吴小云，贾 薪，张明珠

(怀化学院机械与光电物理学院，怀化 418000)

0 引言

近年来，随着光伏发电平准化度电成本的不断下降，中国光伏发电已逐步完成了从“补贴示范应用”到“平价上网”的商业化过渡。截至2020年底，中国光伏发电累计装机容量达到252.5 GWp，其中，分布式光伏电站的累计装机容量为78.15 GWp[1]。自2018年光伏补贴政策调整后，分布式光伏电站因具有上网电价高、建设周期快、平准化度电成本低的优势得到了快速发展，其装机容量在总装机容量中的占比也从2016年的13.33%提升到了2020年的30.90%。尤其是采用“自发自用、余电上网”结算方式的工商业彩钢瓦屋面光伏电站，因单体容量大、一次投资成本低和后期运维成本低等优点，已经成为光伏应用的一个重要细分市场。

彩钢瓦屋面光伏电站的光伏组件、组串式逆变器或直流汇流箱等电气设备均安装在彩钢瓦屋面上，容易受到雷击。因此，如果此类光伏电站的防雷措施不当，会造成电气设备损坏，并影响光伏电站的运行，严重的还会引起屋面火灾，从而影响光伏电站所属厂房的正常生产，甚至造成人身安全事故。但过度的防雷措施会增加彩钢瓦屋面光伏电站的建设成本，导致其投资回报率降低。

为了确保彩钢瓦屋面光伏电站的防雷措施安全可靠、经济合理，本文从建筑物的风险评估和防雷分类、直击雷防护、感应雷电磁波防护等几方面对彩钢瓦屋面光伏电站的雷电防护技术进行了研究，可为今后彩钢瓦屋面光伏电站的防雷设计提供参考。

1 雷击的危害

雷击是一种自然现象，主要分为下行雷和上行雷2种类型。彩钢瓦屋面多为工业厂房和仓库等建筑的屋顶，大多数是单层建筑，建筑高度一般不会超过20 m，因此主要需要防范的雷击为下行雷。雷击类型主要包括直接雷击和雷击过电压两大类[2]。

根据所采用逆变器的类型，彩钢瓦屋面光伏电站可以分为集中型彩钢瓦屋面光伏电站和组串型彩钢瓦屋面光伏电站2种。屋面电气设备主要为光伏组件、组串式逆变器或直流汇流箱、光伏支架、电缆等，其中，光伏组件多采用直接沿屋面平铺的方式，光伏组件下边框一般比彩钢瓦屋面高出100 mm左右；组串式逆变器或直流汇流箱一般也安装在屋面，其下边沿高出屋面500 mm左右。

随着光伏发电的商业化发展，近年来对光伏发电系统雷电防护技术的研究日益深入。文献[3]通过实验分析了雷击铝合金边框时对玻璃特性的影响。文献[4-5]通过实验分别对光伏组件感应电压/电流、铝合金阳极氧化膜的绝缘性能进行了具体研究。研究结果表明：雷击在光伏组件边框时，即便光伏方阵回路距离雷击点在2 m以内，10/350 s波形的感应过电压幅值仍然可以达到8.1 kV，大幅超过了回路的耐压水平，极易损坏光伏阵列，在直流汇流箱和组串式逆变器输入端也会产生高达6 kV的感应电压；铝合金阳极氧化膜的直流电压击穿比为50 V/µm，一般光伏组件铝合金边框的阳极氧化膜厚度在15～25 µm之间，因此雷击时，阳极氧化膜极易被击穿，光伏组件铝合金边框的绝缘性能被破坏，此时铝合金边框可以看成导体；自然界中的雷电很难击中玻璃，因此击中铝合金边框后，光伏组件表面的玻璃一般不会破损。

2 彩钢瓦屋面光伏电站的雷电防护技术

根据光伏发电系统是否与建筑同步设计和建设，彩钢瓦屋面光伏电站分为2种，一种是与彩钢瓦屋面建筑一起设计和建造的彩钢瓦屋面光伏电站，另一种是在彩钢瓦屋面建筑投产后再建设的彩钢瓦屋面光伏电站。目前，绝大多数已建或在建的彩钢瓦屋面光伏电站均属于后者，因此，本文着重讨论在已建彩钢瓦屋面建筑上新建光伏电站的屋面电气设备的雷电防护技术。

2.1 建筑物的风险评估和防雷分类

彩钢瓦屋面光伏电站防雷设计的依据主要是GB/T 36963—2018《光伏建筑一体化系统防雷技术规范》[6]、QX/T 263—2015《太阳能光伏系统防雷技术规范》[7]和GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[8]。依据相关规范的要求，彩钢瓦屋面光伏电站的防雷设计需要先确定建筑物的防雷分类，再依据建筑物的防雷分类进行相应的设计和施工。

文献[9]对光电建筑的雷击风险评估进行了详细的研究，并指出GB 50057—2010和GB/T 21714—2015《雷电防护》系列标准中关于建筑物的截收面积的计算方式随着建筑物高度的变化得到的计算结果稍有不同。

综上所述，与彩钢瓦屋面建筑一起设计和建造的彩钢瓦屋面光伏电站依据GB 50057—2010的建筑物防雷分类条款进行防雷分类；而在彩钢瓦屋面建筑投产后再建设的彩钢瓦屋面光伏电站的防雷分类，需要综合考虑建筑的用途和现有防护措施的实际效果，再依据GB 50057—2010的建筑物防雷分类条款进行防雷分类和设计，并按照GB/T 21714.2—2015《雷电防护 第2部分：风险管理》进行雷电风险评估复核[10]。

2.2 屋面电气设备的直击雷防护

GB 50057—2010中规定，除第1类防雷建筑物外，金属屋面宜利用屋面作为接闪器；GB/T 36963—2018和QX/T 263—2015中均规定了有金属边框的光伏组件宜利用金属边框和光伏支架作为接闪器。因此，在第2类、第3类防雷建筑中均可以采用光伏组件边框和光伏支架作为接闪器，光伏支架通过夹具与屋面连接，形成直击雷泄流通道，利用原屋面的直击雷引下线作为光伏电站的直击雷引下线。

屋面电气设备的金属外壳、电缆金属外皮和建筑物金属构件均应接地；每个光伏方阵外围均需要有一个镀锌扁铁网格，用于形成直击雷泄流通道，镀锌扁铁网格满足每个单独光伏方阵2点引出与屋面辅助系统等电位连接即可。

针对处于屋面的直流汇流箱、组串式逆变器，GB 50057—2010中规定当直流汇流箱、组串式逆变器高出彩钢瓦屋面的高度低于300 mm时，可以不用考虑防雷措施。实际工程中，直流汇流箱或组串式逆变器一般高出屋面水平面500 mm左右，但是一般不会超过屋面最高处或女儿墙的高度，因此，依据直流汇流箱、组串式逆变器可以利用其金属外壳作为接闪器的规定，通过截面积为16 mm2的黄、绿双色的铜芯聚氯乙烯绝缘软护套电线(BVR)接到4 mm×40 mm的镀锌扁铁上，再通过镀锌扁铁接至屋面或建筑物主结构；为了安全起见，考虑到女儿墙上有防雷带保护，可以将直流汇流箱或组串式逆变器安装在女儿墙上；另外，考虑到在实际工程中直流汇流箱、组串式逆变器的散热要求、防水性能要求和使用寿命，通常会在直流汇流箱或组串式逆变器上搭建一个金属屋顶，可以将此金属屋顶作为接闪器，然后通过4 mm×40 mm的镀锌扁铁接至屋面或建筑物主结构。

需要特别说明的是，现在的彩钢瓦屋面光伏电站在采用上述防雷措施的情况下还增加了防雷接闪网作为直击雷防护措施，即按照第3类防雷建筑在屋面铺设24 m×16 m或20 m×20 m的镀锌扁铁接闪网。但其实这种做法是完全没有必要的，因为防雷接闪网的高度低于光伏组件的高度，不能起到防直击雷的作用。

第1类防雷建筑需要安装专用的接闪装置进行直击雷防护。接闪装置的设计除需要满足GB 50057—2010的相关规定外，还需要考虑接闪装置对光伏方阵会产生的阴影遮挡影响，最好将接闪装置设置在光伏方阵的正北方向，若不能设置在该方向时，需要保证在冬至日的当地真太阳时09:00～16:00之间接闪装置不会对光伏方阵产生阴影遮挡。

2.3 屋面电气设备的感应雷电磁波防护

感应雷电磁波的防护主要是通过电磁屏蔽、等电位连接和安装电涌保护器(surge protective device，SPD) 3种方式。由于彩钢瓦屋面光伏电站占地面积大且防护设施不能遮挡阳光，因此不能采用物理方式进行电磁屏蔽，在实际工程中，彩钢瓦屋面光伏电站多采用等电位连接和安装SPD这2种方式实现感应雷电磁波的防护。

2.3.1 等电位连接

等电位连接是指将所有屋面新增的独立金属物和电气设备外壳、保护接地直接通过导体连接到屋面等电位连接点。导体材料的截面积应满足GB 50057—2010中第5.1.2款的要求。

由于彩钢瓦屋面在进行电焊明火施工作业时容易引发火灾，因此在施工作业时需要进行严格的防范。在实际工程中，发生过多次由于电焊明火施工作业引发的屋面起火，因此需要尽量避免此种情况。在进行等电位连接时，镀锌扁铁的具体做法需要按照图集02D501-2《等电位联结安装》中的规定，即采用双螺栓连接，螺栓型号为M10 mm×30 mm，搭接长度不小于80 mm，开孔直径为Ø10.5 mm。每一排光伏支架均需进行可靠的电气连接，可以通过直接开孔与镀锌扁铁网格进行螺栓连接，其过渡电阻应小于0.2 Ω，镀锌扁铁网格也需要满足每个单独光伏方阵2点引出与屋面辅助系统等电位连接。

关于光伏组件的保护接地和辅助接地的讨论。由于光伏组件也属于通用的电气设备，随着商业化发展，光伏发电系统的系统电压正在由1000 V逐步过渡到1500 V，并且单块光伏组件的电压也超过了直流36 V的安全电压上限[11]，因此，为了保证安装、维护人员的人身安全，部分光伏组件厂家对光伏组件提出了明确的接地要求。针对光伏组件的接地，现在实际工程中一般有2种做法：一种是光伏方阵内相邻光伏组件之间的边框通过截面积为4 mm2的BVR相连，2点引出与光伏支架相连；另一种是光伏方阵内相邻光伏组件之间的边框通过截面积为6 mm2的BVR相连，2点引出与光伏支架相连。现在很多人认为这2种做法属于等电位连接是存在误解的，事实上这2种做法均不符合GB 50057—2010中规定的等电位连接最小导体截面积的要求，如果是等电位连接，BVR的截面积需要不低于16 mm2。因此笔者认为，这2种做法可以看成是光伏组件的保护接地或无机械保护的辅助接地。

2.3.2 安装SPD

屋面电气设备的感应雷电磁波防护主要是通过安装SPD来实现，SPD正常工作时，其通路相当于刚阻抗断路，当感应雷电磁波随着输入、输出电缆经过SPD时，SPD迅速导通，使感应雷电流通过SPD泄放到大地，并将雷击电压的幅值降低到电气设备能够承受的水平，该水平通常称为保护电压，以达到保护电气设备的作用。保护电压的取值范围介于电气设备的最大工作电压(即光伏组串的最大工作电压)Umax和电气设备的耐受电压之间。

光伏发电系统与其他电气系统不同，由于光伏组件的发电特性，其工作电压随工作温度和太阳辐照度的变化而变化。

电气设备的最大工作电压Umax的计算式为：

式中：n为每串光伏组串中的光伏组件数量；Uoc为标准测试条件(即太阳辐照度为1 kW/m2、光伏组件工作温度为25 ℃)下光伏组件的开路电压；α为光伏组件的温度系数，为负值；Tmin为光伏组件的最低工作温度，一般取项目所在地的历史最低环境温度。

组串式逆变器均为不带隔离的变压器类型，依据GB/T 36963—2018中第5.36款的规定，组串式逆变器交流侧的最大可持续工作电压Uc应满足式(2)的要求：

式中：U为组串式逆变器的交流输出相电压。

直流汇流箱或组串式逆变器中的SPD选型要求具体如表1所示。

表1 SPD的选型要求Table 1 Selection requirements of SPD

光伏方阵负极未接地系统的直流汇流箱或组串式逆变器直流侧需要采用正极对地、正极对负极、负极对地均安装SPD；光伏方阵负极接地系统只需安装正极对地的SPD。组串式逆变器一般采用三相加保护接地线的接线方式，因此交流侧相对相、相对地均需安装SPD。SPD的接线方式及要求需满足GB/T 36963—2018中附录D的要求。SPD连接导体的最小截面积需满足GB/T 36963—2018中表1的规定。

3 结论

本文针对现有建筑防雷设计、光伏电站防雷设计的相关规范和实际工程应用中的通用做法，结合现有技术对彩钢瓦屋面光伏电站中光伏组件、玻璃、铝合金等部件的雷击特性进行了研究，并从建筑物的风险评估和防雷分类、直击雷防护、感应雷电磁波防护等几方面对彩钢瓦屋面光伏电站屋面电气设备的雷电防护技术进行了详细论述，对现行雷电防护措施中的几个误区进行了探讨。随着碳交易市场的开启，彩钢瓦屋面光伏电站的未来市场前景将更为广阔。研究结果对彩钢瓦屋面光伏电站屋面电气设备的雷电防护设计与施工具有一定的指导意义。