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光伏系统的防雷保护
Christos A. Christodoulou1
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Lambros Ekonomou2Ioannis F. Gonos3Nick P. Papanikolaou1
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收到日期：2015年10月9日/接受日期：2015年11月3日/在线发布日期：2015年12月23日
copy;Springer-Verlag柏林海德堡2015
摘要为保证系统不间断运行，避免设备故障和损坏，光伏设备的防雷保护具有重要意义。大气放电影响光伏发电机及其安装的正常运行，也涉及敏感的电子设备。确定防雷需求和评估风险管理分析的性能是第一步，以便采取适当的雷电防护措施。目前工作的范围是总结基本的雷电防护技术，并考虑到标准，国际文献和常规做法。本文讨论了风险管理，外部和内部防雷系统，设备特性选择和接地系统。
关键词光伏·闪电·浪涌保护装置· 感应过电压· 接地
B Lambros Ekonomou lambros.ekonomou.1@city.ac
- 色雷斯德谟克利特大学电气与计算机工程系，Kimmeria大学校园，671 00 克桑西，希腊
- 伦敦城市大学电气与电子工程系，伦敦北安普敦广场，伦敦EC1V 0HB，英国
- 雅典国立技术大学电气与计算机工程学院9 Iroon Politechniou St.，Zografou校区，157 80雅典，希腊
介绍
光伏（PV）系统由于其张开的表面以及在广阔地区的安装位置而易受直接或间接大气放电的影响，这会导致设备损坏和故障，并妨碍其正常运行。 与传统电力系统相比，典型的光伏安装布局较大，因此雷击的概率较高。 光伏安装包括许多小截面导线（交汇处的输入和输出电缆，太阳能电池组件的金属框架和支架，建筑物的接地系统，闪电终端等），它们是基本载体的能量，同时还有主要的电磁干扰耦合通道[1].
尽管光伏系统面临雷击损坏的风险，但许多光伏电站并未受到雷电保护，而设计师忽略或低估了浪涌保护的需求[2]。缺少防雷系统可能会导致光伏设备关键机电部件的明显破坏和损坏; 请注意，有时损害的成本会超过防雷系统（LPS）实施的成本。 而且，对闪电现象的防护不足会增加光伏发电系统投资回报的时间[3]。 因此，建议考虑技术经济平衡的保护措施[4]。 出于这些原因，设计和建立合适的LPS是必要的，以防止过电压的发展并限制潜在雷击的影响。 但是，由于感应耦合，通过LPS部件的雷电电流仍可能影响光伏系统，因此只有避免闪电附着到未受保护的设备部分是不够的。 因此，建议光伏系统的战略布置和尽可能屏蔽导电系统[5]。 在任何情况下，遵守国家和国际标准都很重要，以保证保护措施的有效性，从而确保设施的安全运行和所提供能源的质量[6].
各种研究已经在理论上（通过使用适当的模拟工具）进行了研究[1,2,5,7–10]或通过实验（通过实验室或现场测量和测试）[11–17]光伏系统的防雷性能。 在[7]讨论了针对提高整个系统雷电性能的预防措施的动态防雷保护。 在[1]在考虑雷击点，雷电流幅度，建筑物高度，土壤电阻率以及太阳能电池阵列与外部之间的距离的影响的情况下，对屋顶光伏系统中发生雷电过电压保护系统进行灵敏度分析。 在[2]已经制定了一个适当的计算机程序来决定是否需要在光伏系统中安装防雷装置; 计算机程序可以通过使用保护角度方法来设计如何安装避雷针。 在[8将两个不同的外部LPS安装到两个不同的PV技术发电厂系统进行比较。 根据总能量和能量产量比较各系统性能。 作者强调通过安装LPS来减少雷电损坏对发电厂光伏系统的重要性，并强调闪电极阴影在光伏组件上的作用，以增加太阳能电池温度并减少发电量。 研究人员在[9]根据风险分析结果和保护成本估算雷电放电引起的过电压，并评估实际需要的防雷措施。 在[5]雷电对光伏系统的影响直接关系到该区域的等角电平和建筑物的高度，同时也为在高等斜视区域的光伏电池板屋顶适当设计空气终端系统提出了建议。 在[10]作者实现了广义修正的网格电流法，以建立一个时间多端口模型的细线系统，用于闪电瞬态仿真，适用于有和没有外部LPS的光伏发电系统。 在[11]研究人员介绍了在实际兆瓦级光伏电站中测量由浪涌发生器注入的雷电瞬态电流对直流过电压保护系统的影响期间的经验。 在[17]考虑到PV阵列中闪电感应的电压瞬变，监测两个PV阵列的端子处的电压。 在[12]规模的实验室测试和几何精确的仿真模型，试图评估长直流布线环路上的感应过电压。在[13]研究雷电冲击电压对PV模块功率输出的影响。 在[14]，在一种多晶硅PV模块上进行了标准雷电冲击电压的实验，并对其暗IV特性曲线和I-V特性进行了比较。 在[15]建立了一个具有PV面板混凝土基础的雷电浪涌分析模型并进行了实验验证。 基础模型用于对全尺寸光伏系统内的直流配电系统进行建模，并使用时域有限差分（FDTD）方法评估浪涌保护器件（SPD）所需的电流承受能力。 在雷击期间造成的PV面板损坏在[16].
目前的工作涉及光伏安装防雷系统的设计。它强调各种浪涌保护器件的协调配合，总结出充分有效研究光伏防雷性能的基本程序。它所提出的设计技术包括风险管理，雷电保护区（LPZ）的分离，内部和外部LPS，电气特性的选择，浪涌保护设备（SPD）的有效布置和接地系统，根据现行标准，同时考虑国际研究成果和常见做法。
PV安装过压
光伏系统在可再生能源技术中发挥着重要作用，因为它们是环保，无污染和可靠的电源[18–21]。 光伏技术的应用涉及独立和并网系统[18,22]。 闪电是造成各种光伏系统故障，损坏和中断的主要原因。 直接和间接闪电可能会损坏光伏组件和设备（逆变器，电缆，电池[22]，电路板等）。 直接闪电击中PV的基本元素或在外部防雷系统（LPS）导致绝缘击穿和接地电位升高。 此外，雷击会在闪光通道或/和导体周围产生磁场，从而在设备的所有布线环路中产生浪涌[19].
后果的规模取决于：
-
- 结构的特点，
- LPS，
- 闪电的特性，并且，
- 闪电的位置被击中。
根据 [23]由于雷电流引起的预期损害的来源区分如下：闪烁到PV（S1），在PV（S2）附近闪烁，闪烁到连接到PV（S3）的服务并在服务附近闪烁连接到PV（S4）。 因此，发展出来的过电压会导致三种基本类型的损坏，即由于触摸和阶跃电压（D1），物理损伤（D2）以及由于雷电电磁冲击（LEMP）引起的电气和电子系统故障 （D3）[23]。 单独或与他人相结合的上述损害的每种类型可能产生不同的间接损失，即人命损失（L1），公众服务丧失（L2），文化遗产损失（L3）以及丧失经济价值（L4）[23,24].
风险管理
为了减少前面提到的损耗（L1，L2，L3，L4），应检查光伏防雷系统的必要性。 确定防雷需求和防雷系统的设计是根据风险管理程序进行的，如[3,24]。 风险R是可能的年均损失值。 对于每种类型的损失（L1 L4），对应于一种风险，即人类生命损失风险（R1），公众服务丧失风险（R2），文化遗产风险（R3）和风险损失的经济价值（R4）。 每种风险是根据损失的来源和类型对不同风险成分RX（其中XA，B，C，M，U，V，W，Z）进行分组的总和[24]。 根据以下公式计算每个风险成分RA，RB，RC，RM，RU，RV，RW和RZ
=
minus;
RX= NX·PX·LX (1)
其中：
NX是每年发生危险事件的次数，
PX是结构损坏的概率，LX是随之而来的损失。
NX取决于地面闪光密度和物体的等效收集面积，并考虑物体物理特性的修正因子。 PX由表格[24]，考虑到各种情况。 LX取决于人员数量及其在危险场所停留的时间，向公众提供的服务的类型和重要性以及受损害影响的货物的价值[19,24].
S1
LPZ0A
S3
LPZ1
S4
LPZ0B
S2
LPZ2
图1住宅光伏设备的防雷区
数字1 介绍住宅光伏防雷区（LPZ）; 保护措施如LPS，磁屏蔽和电涌保护器（SPD）确定上述区域。 LPZ0A受到直接雷击和全电磁场的威胁，而LPZ0B受到直接击中保护，并且仅受非衰减电场的危害。 在LPZ1,2,...n中，浪涌电流由于共享和SPD的安装而受到限制; 另外，空间屏蔽可能会减弱雷电电磁场[24].
外部和内部防雷系统
风险管理分析确定了光伏设施的保护需求。 如果需要防雷保护，必须根据[防雷等级]定义适当的防雷等级（LPL）[24,25]。 这些LPL直接等同于LPS的类别[23]。 根据可能的最小和最大雷电流参数，即峰值电流（kA），短冲程充电量（C），比能量（MJ / Q）和陡度（kA /mu;s），IEC 62305-1定义了四种LPL。 最大值用于设计防雷组件，因为最小值用于接闪器系统的位置。
LPS包含外部和内部部件; 外部LPS旨在拦截直接闪电到PV装置，并将雷电流分散到大地中，而不会造成热损伤或机械损伤，也不会引起火灾或爆炸的危险火花[25,26]。 外部LPS由接闪系统，引下线系统和接地终端系统组成。 保护角度，滚球和网格法是设计外部LPS的常用方法，所有PV设备都应包含
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