楊主通 廖昱航 廖曉婷

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：楊主通（1985—），男，福建泉州人，助理工程師，主要從事雷電防護(hù)檢測工作。

摘? 要：隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和清潔能源的推廣，光伏發(fā)電因其綠色、可再生的特性而得到廣泛應(yīng)用。然而，光伏發(fā)電設(shè)施多數(shù)建設(shè)于戶外，因此極易受到自然災(zāi)害的影響，尤其是雷電災(zāi)害。以泉州市為例，針對雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響與雷電防護(hù)裝置檢測技術(shù)進(jìn)行了深入探究。概述了泉州市雷電災(zāi)害特征和光伏發(fā)電發(fā)展概況，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與雷電敏感性和雷電對光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體影響，討論了光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)與技術(shù)，探討了泉州市光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)裝置檢測技術(shù)，旨在提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷性能和抗雷擊能力，為泉州市光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)與維護(hù)提供理論支持和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：雷電災(zāi)害；光伏發(fā)電；防雷檢測；泉州市

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

泉州市位于福建省東南部，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年濕度大，云層活躍，加之沿海地理位置，雷電活動較為頻繁。氣象資料顯示，泉州市每年雷暴日數(shù)較多，雷電活動具有明顯的季節(jié)性特征，通常春夏季節(jié)較為集中，尤其是在梅雨季節(jié)和夏季午后，雷電活動尤為活躍。此外，雷電災(zāi)害常常伴隨著強(qiáng)風(fēng)、暴雨等極端天氣，加重了其危害程度。

近年來，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在泉州市的大規(guī)模部署，雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響日益凸顯。雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響不僅體現(xiàn)在直擊雷造成的設(shè)備損毀，還包括雷電電磁脈沖引起的間接損害，會對光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行安全性造成嚴(yán)重影響[1]。因此，研究泉州市雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，探索有效的雷電防護(hù)裝置檢測技術(shù)，對于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 泉州市雷電災(zāi)害的特征分析

泉州市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，由于海洋性氣候特征顯著，暖濕空氣活躍，加上地形起伏和沿海效應(yīng)的影響，區(qū)域內(nèi)雷電活動較為頻繁。根據(jù)歷年氣象資料，泉州市的雷電活動表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和地域性特征。在季節(jié)性規(guī)律方面，雷電活動主要集中在每年的春、夏季節(jié)，特別是4—9月期間，此階段降雨充沛，大氣不穩(wěn)定，雷暴天氣頻發(fā)；在地域性規(guī)律方面，山區(qū)和平原、沿海和內(nèi)陸區(qū)域的雷電活動強(qiáng)度和頻率有所不同，山區(qū)及近海地區(qū)由于地形復(fù)雜、溫差大，更容易形成雷暴云團(tuán)，雷電災(zāi)害的發(fā)生概率相對較高。

2 泉州市光伏發(fā)電的概況

泉州市的光伏發(fā)電發(fā)展迅速。自2015年以來，泉州市的光伏發(fā)電裝機(jī)容量從5.9萬kW增長至50.5萬kW，年均增長率達(dá)到53.6%。這一增長速度顯示出泉州市在光伏發(fā)電領(lǐng)域的積極布局和快速發(fā)展。當(dāng)前，泉州市正在積極創(chuàng)建新能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范區(qū)核心區(qū)，推動儲能電池、光伏裝備制造基地的建設(shè)，以此加快新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，泉州市還計(jì)劃結(jié)合新能源汽車規(guī)劃，適度發(fā)展太陽能光伏充電站、光伏車棚，并在資源、環(huán)境條件適宜的地區(qū)大力推廣光伏路燈、風(fēng)光互補(bǔ)等設(shè)施?？梢姡菔胁粌H在光伏發(fā)電裝機(jī)容量上取得了顯著的增長，還在新能源產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃和發(fā)展上也展現(xiàn)出了遠(yuǎn)見和實(shí)力。通過一系列的政策支持和產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)，泉州市的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)有望在未來繼續(xù)保持快速的增長。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與雷電敏感性

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽能電池板陣列、逆變器、控制器、儲能設(shè)備（如蓄電池）以及電網(wǎng)接口等部分構(gòu)成[2]。其中，太陽能電池板一般安裝在開闊地帶或建筑物屋頂，直接暴露在大氣環(huán)境中，由于其分布廣泛且位置較高，容易成為雷擊的目標(biāo)。直流/交流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，電池板產(chǎn)生的直流電需經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電并接入電網(wǎng)，這一過程中的電力電子設(shè)備對過電壓和過電流非常敏感。光伏系統(tǒng)的各個(gè)組件之間需要良好的電氣連接和接地，以確保安全運(yùn)行，并提供低阻抗的路徑給可能產(chǎn)生的雷電流。高度自動化的監(jiān)控和管理系統(tǒng)使得整個(gè)系統(tǒng)包含大量的電子元器件和通信線路，這些部件在雷電環(huán)境下容易受到雷擊電磁脈沖（LEMP）的影響。

3.2 雷電敏感性

第一，直擊雷風(fēng)險(xiǎn)。由于太陽能電池板陣列處于露天環(huán)境，容易遭受直擊雷，強(qiáng)烈的雷擊所產(chǎn)生巨大的能量可能導(dǎo)致電池板瞬間高溫?zé)龤?，同時(shí)通過電氣線路傳導(dǎo)至其他設(shè)備，造成大面積損壞。

第二，感應(yīng)雷電。即使沒有被直接擊中，附近的雷擊活動也可能通過電磁感應(yīng)作用在光伏系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)過電壓，這會對系統(tǒng)的絕緣性能和內(nèi)部電子元件造成威脅。

第三，閃電電涌侵入。當(dāng)雷電通過電網(wǎng)線路或其他導(dǎo)體間接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，會產(chǎn)生閃電電涌，如果沒有有效的防護(hù)措施，這些浪涌電壓和電流足以摧毀逆變器、控制器等關(guān)鍵設(shè)備[3]。

第四，雷擊電磁脈沖，雷擊過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場能在通信線纜上感應(yīng)出電壓，從而對光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)造成破壞。

4 雷電對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響

4.1 直擊雷對光伏組件、逆變器等設(shè)備的破壞

直擊雷是指雷電直接擊中光伏組件的情況。當(dāng)雷電擊中光伏組件時(shí)，會產(chǎn)生極高的電壓和電流，這些能量會在極短的時(shí)間內(nèi)釋放，對光伏組件造成嚴(yán)重的破壞。直擊雷可能導(dǎo)致光伏組件的玻璃破碎、電池片斷裂、電路短路等，還可能引發(fā)光伏組件內(nèi)部的熱效應(yīng)，導(dǎo)致組件內(nèi)部的溫度急劇升高，從而損壞組件的結(jié)構(gòu)和性能。

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，負(fù)責(zé)將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。當(dāng)逆變器遭受直接雷擊時(shí)，其內(nèi)部的電子元件可能由于承受不住高電壓和高電流的沖擊而損壞，導(dǎo)致逆變器無法正常工作，甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故。直擊雷還可能對逆變器的控制電路和通信接口造成破壞，使逆變器失去控制功能，進(jìn)而影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.2 雷擊電磁脈沖對系統(tǒng)電氣設(shè)備的影響

當(dāng)雷電擊中光伏發(fā)電系統(tǒng)附近的地面或其他物體時(shí)，會在瞬間產(chǎn)生巨大的電流和輻射電磁場。電磁場會在系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，進(jìn)而對電氣設(shè)備造成干擾和損害。

第一，對電氣設(shè)備的直接損壞。高能量的雷擊電磁脈沖可能直接破壞電氣設(shè)備的絕緣層，導(dǎo)致設(shè)備短路或損壞。對于一些微電子器件，由于其承受電壓和電流的能力較弱，更容易受到雷擊電磁脈沖的損害。

第二，干擾電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的干擾信號可能進(jìn)入系統(tǒng)的電路和控制回路，干擾電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。這種干擾可能導(dǎo)致設(shè)備誤動作、信號失真或數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)而影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

第三，對通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常包含大量的通信和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，如傳感器、數(shù)據(jù)采集器等。雷擊電磁脈沖可能干擾這些設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)傳輸過程，導(dǎo)致信息丟失或誤傳，并由此影響系統(tǒng)的監(jiān)控和管理[4]。

4.3 雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)性能和壽命的影響

第一，組件性能。遭受雷擊后，即使光伏組件未完全損壞，也可能由于局部熱效應(yīng)或電致退化而導(dǎo)致組件性能衰減，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換效率降低、發(fā)電量減少。

第二，控制與逆變設(shè)備。雷電引起的電氣故障可能導(dǎo)致逆變器效率下降，輸出不穩(wěn)定，甚至頻繁宕機(jī)，嚴(yán)重影響了整體系統(tǒng)的發(fā)電效率和可靠性。

第三，硬件設(shè)備的壽命。雷電災(zāi)害造成的硬件損壞往往意味著設(shè)備需要更換，增加了運(yùn)營成本。即使修復(fù)后，設(shè)備的預(yù)期壽命，也可能因內(nèi)部元件受到的潛在損害而縮短。

第四，安全風(fēng)險(xiǎn)增加，雷電災(zāi)害可能觸發(fā)火災(zāi)或爆炸，對人員和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，同時(shí)也對系統(tǒng)完整性帶來不可逆的損害。

第五，經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)停止運(yùn)行期間無法發(fā)電，會造成經(jīng)濟(jì)效益的直接損失。此外，維修和替換受損部件的成本較為高昂，特別是大型光伏電站，一次嚴(yán)重的雷擊事件就可能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)與技術(shù)

5.1 光伏電站的防雷設(shè)計(jì)原則與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

光伏電站防雷設(shè)計(jì)的首要原則是保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，如《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》等。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對防雷設(shè)施的布置、接地系統(tǒng)的構(gòu)建、設(shè)備的耐壓水平等都有明確要求，是光伏電站防雷設(shè)計(jì)的依據(jù)和指導(dǎo)。

光伏電站防雷設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下因素：光伏電站所在地的雷電活動規(guī)律和特點(diǎn)，包括雷電活動的頻率、強(qiáng)度、分布等；光伏電站的規(guī)模和布局，包括光伏組件的排列方式、支架的結(jié)構(gòu)、逆變器的位置等；系統(tǒng)的耐雷水平，即系統(tǒng)在雷電作用下的安全性、穩(wěn)定性[6]。

5.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的直擊雷防護(hù)措施

直擊雷防護(hù)措施是光伏電站防雷設(shè)計(jì)的重要組成部分，其主要目的是防止雷電直接擊中光伏組件、支架等關(guān)鍵設(shè)備，造成設(shè)備損壞和火災(zāi)等嚴(yán)重后果。具體的防護(hù)措施包括：

第一，安裝接閃桿或接閃帶。在光伏電站的關(guān)鍵部位，如光伏組件陣列的邊緣或支架的頂部，安裝接閃桿或接閃帶，以吸引和分流雷電電流，避免其直接擊中光伏組件。

第二，接地系統(tǒng)。建立完善的接地系統(tǒng)，將接閃桿、支架、光伏組件等設(shè)備的金屬部分與大地連接，確保雷電電流能夠迅速泄入大地，避免在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生高電壓。

第三，絕緣防護(hù)。對光伏組件和電纜等關(guān)鍵部件進(jìn)行絕緣處理，提高其耐雷擊能力。

5.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的感應(yīng)雷防護(hù)措施

感應(yīng)雷防護(hù)措施主要針對LEMP對光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)備的干擾和損壞。其目標(biāo)是通過技術(shù)手段，減少雷擊電磁脈沖對系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體的防護(hù)措施包括：

第一，使用電涌保護(hù)器（SPD）。在光伏電站的電源入口、逆變器輸入端等關(guān)鍵位置安裝電涌保護(hù)器，以限制雷擊電磁脈沖引起的過電壓和過電流，保護(hù)電氣設(shè)備免受損壞[7]。

第二，屏蔽措施。對關(guān)鍵電氣設(shè)備和線路進(jìn)行屏蔽處理，使用金屬屏蔽網(wǎng)或屏蔽管將線路包裹起來，減少雷擊電磁脈沖對它們的干擾。

第三，等電位連接。將光伏電站內(nèi)的金屬設(shè)備、管道、構(gòu)架等通過等電位連接帶進(jìn)行連接，形成一個(gè)等電位體，以消除雷擊電磁脈沖引起的電位差，防止電氣設(shè)備的損壞。

6 泉州市光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷檢測技術(shù)

6.1 雷電防護(hù)裝置的定期檢測與維護(hù)

對于泉州市的光伏發(fā)電系統(tǒng)，雷電防護(hù)裝置的定期檢測與維護(hù)是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。定期檢測的內(nèi)容包括：檢查接閃桿、接閃帶等接閃器的完好性，確保其無銹蝕、斷裂或移位；檢查引下線與接地裝置的連接是否牢固，有無松脫或腐蝕現(xiàn)象；對防雷器件進(jìn)行功能測試，確保其處于正常工作狀態(tài)。維護(hù)方面，主要是清理接閃桿、接閃帶等接閃器上的積塵和雜物，保持其清潔；對銹蝕或損壞的部件進(jìn)行更換或修復(fù)；緊固松動的連接螺栓，確保電氣連接良好。

6.2 接地電阻測量與接地系統(tǒng)的檢測

接地電阻是衡量接地系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它反映了接地裝置與大地之間的電氣連接情況。定期測量接地電阻，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地系統(tǒng)存在的問題，確保其在雷電作用下能夠有效地泄放電流。接地電阻的測量通常采用四極法或三極法，根據(jù)測量結(jié)果，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以判斷接地系統(tǒng)是否滿足要求。同時(shí)，還需要對接地裝置的完好性、連接情況等進(jìn)行檢測，確保其處于良好的工作狀態(tài)。

6.3 防雷器件性能的檢測與評估

防雷器件是光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷的重要組成部分，能夠限制雷電過電壓和過電流，保護(hù)電氣設(shè)備免受損壞。因此，對防雷器件的性能進(jìn)行檢測與評估具有重要意義。性能檢測包括：檢查防雷器件的外觀是否完好，無損壞或變形；通過試驗(yàn)設(shè)備對防雷器件進(jìn)行功能測試，如沖擊放電電壓、殘壓等指標(biāo)的測量；根據(jù)測試結(jié)果，判斷防雷器件的性能是否滿足要求；評估方面，主要是根據(jù)防雷器件的性能檢測結(jié)果，結(jié)合其使用環(huán)境和壽命等因素，對其進(jìn)行綜合評估，提出維護(hù)或更換的建議。

6.4 雷電防護(hù)系統(tǒng)整體性能的評估與優(yōu)化

除了對雷電防護(hù)裝置和防雷器件進(jìn)行單獨(dú)檢測，還需要對雷電防護(hù)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行評估與優(yōu)化。整體性能評估包括，分析系統(tǒng)在雷電作用下的響應(yīng)情況，如電壓、電流的分布和變化；評估系統(tǒng)對雷電的防護(hù)效果，如設(shè)備損壞率、故障率等指標(biāo)；根據(jù)評估結(jié)果，找出系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)和潛在風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化方面，主要是針對評估中發(fā)現(xiàn)的問題，提出改進(jìn)措施和優(yōu)化方案[8]。

7 結(jié)束語

通過對泉州市雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響及其雷電防護(hù)裝置檢測技術(shù)的深入研究，可知雷電災(zāi)害對光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了巨大威脅。無論是直擊雷還是雷擊電磁脈沖，都有可能對光伏組件、逆變器以及其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，進(jìn)而影響電站的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。為有效抵御雷電災(zāi)害，泉州市光伏發(fā)電系統(tǒng)嚴(yán)格按照國家防雷設(shè)計(jì)規(guī)范，采用合理的直擊雷防護(hù)措施，如安裝接閃桿、設(shè)置接閃網(wǎng)格以及優(yōu)化接地系統(tǒng)，同時(shí)在電氣系統(tǒng)中安裝高效的電涌保護(hù)器來防御感應(yīng)雷擊。相關(guān)部門應(yīng)定期檢測與維護(hù)雷電防護(hù)裝置，確保接地系統(tǒng)性能優(yōu)良，防雷器件始終處于良好的工作狀態(tài)。

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