前日，微信圈一則“山西戶用光伏電站逆變器著火”，令業(yè)界一片嘩然，更有人指出，是使用了劣質(zhì)的逆變器，引起直流拉弧，最終導(dǎo)致內(nèi)部器件自燃而引起火災(zāi)。后來經(jīng)過調(diào)查，這是一條假消息，是有一些無良媒體嘩眾取寵為了擴(kuò)大影響而報道的，實際上引起火災(zāi)的直接原因是“球形雷”，和光伏系統(tǒng)沒有直接關(guān)系。
但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部分都安裝在露天狀態(tài)下，且分布的面積較大，組件和支架都是導(dǎo)體，對雷電有相當(dāng)大的吸引力，因此存在著受直接和間接雷擊的危害。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)與相關(guān)電氣設(shè)備及建筑物有著直接的連接，因此對光伏系統(tǒng)的雷擊還會涉及相關(guān)的設(shè)備和建筑物及用電負(fù)載等。為了避免雷擊對光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設(shè)置防雷與接地系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。
1.關(guān)于雷電及開關(guān)浪涌的有關(guān)知識
雷電是一種大氣中的放電現(xiàn)象。在云雨形成的過程中，它的某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負(fù)電荷，當(dāng)這些電荷積聚到一定程度時，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成雷電。
雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是指直接落到光伏方陣、直流配電系統(tǒng)、電氣設(shè)備及其配線等處，以及近旁周圍的雷擊。直擊雷的侵入途徑有兩條：一條是上述所說的直接對光伏方陣等放電，使大部分高能雷電流被引入到建筑物或設(shè)備、線路上;另一條是雷電直接通過避雷針等可以直接傳輸雷電流入地的裝置放電，使得地電位瞬時升高，一大部分雷電流通過保護(hù)接地線反串入設(shè)備、線路上。
感應(yīng)雷是指在相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的附近及更遠(yuǎn)些的地方產(chǎn)生的雷擊，引起相關(guān)建筑物、設(shè)備和線路的過電壓，這個浪涌過電壓通過靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)的形式串入到相關(guān)電子設(shè)備和線路上，對設(shè)備、線路造成危害。
除了雷電能夠產(chǎn)生浪涌電壓和電流外，在大功率電路的閉合與斷開的瞬間、感性負(fù)載和容性負(fù)載的接通或斷開的瞬間、大型用電系統(tǒng)或變壓器等斷開也都會產(chǎn)生較大的開關(guān)浪涌電壓和電流，同樣會對相關(guān)設(shè)備、線路等造成危害。
對于較大型的或安裝在空曠田野、高山上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是雷電多發(fā)地區(qū)，必須配備防雷接地裝置。
2.雷擊對光伏發(fā)電系統(tǒng)的危害
(1)對太陽電池組件的危害。太陽電池板是太陽能發(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。其作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。但其所在位置極易遭受具有強(qiáng)大的脈沖電流、熾熱的高溫、猛烈的電動力的直擊雷的沖擊而導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。
(2)對光伏控制器的危害。光伏控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。當(dāng)系統(tǒng)遭受到雷擊或是過電壓損壞時會出現(xiàn)以下情況。
①充電系統(tǒng)一直充電，放電系統(tǒng)無放電，導(dǎo)致蓄電池一直處于充電狀態(tài)，充電過飽輕則縮短蓄電池使用壽命、容量降低，重則導(dǎo)致蓄電池爆炸，造成對整個系統(tǒng)的損壞和人員傷亡。
②充電系統(tǒng)無充電，放電系統(tǒng)一直處于放電狀態(tài)，蓄電池?zé)o法將電能儲存起來，導(dǎo)致用戶在有太陽光時設(shè)備可正常工作，無太陽光或光線不強(qiáng)時設(shè)備無法工作。
(3)對蓄電池的危害。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用鉛酸蓄電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。當(dāng)系統(tǒng)遭受到雷擊時過電壓入侵到蓄電池時輕則損害蓄電池、縮短電池的使用壽命，重則導(dǎo)致電池爆炸，引起嚴(yán)重的系統(tǒng)故障和人員傷亡。
(4)對逆變器的危害。太陽能的直接輸出電壓要轉(zhuǎn)變?yōu)锳C 220V/AC 380V為電器提供電能，需要將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。如果逆變器損壞將會出現(xiàn)以下情況。
①用戶負(fù)載無電壓輸入，用電設(shè)備無法工作。
②逆變器無法將電壓逆變，導(dǎo)致太陽電池板上的直流電壓直接供負(fù)載使用，如果太陽電池板電壓過高將直接燒毀用電設(shè)備。
3、雷電侵入光伏發(fā)電系統(tǒng)的途徑
(1)地電位反擊電壓通過接地體入侵。雷電擊中避雷針時，在避雷針接地體附近將產(chǎn)生放射狀的電位分布，對靠近它的電子設(shè)備接地體地電位反擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。
(2)由太陽電池方陣的直流輸入線路入侵。這種入侵分為以下兩種情況。
①當(dāng)太陽電池方陣遭到直擊雷打擊時，強(qiáng)雷電電壓將鄰近土壤擊穿或直流輸入線路電纜外皮擊穿，使雷電脈沖侵入光伏系統(tǒng)。
②帶電荷的云對地面放電時，整個光伏方陣像一個大型無數(shù)環(huán)形天線一樣感應(yīng)出上千伏的過電壓，通過直流輸入線路引入，擊壞與線路相連的光伏系統(tǒng)設(shè)備。
(3)由光伏系統(tǒng)的輸出供電線路入侵。供電設(shè)備及供電線路遭受雷擊時，在電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達(dá)上萬伏，并且輸出線還是引入遠(yuǎn)處感應(yīng)雷電的主要因素。雷電脈沖沿電源線侵入光伏微電子設(shè)備及系統(tǒng)，可對系統(tǒng)設(shè)備造成毀滅性的打擊。
4、光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷措施和設(shè)計要求
(1)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)或發(fā)電站建設(shè)地址的選擇，要盡量避免放置在容易遭受雷擊的位置和場合。
(2)盡量避免避雷針的投影落在太陽電池方陣組件上。
(3)根據(jù)現(xiàn)場狀況，可采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等不同防護(hù)措施對直擊雷進(jìn)行防護(hù)，減小雷擊概率，并應(yīng)盡量采用多根均勻布置的引下線將雷擊電流引入地下。多根引下線的分流作用可降低引下線的引線壓降，減少側(cè)擊的危險，并使引下線泄流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度減小。
(4)為防止雷電感應(yīng)，要將整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有金屬物，包括電池組件外框、設(shè)備、機(jī)箱/機(jī)柜外殼、金屬線管等與聯(lián)合接地體等電位連接，并且做到各自獨(dú)立接地。光伏發(fā)電系統(tǒng)等電位連接。
(5)在系統(tǒng)回路上逐級加裝防雷器件，實行多級保護(hù)，使雷擊或開關(guān)浪涌電流經(jīng)過多級防雷器件泄流。一般在光伏發(fā)電系統(tǒng)直流線路部分采用直流電源避雷器，在逆變后的交流線路部分使用交流電源避雷器。避雷器在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
(6)光伏發(fā)電系統(tǒng)的接地類型和要求主要包括以下幾個方面。
①防雷接地。包括避雷針(帶)、引下線、接地體等，要求接地電阻小于10歐姆，并最好考慮單獨(dú)設(shè)置接地體。
②安全保護(hù)接地、工作接地、屏蔽接地。包括光伏電池組件外框、支架，控制器、逆變器、配電柜外殼，蓄電池支架、金屬穿線管外皮及蓄電池、逆變器的中性點等，要求接地電阻小于等于4歐姆。
③當(dāng)安全保護(hù)接地、工作接地、屏蔽接地和防雷接地4種接地共用一組接地裝置時，其接地電阻按其中最小值確定;若防雷已單獨(dú)設(shè)置接地裝置時，其余3種接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻不應(yīng)大于其中最小值。
④條件許可時，防雷接地系統(tǒng)應(yīng)盡量單獨(dú)設(shè)置，不與其他接地系統(tǒng)共用，并保證防雷接地系統(tǒng)的接地體與公用接地體在地下的距離保持在3m以上。
5、接地系統(tǒng)的材料選用
(1)避雷針。
避雷針一般選用直徑12～16mm的圓鋼，如果采用避雷帶，則使用直徑8mm的圓鋼或厚度4mm的扁鋼。避雷針高出被保護(hù)物的高度應(yīng)大于等于避雷針到被保護(hù)物的水平距離，避雷針越高保護(hù)范圍越大。
(2)接地體。
接地體宜采用熱鍍鋅鋼材，其規(guī)格一般為：直徑50mm的鋼管，壁厚不小于3.5mm;50mm×50mm×5mm角鋼或40mmx4mm的扁鋼，長度一般為1.5～2.5m。接地體的埋設(shè)深度為上端離地面0.7m以上，因連接焊接過的部位要重新做防腐防銹處理。
為提高接地效果，也可以使用專用非金屬石墨接地體模塊，這種模塊是一種以非金屬材料為主的接地體，它由導(dǎo)電性、穩(wěn)定性較好的非金屬礦物和電解物質(zhì)組成，這種接地體克服了金屬接地體在酸性和堿性土壤里親和力差且易發(fā)生金屬體表面銹蝕而使接地電阻變化，當(dāng)土壤中有機(jī)物質(zhì)過多時，容易形成金屬體表面被油墨包裹的現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電性和泄流能力減弱的情況。這種接地體增大了本身的散流面積，減少了接地體與土壤之間的接觸電阻，具有強(qiáng)吸濕保濕能力，使其周圍附近的土壤電阻率降低，介電常數(shù)增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強(qiáng)，因而能獲得較小的接地電阻和較長的使用壽命。接地體模塊外形為方形，規(guī)格尺寸一般為500mm×400mm×60mm，引線電極采用90mm×40mm×4mm的鍍鋅扁鋼，重量為20kg左右。接地體可根據(jù)地質(zhì)土壤狀況和接地電阻需要埋入1～5塊。
(3)引下線。
引下線一般使用圓鋼或扁鋼，要優(yōu)先選用圓鋼，直徑不小于8mm;如用扁鋼，截面積應(yīng)不小于4mm2;要求較高的要使用截面積為35mm2的雙層絕緣多股銅線。
(4)專用降阻劑。
接地系統(tǒng)專用降阻劑屬于物理性長效防腐環(huán)保降阻劑，是由高分子吸水材料、電子導(dǎo)電材料、碳基復(fù)合材料結(jié)合而成的樹脂類共生物，具有無毒、無異味、無腐蝕、無污染等優(yōu)點，符合國家優(yōu)質(zhì)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求。其導(dǎo)電能力不受酸、堿、鹽、溫度等變化的影響，具有良好的吸濕、保濕、防凍能力，不會因地下水的存在而產(chǎn)生流失，對土壤電阻率有長期改良作用。在接地系統(tǒng)中使用專用降阻劑可節(jié)約工程成本，降低土壤電阻率，使接地電阻穩(wěn)定，接地系統(tǒng)壽命長久。
(5)接地模塊與降阻劑的用量計算。
根據(jù)地網(wǎng)土層的土壤電阻率，采用下列公式計算接地模塊用量，接地模塊水平埋置，單個模塊接地電阻R=0.068ρ/ ，并聯(lián)后的總接地電阻Rn=r/(nη)。
其中，ρ為土壤電阻率，單位是ω·m;以a、b為接地模塊的長、寬，單位是m;r為單個模塊的接地電阻，單位是ω;rn為總接地電阻，單位是ω;n為接地模塊個數(shù);η為模塊調(diào)整系數(shù)，一般取0.6～0.9。
降阻劑的用量根據(jù)土壤的不同，在接地體上的敷設(shè)厚度應(yīng)在5～15cm之間，接地體水平放置，按每0.5m約6kg的用量使用。
6、避雷器的選型
避雷器也叫電涌保護(hù)器(surgeprotection device，spd)。光伏發(fā)電系統(tǒng)常用避雷器的外形。避雷器內(nèi)部主要由熱感斷路器和金屬氧化物壓敏電阻組成，另外還可以根據(jù)需要同火花放電間隙模塊配合使用。
下面是光伏發(fā)電系統(tǒng)常用避雷器主要技術(shù)參數(shù)的具體說明。
(1)最大持續(xù)工作電壓(uc)：該電壓值表示可允許加在避雷器兩端的最大工頻交流電壓有效值。在這個電壓下，避雷器必須能夠正常工作，不可出現(xiàn)故障。同時，該電壓連續(xù)加載在避雷器上，不會改變避雷器的工作特性。
(2)額定電壓(un)：避雷器正常工作下的電壓。這個電壓可以用直流電壓表示，也可以用正弦交流電壓的有效值來表示。
(3)最大沖擊通流量(umax)：避雷器在不發(fā)生實質(zhì)性破壞的前提下，每線或單模塊對地通過規(guī)定次數(shù)、規(guī)定波形的最大限度的電流峰值數(shù)。最大沖擊通流量一般大于額定放電電流的2.5倍。
(4)額定放電電流(in)：也叫標(biāo)稱放電電流，是指避雷器所能承受的8/20μs雷電流波形的電流峰值。
(5)脈沖沖擊電流(iimp)：在模擬自然界直接雷擊的波形電流(標(biāo)準(zhǔn)的10/350μs雷電流模擬波形)下，避雷器能承受的雷電流的多次沖擊而不發(fā)生損壞的數(shù)值。
(6)殘壓(ures)：雷電放電電流通過避雷器時，其端子間呈現(xiàn)出的電壓值。
(7)額定頻率(fn)：避雷器的正常工作頻率。
在避雷器的具體選型時，除了各項技術(shù)參數(shù)要符合設(shè)計要求外，還要特別考慮下列幾個參數(shù)和功能的選擇。
(1)最大持續(xù)工作電壓(uc)的選擇。
氧化鋅壓敏電阻避雷器的最大持續(xù)工作電壓值(uc)是關(guān)系到避雷器運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。在選擇避雷器的最大持續(xù)工作電壓值時，除了符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)考慮到安裝電網(wǎng)可能出現(xiàn)的正常波動及可能出現(xiàn)的最高持續(xù)故障電壓。例如，在三相交流電源系統(tǒng)中，相線對地線的最高持續(xù)故障電壓有可能達(dá)到額定交流工作電壓220v的1.5倍，即有可能達(dá)到330v。因此在電流不穩(wěn)定的地方，建議選擇電源避雷器的最大持續(xù)工作電壓值大于330v的模塊。
在直流電源系統(tǒng)中，最大持續(xù)工作電壓與正常工作電壓的比例，根據(jù)經(jīng)驗一般取1.5～2。
(2)殘壓(ures)的選擇。
在確定選擇避雷器的殘壓時，單純考慮殘壓值越低越好并不全面，并且容易引起誤導(dǎo)。首先不同產(chǎn)品標(biāo)注的殘壓數(shù)值，必須注明測試電流的大小和波形，才能有一個共同比較的基礎(chǔ)。一般都是以20ka(8/20μs)的測試電流條件下記錄的殘壓值作為避雷器的標(biāo)注值，并進(jìn)行比較。其次對于壓敏電阻避雷器選用殘壓越低時，將意味著最大持續(xù)工作電壓也越低。因此，過分強(qiáng)調(diào)低殘壓，需要付出降低最大持續(xù)工作電壓的代價，其后果是在電壓不穩(wěn)定地區(qū)，避雷器容易因長時間持續(xù)過電壓而頻繁損壞。
在壓敏電阻型避雷器中，選擇最合適的最大持續(xù)工作電壓值和最合適的殘壓值，就如同天平的兩側(cè)，不可傾向任何一邊。根據(jù)經(jīng)驗，殘壓在2kv以下(20ka、8/20μs)，就能對用戶設(shè)備提供足夠的保護(hù)。
(3)報警功能的選擇。
為了監(jiān)測避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)避雷器出現(xiàn)損壞時，能夠通知用戶及時更換損壞的避雷器模塊。避雷器一般都附帶各種方式的損壞指示和報警功能，以適應(yīng)不同環(huán)境的不同要求。
①窗口色塊指示功能：該功能適合有人值守且天天巡查的場所。所謂窗口色塊指示功能就是在每組避雷器上都有一個指示窗口，避雷器正常時，該窗口是綠色;當(dāng)避雷器損壞時，該窗口變?yōu)榧t色，提示用戶及時更換。
②聲光信號報警功能：該功能適合在有人值守的環(huán)境中使用。聲光信號報警裝置是用來檢查避雷模塊工作狀況，并通過聲光信號顯示狀態(tài)的。裝有聲光報警裝置的避雷器始終處于自檢測狀態(tài)，避雷器模塊一旦損壞，控制模塊立刻發(fā)出一個高音高頻報警聲，監(jiān)控模塊上的狀態(tài)顯示燈由綠色變?yōu)殚W爍的紅色。當(dāng)將損壞的模塊更換后，狀態(tài)顯示燈顯示為綠色，表示避雷器模塊正常工作，同時報警聲音關(guān)閉。
③遙信報警功能：遙信報警裝置主要用于對安裝在無人值守或難以檢查位置的避雷器進(jìn)行集中監(jiān)控。帶遙信功能的避雷器都裝有一個監(jiān)控模塊，持續(xù)不斷檢查所有被連接的避雷器模塊的工作狀況，如果某個避雷器模塊出現(xiàn)故障，機(jī)械裝置將向監(jiān)控模塊發(fā)出指令，使監(jiān)控模塊內(nèi)的常開和常閉觸點分別轉(zhuǎn)換為常閉和常開，并將此故障開關(guān)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程有相應(yīng)的顯示或聲音裝置上，觸發(fā)這些裝置工作。
④遙信及電壓監(jiān)控報警功能：遙信及電壓監(jiān)控報警裝置除了具有上述功能外，還能在避雷器運(yùn)行中對加在避雷器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)有任意的電源電壓下降或避雷器后備保護(hù)斷路器(或熔斷器)動作以及避雷器模塊損壞時，遠(yuǎn)距離信號系統(tǒng)均會立即記錄并報告。該裝置主要用于三相電源供電系統(tǒng)。