吳小云，賈 薪，張明珠

(懷化學(xué)院機(jī)械與光電物理學(xué)院，懷化 418000)

0 引言

近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本的不斷下降，中國(guó)光伏發(fā)電已逐步完成了從“補(bǔ)貼示范應(yīng)用”到“平價(jià)上網(wǎng)”的商業(yè)化過(guò)渡。截至2020年底，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到252.5 GWp，其中，分布式光伏電站的累計(jì)裝機(jī)容量為78.15 GWp[1]。自2018年光伏補(bǔ)貼政策調(diào)整后，分布式光伏電站因具有上網(wǎng)電價(jià)高、建設(shè)周期快、平準(zhǔn)化度電成本低的優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展，其裝機(jī)容量在總裝機(jī)容量中的占比也從2016年的13.33%提升到了2020年的30.90%。尤其是采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”結(jié)算方式的工商業(yè)彩鋼瓦屋面光伏電站，因單體容量大、一次投資成本低和后期運(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光伏應(yīng)用的一個(gè)重要細(xì)分市場(chǎng)。

彩鋼瓦屋面光伏電站的光伏組件、組串式逆變器或直流匯流箱等電氣設(shè)備均安裝在彩鋼瓦屋面上，容易受到雷擊。因此，如果此類(lèi)光伏電站的防雷措施不當(dāng)，會(huì)造成電氣設(shè)備損壞，并影響光伏電站的運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)引起屋面火災(zāi)，從而影響光伏電站所屬?gòu)S房的正常生產(chǎn)，甚至造成人身安全事故。但過(guò)度的防雷措施會(huì)增加彩鋼瓦屋面光伏電站的建設(shè)成本，導(dǎo)致其投資回報(bào)率降低。

為了確保彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷措施安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，本文從建筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷分類(lèi)、直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷電磁波防護(hù)等幾方面對(duì)彩鋼瓦屋面光伏電站的雷電防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，可為今后彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷設(shè)計(jì)提供參考。

1 雷擊的危害

雷擊是一種自然現(xiàn)象，主要分為下行雷和上行雷2種類(lèi)型。彩鋼瓦屋面多為工業(yè)廠(chǎng)房和倉(cāng)庫(kù)等建筑的屋頂，大多數(shù)是單層建筑，建筑高度一般不會(huì)超過(guò)20 m，因此主要需要防范的雷擊為下行雷。雷擊類(lèi)型主要包括直接雷擊和雷擊過(guò)電壓兩大類(lèi)[2]。

根據(jù)所采用逆變器的類(lèi)型，彩鋼瓦屋面光伏電站可以分為集中型彩鋼瓦屋面光伏電站和組串型彩鋼瓦屋面光伏電站2種。屋面電氣設(shè)備主要為光伏組件、組串式逆變器或直流匯流箱、光伏支架、電纜等，其中，光伏組件多采用直接沿屋面平鋪的方式，光伏組件下邊框一般比彩鋼瓦屋面高出100 mm左右；組串式逆變器或直流匯流箱一般也安裝在屋面，其下邊沿高出屋面500 mm左右。

隨著光伏發(fā)電的商業(yè)化發(fā)展，近年來(lái)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)的研究日益深入。文獻(xiàn)[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了雷擊鋁合金邊框時(shí)對(duì)玻璃特性的影響。文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)光伏組件感應(yīng)電壓/電流、鋁合金陽(yáng)極氧化膜的絕緣性能進(jìn)行了具體研究。研究結(jié)果表明：雷擊在光伏組件邊框時(shí)，即便光伏方陣回路距離雷擊點(diǎn)在2 m以?xún)?nèi)，10/350 s波形的感應(yīng)過(guò)電壓幅值仍然可以達(dá)到8.1 kV，大幅超過(guò)了回路的耐壓水平，極易損壞光伏陣列，在直流匯流箱和組串式逆變器輸入端也會(huì)產(chǎn)生高達(dá)6 kV的感應(yīng)電壓；鋁合金陽(yáng)極氧化膜的直流電壓擊穿比為50 V/μm，一般光伏組件鋁合金邊框的陽(yáng)極氧化膜厚度在15～25 μm之間，因此雷擊時(shí)，陽(yáng)極氧化膜極易被擊穿，光伏組件鋁合金邊框的絕緣性能被破壞，此時(shí)鋁合金邊框可以看成導(dǎo)體；自然界中的雷電很難擊中玻璃，因此擊中鋁合金邊框后，光伏組件表面的玻璃一般不會(huì)破損。

2 彩鋼瓦屋面光伏電站的雷電防護(hù)技術(shù)

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)是否與建筑同步設(shè)計(jì)和建設(shè)，彩鋼瓦屋面光伏電站分為2種，一種是與彩鋼瓦屋面建筑一起設(shè)計(jì)和建造的彩鋼瓦屋面光伏電站，另一種是在彩鋼瓦屋面建筑投產(chǎn)后再建設(shè)的彩鋼瓦屋面光伏電站。目前，絕大多數(shù)已建或在建的彩鋼瓦屋面光伏電站均屬于后者，因此，本文著重討論在已建彩鋼瓦屋面建筑上新建光伏電站的屋面電氣設(shè)備的雷電防護(hù)技術(shù)。

2.1 建筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷分類(lèi)

彩鋼瓦屋面光伏電站防雷設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是GB/T 36963—2018《光伏建筑一體化系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[6]、QX/T 263—2015《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[7]和GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷設(shè)計(jì)需要先確定建筑物的防雷分類(lèi)，再依據(jù)建筑物的防雷分類(lèi)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工。

文獻(xiàn)[9]對(duì)光電建筑的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并指出GB 50057—2010和GB/T 21714—2015《雷電防護(hù)》系列標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于建筑物的截收面積的計(jì)算方式隨著建筑物高度的變化得到的計(jì)算結(jié)果稍有不同。

綜上所述，與彩鋼瓦屋面建筑一起設(shè)計(jì)和建造的彩鋼瓦屋面光伏電站依據(jù)GB 50057—2010的建筑物防雷分類(lèi)條款進(jìn)行防雷分類(lèi)；而在彩鋼瓦屋面建筑投產(chǎn)后再建設(shè)的彩鋼瓦屋面光伏電站的防雷分類(lèi)，需要綜合考慮建筑的用途和現(xiàn)有防護(hù)措施的實(shí)際效果，再依據(jù)GB 50057—2010的建筑物防雷分類(lèi)條款進(jìn)行防雷分類(lèi)和設(shè)計(jì)，并按照GB/T 21714.2—2015《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估復(fù)核[10]。

2.2 屋面電氣設(shè)備的直擊雷防護(hù)

GB 50057—2010中規(guī)定，除第1類(lèi)防雷建筑物外，金屬屋面宜利用屋面作為接閃器；GB/T 36963—2018和QX/T 263—2015中均規(guī)定了有金屬邊框的光伏組件宜利用金屬邊框和光伏支架作為接閃器。因此，在第2類(lèi)、第3類(lèi)防雷建筑中均可以采用光伏組件邊框和光伏支架作為接閃器，光伏支架通過(guò)夾具與屋面連接，形成直擊雷泄流通道，利用原屋面的直擊雷引下線(xiàn)作為光伏電站的直擊雷引下線(xiàn)。

屋面電氣設(shè)備的金屬外殼、電纜金屬外皮和建筑物金屬構(gòu)件均應(yīng)接地；每個(gè)光伏方陣外圍均需要有一個(gè)鍍鋅扁鐵網(wǎng)格，用于形成直擊雷泄流通道，鍍鋅扁鐵網(wǎng)格滿(mǎn)足每個(gè)單獨(dú)光伏方陣2點(diǎn)引出與屋面輔助系統(tǒng)等電位連接即可。

針對(duì)處于屋面的直流匯流箱、組串式逆變器，GB 50057—2010中規(guī)定當(dāng)直流匯流箱、組串式逆變器高出彩鋼瓦屋面的高度低于300 mm時(shí)，可以不用考慮防雷措施。實(shí)際工程中，直流匯流箱或組串式逆變器一般高出屋面水平面500 mm左右，但是一般不會(huì)超過(guò)屋面最高處或女兒墻的高度，因此，依據(jù)直流匯流箱、組串式逆變器可以利用其金屬外殼作為接閃器的規(guī)定，通過(guò)截面積為16 mm2的黃、綠雙色的銅芯聚氯乙烯絕緣軟護(hù)套電線(xiàn)(BVR)接到4 mm×40 mm的鍍鋅扁鐵上，再通過(guò)鍍鋅扁鐵接至屋面或建筑物主結(jié)構(gòu)；為了安全起見(jiàn)，考慮到女兒墻上有防雷帶保護(hù)，可以將直流匯流箱或組串式逆變器安裝在女兒墻上；另外，考慮到在實(shí)際工程中直流匯流箱、組串式逆變器的散熱要求、防水性能要求和使用壽命，通常會(huì)在直流匯流箱或組串式逆變器上搭建一個(gè)金屬屋頂，可以將此金屬屋頂作為接閃器，然后通過(guò)4 mm×40 mm的鍍鋅扁鐵接至屋面或建筑物主結(jié)構(gòu)。

需要特別說(shuō)明的是，現(xiàn)在的彩鋼瓦屋面光伏電站在采用上述防雷措施的情況下還增加了防雷接閃網(wǎng)作為直擊雷防護(hù)措施，即按照第3類(lèi)防雷建筑在屋面鋪設(shè)24 m×16 m或20 m×20 m的鍍鋅扁鐵接閃網(wǎng)。但其實(shí)這種做法是完全沒(méi)有必要的，因?yàn)榉览捉娱W網(wǎng)的高度低于光伏組件的高度，不能起到防直擊雷的作用。

第1類(lèi)防雷建筑需要安裝專(zhuān)用的接閃裝置進(jìn)行直擊雷防護(hù)。接閃裝置的設(shè)計(jì)除需要滿(mǎn)足GB 50057—2010的相關(guān)規(guī)定外，還需要考慮接閃裝置對(duì)光伏方陣會(huì)產(chǎn)生的陰影遮擋影響，最好將接閃裝置設(shè)置在光伏方陣的正北方向，若不能設(shè)置在該方向時(shí)，需要保證在冬至日的當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)09:00～16:00之間接閃裝置不會(huì)對(duì)光伏方陣產(chǎn)生陰影遮擋。

2.3 屋面電氣設(shè)備的感應(yīng)雷電磁波防護(hù)

感應(yīng)雷電磁波的防護(hù)主要是通過(guò)電磁屏蔽、等電位連接和安裝電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD) 3種方式。由于彩鋼瓦屋面光伏電站占地面積大且防護(hù)設(shè)施不能遮擋陽(yáng)光，因此不能采用物理方式進(jìn)行電磁屏蔽，在實(shí)際工程中，彩鋼瓦屋面光伏電站多采用等電位連接和安裝SPD這2種方式實(shí)現(xiàn)感應(yīng)雷電磁波的防護(hù)。

2.3.1 等電位連接

等電位連接是指將所有屋面新增的獨(dú)立金屬物和電氣設(shè)備外殼、保護(hù)接地直接通過(guò)導(dǎo)體連接到屋面等電位連接點(diǎn)。導(dǎo)體材料的截面積應(yīng)滿(mǎn)足GB 50057—2010中第5.1.2款的要求。

由于彩鋼瓦屋面在進(jìn)行電焊明火施工作業(yè)時(shí)容易引發(fā)火災(zāi)，因此在施工作業(yè)時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的防范。在實(shí)際工程中，發(fā)生過(guò)多次由于電焊明火施工作業(yè)引發(fā)的屋面起火，因此需要盡量避免此種情況。在進(jìn)行等電位連接時(shí)，鍍鋅扁鐵的具體做法需要按照?qǐng)D集02D501-2《等電位聯(lián)結(jié)安裝》中的規(guī)定，即采用雙螺栓連接，螺栓型號(hào)為M10 mm×30 mm，搭接長(zhǎng)度不小于80 mm，開(kāi)孔直徑為?10.5 mm。每一排光伏支架均需進(jìn)行可靠的電氣連接，可以通過(guò)直接開(kāi)孔與鍍鋅扁鐵網(wǎng)格進(jìn)行螺栓連接，其過(guò)渡電阻應(yīng)小于0.2 Ω，鍍鋅扁鐵網(wǎng)格也需要滿(mǎn)足每個(gè)單獨(dú)光伏方陣2點(diǎn)引出與屋面輔助系統(tǒng)等電位連接。

關(guān)于光伏組件的保護(hù)接地和輔助接地的討論。由于光伏組件也屬于通用的電氣設(shè)備，隨著商業(yè)化發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓正在由1000 V逐步過(guò)渡到1500 V，并且單塊光伏組件的電壓也超過(guò)了直流36 V的安全電壓上限[11]，因此，為了保證安裝、維護(hù)人員的人身安全，部分光伏組件廠(chǎng)家對(duì)光伏組件提出了明確的接地要求。針對(duì)光伏組件的接地，現(xiàn)在實(shí)際工程中一般有2種做法：一種是光伏方陣內(nèi)相鄰光伏組件之間的邊框通過(guò)截面積為4 mm2的BVR相連，2點(diǎn)引出與光伏支架相連；另一種是光伏方陣內(nèi)相鄰光伏組件之間的邊框通過(guò)截面積為6 mm2的BVR相連，2點(diǎn)引出與光伏支架相連?，F(xiàn)在很多人認(rèn)為這2種做法屬于等電位連接是存在誤解的，事實(shí)上這2種做法均不符合GB 50057—2010中規(guī)定的等電位連接最小導(dǎo)體截面積的要求，如果是等電位連接，BVR的截面積需要不低于16 mm2。因此筆者認(rèn)為，這2種做法可以看成是光伏組件的保護(hù)接地或無(wú)機(jī)械保護(hù)的輔助接地。

2.3.2 安裝SPD

屋面電氣設(shè)備的感應(yīng)雷電磁波防護(hù)主要是通過(guò)安裝SPD來(lái)實(shí)現(xiàn)，SPD正常工作時(shí)，其通路相當(dāng)于剛阻抗斷路，當(dāng)感應(yīng)雷電磁波隨著輸入、輸出電纜經(jīng)過(guò)SPD時(shí)，SPD迅速導(dǎo)通，使感應(yīng)雷電流通過(guò)SPD泄放到大地，并將雷擊電壓的幅值降低到電氣設(shè)備能夠承受的水平，該水平通常稱(chēng)為保護(hù)電壓，以達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的作用。保護(hù)電壓的取值范圍介于電氣設(shè)備的最大工作電壓(即光伏組串的最大工作電壓)Umax和電氣設(shè)備的耐受電壓之間。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他電氣系統(tǒng)不同，由于光伏組件的發(fā)電特性，其工作電壓隨工作溫度和太陽(yáng)輻照度的變化而變化。

電氣設(shè)備的最大工作電壓Umax的計(jì)算式為：

式中：n為每串光伏組串中的光伏組件數(shù)量；Uoc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(即太陽(yáng)輻照度為1 kW/m2、光伏組件工作溫度為25 ℃)下光伏組件的開(kāi)路電壓；α為光伏組件的溫度系數(shù)，為負(fù)值；Tmin為光伏組件的最低工作溫度，一般取項(xiàng)目所在地的歷史最低環(huán)境溫度。

組串式逆變器均為不帶隔離的變壓器類(lèi)型，依據(jù)GB/T 36963—2018中第5.36款的規(guī)定，組串式逆變器交流側(cè)的最大可持續(xù)工作電壓Uc應(yīng)滿(mǎn)足式(2)的要求：

式中：U為組串式逆變器的交流輸出相電壓。

直流匯流箱或組串式逆變器中的SPD選型要求具體如表1所示。

表1 SPD的選型要求Table 1 Selection requirements of SPD

光伏方陣負(fù)極未接地系統(tǒng)的直流匯流箱或組串式逆變器直流側(cè)需要采用正極對(duì)地、正極對(duì)負(fù)極、負(fù)極對(duì)地均安裝SPD；光伏方陣負(fù)極接地系統(tǒng)只需安裝正極對(duì)地的SPD。組串式逆變器一般采用三相加保護(hù)接地線(xiàn)的接線(xiàn)方式，因此交流側(cè)相對(duì)相、相對(duì)地均需安裝SPD。SPD的接線(xiàn)方式及要求需滿(mǎn)足GB/T 36963—2018中附錄D的要求。SPD連接導(dǎo)體的最小截面積需滿(mǎn)足GB/T 36963—2018中表1的規(guī)定。

3 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有建筑防雷設(shè)計(jì)、光伏電站防雷設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范和實(shí)際工程應(yīng)用中的通用做法，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對(duì)彩鋼瓦屋面光伏電站中光伏組件、玻璃、鋁合金等部件的雷擊特性進(jìn)行了研究，并從建筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷分類(lèi)、直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷電磁波防護(hù)等幾方面對(duì)彩鋼瓦屋面光伏電站屋面電氣設(shè)備的雷電防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，對(duì)現(xiàn)行雷電防護(hù)措施中的幾個(gè)誤區(qū)進(jìn)行了探討。隨著碳交易市場(chǎng)的開(kāi)啟，彩鋼瓦屋面光伏電站的未來(lái)市場(chǎng)前景將更為廣闊。研究結(jié)果對(duì)彩鋼瓦屋面光伏電站屋面電氣設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)與施工具有一定的指導(dǎo)意義。