装适宜的SPD，防止雷电经信号线路引入损坏设备。
图3 SPD安装示意
最后是雷电监测系统，该系统主要用于监控防雷装置的运行情况，特别是无人值守时能够及时了解防雷装置的状态，确保防雷装置工作的连续性。如图4。
图4 雷电监测系统框架
避雷监测系统负责检测避雷装置动作后进入接地网的脉冲电流强度、雷击电压极性、雷击次数以及各避雷装置动作后的损耗情况。下位机当中的智能监测仪主要由两个前端处理部分组成，第一部分是用于监测直击雷的探头，使用罗哥夫斯基线圈，安装在直击雷防雷装置的引下线上，将强电流信号转化成弱电信号输入智能监测仪进行处理。另一部分用于监测防感应雷和电磁脉冲装置的防雷接口，使用同轴电缆或光缆接入，通过光电隔离和对电压保护线路处理后转入智能监测仪。该系统的上位机以PC机为主，利用PC机组成数据库管理中心，主要负责统计下辖区域内的雷击信息，并可预先设定电话报警来实现无人值守，确保防雷装置出现问题或失效时能够及时通知相关工作人员并迅速作出反应，确保防雷体系始终正常运转，保证光伏并网发电系统的安全。
结束语：
光伏并网发电系统是国家电网的有力补充，在可持续发展战略下，光伏发电有着极高的应用价值，但由于其技术性和特殊性，一旦遭遇雷电灾害，造成的损失将不可估量。一般雷电灾害的形成主要通过直击雷、感应雷和电磁脉冲形成，所以做好针对性的雷电防护十分关键。按照综合防雷的理念，在光伏并网发电系统中不仅要做好直击雷防护，同时还需要按照相关的规范做好感应雷和电磁脉冲的防护，其中后者是关键，要充分利用SPD和等电位连接，切实保护好系统中的电气设备，保持稳定供配电。
参考文献：
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作者简介：
吴晓林（1969-12），男 ，汉族，湖北武汉人，本科，工程师，从事防雷工作。
论文作者:吴晓林
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/7
标签：并网发电论文; 光伏论文; 雷电论文; 系统论文; 防雷论文; 防护论文; 脉冲论文; 《电力设备》2016年第17期论文;