ｃ毫Ｌ馋电潦技术 ２０１１年３月２５日第２８卷第２期 Ｍａｒ．２５，２０ｌ１，ＶｏＬ ２８ Ｎｏ．２ 文章编号：１００９—３６６４（２０１ １）０２—００１３—０６ ｊ灞黼爱 大规模光伏电站的防雷评估及雷击风险管理 张杰，胡嫒媛 （国网电力科学研究院，湖北武汉４３００７４） 摘要：对大规模光伏电站户外场的雷击感应电压原理进行分析，确定雷电电流波的数学模型，推导雷电冲击电流产 生的瞬态电磁场分布。计算了单个光伏电池板上的感应电压，对金属边框和背面铝箔屏蔽层的影响因素进行分析，并通 过有限元方法得到相应的衰减因子，计算出了有和没有金属边框这两种情况下的光伏电池板的雷击感应电压。最后给出 整个光伏电池串的感应电压的计算方法，计算结果证实上述方法的可行性和有效性。 关键词：雷击；感应电压；光伏电站；电磁场计算；雷电流模型 中图分类号：ＴＫ２２８ 文献标识码：Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｌａｎｔ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ，ＨＵ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ （Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｌａｎｔ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ＰＶ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｒａｍｅ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｆｏｉｌ ｏｎ ｂａｃｋｓｉｄｅ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ＰＶ ｓｔｒｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉ— ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｉｎｇ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ；ＰＶ ｐｌａｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｉｉｇｈｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ０ 引 言 早在１９９０￣１９９３年，国外就已开始光伏电站雷击 感应过电压的研究，并使用大电流的冲击电流源（ 近年来，随着大规模光伏电站的不断建设和投入 ≤１（）０ ｋＡ，ｄｉ／ｄｔ≤５０ ｋＡ／／，ｓ）对光伏电池板（面积为 运行，光伏户外场的防雷问题得到日益广泛的重视。 ５０ ｃｍ×４０ ｃｍ）进行模拟雷击感应过电压试验。试验 例如，一个１００ Ｍｗ级的大规模光伏电站的光伏阵列 表明，光伏电池板的金属边框产生的雷击感应电流可 户外场占地面积一般达二十多平方公里，在如此大的 以降低光伏电池板的伏安特性，而且这种情况对于无 空旷暴露区域，雷击危害越来越成为光伏发电系统重 边框的光伏电池板更加严重＿１ ］。到了１９９８～２０００ 要的事故隐患。其雷击感应过电压不仅损害光伏电池 年，欧洲建成了更强大的冲击电流发生装置，并借此对 阵列，而且往往经过直流输出电缆传递到光伏并网逆 更大面积的光伏电池阵列重复了更大电流的雷击试 变器的端口，引起的冲击电压可能会对逆变器造成危 验¨３ ］。试验结果进一步验证了之前的结论。 害。 尽管欧洲进行较多的光伏电站模拟雷击试验，并 一般而言，光伏变电站的雷电危害主要有直击雷、 给出了一些非常有成效的防雷措施和方法，但就光伏 雷击感应过电压、地电位反击和静电感应这几种。由 电站雷击现象的计算和仿真却相对较少，特别是雷击 于光伏电池板一般比较低，不超过几米，静电感应产生 感应过电压的计算。光伏电站发生雷击时产生的雷电 的过电压危害比较小，一般情况下可以忽略。依照现 冲击电流伴随着相应的瞬态强磁场，在电池串的模块 有的防雷接地标准和技术规范下进行合理的等电位接 内部和外部连接环内产生很强的感应电压，危害整个 地，雷击产生的地电位反击危害可以得到很大的控制， 光伏系统的安全。 不至于损坏光伏并网逆变器。不仅仅光伏电池板的直 本文对光伏电站户外场的雷击产生的电磁脉冲感 击雷可以产生雷击感应过电压，而且云层的雷电和雷 应过电压以及雷电波人侵进行仿真计算研究。首先建 击大地均会产生雷击过电压。相对于直击雷而言，雷 立雷电电流波的数学模型，根据雷电流的特征参数推 击感应过电压产生的机率更大，危害也会更严重。 出雷电流的数学表达式，得到雷电冲击电流产生的瞬 态电磁场分布。计算单个光伏电池板上的雷击感应电 压，在此基础上考虑金属边框和背面铝制屏蔽层的影 收稿日期：２０１０－０９ １３ 作者简介：张 杰（１９７９一），男，湖北武汉人，博士，研究方向为 响，并通过有限元分析方法得到金属边框的衰减因子， 电力电子变换器及其控制。 分别计算出带金属边框和不带金属边框的光伏电池板 胡媛媛（１９８２一），女，硕士，研究方向为电力系统自动化。 雷击感应电压大小。将计算数据和试验数据进行对 ・ １３’ 通缱电凉技术 ２０１１年３月２５日第２８卷第２期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２５，２０１ １，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．２ 比，证实上述分析计算方法的可行性和有效性。以雷 电冲击电流在单个光伏电池板的电磁场感应电压分析 为基础，计算不同雷击点时整个光伏阵列串产生的最 大感应电压，并给出光伏电池串雷击感应电压，以及雷 又没有明显的积分式。为了克服上述困难，有人提出 用如下的脉冲函数形式来拟合雷电流的电流波形。 ｒ ０， ￡＜０ 电波危害的防雷措施。 ‘ 一｛ 卜ｅｘｐ（－ｔ￣ｒ１）］ｎｅｘｐ（－ｔ／ｒ２），￡≥０ Ｌ （３） １ 雷电流波形及特征参数 雷电流的数学模型是研究雷电的重要内容之一。 由于雷电的产生具有很大的随机性，且与地质结构、土 作为计算雷击感应过电压的雷电冲击电流，其感 应电压的大小往往和雷电流的电流上升率相关，因此 较陡的波头上升沿将更直接影响到闭合回路感应电压 的大小。 壤电阻率等有很大关系。通过雷电流波形可以得到有 关雷电流的特征参数，如峰值电流、电流上升率、峰值 根据建筑物防雷设计规范国家标准ＧＢ５００５７— 时间、半峰值时间等。 （１）峰值电流：典型值为２０ ｋＡ左右，变化范围为 ２ ｋＡｙ２００ ｋＡ； （２）电流上升率：典型值为１０ ｋＡ／￣ｓ左右，变化 范围为１ ｋＡ～１０ ｋＡ／／￣ｓ； （３）峰值时间：典型值为２ ｙｓ左右，变化范围为１ ～３０ ｓ； （４）半峰值时间：典型值为４０ Ｓ左右，变化范围 为１０￣２５０ ｔＬｓ。 针对上述雷电流特征，本文分析了三种雷电流数 学模型，如双指数函数形式、Ｈｅｉｄｌｅｒ函数（ＩＥＣ推荐雷 电流解析表达式）和脉冲函数形式。为了便于进行电 磁场分析计算，本文还采用了一种简化的雷电流电磁 场分析形式。 ２雷电流的数学表达形式 为了进一步对雷电进行预测，用简单的雷电流数 学表达式来描述典型的雷电流波形。 （１）双指数函数形式 ｒ ０，ｔ＜０ （ｏ， ）一｛Ｉ【 Ｏ（ｅ－￣ｒ—ｅ－Ｐ ｒ）， ≥０ （ ） 式中，峰值时间ｔ ＝Ｉｎ（／？／ａ）／（』９一ａ）；峰值电流， ＝ （Ｐ‘一 一Ｐｃ一 《 ）。如果 ａ和 确定，根据式 （１）可以作出雷电流波形图。 （２）Ｈｅｉｄｌｅｒ函数形式 国际电工委员会（ＩＥＣ）在ＩＥＣ １３１２—１中规定供分 析用的雷电流解析表达式如式（２）所示，适用于首次雷 击和后续雷击的雷电流。 ｉ（ｏ，￡）一（ ）（＿ ，７ ｌ十 ） 专 （２） 式中， 为峰值电流，呀为峰值电流修正系数，取７１￣．１， ｋ ＝ ／ ，，２为电流陡度因子，取 ＝１０。 （３）脉冲函数形式 在利用上述两种数学形式的雷电流模型进行电磁 场计算分析时，都涉及到复杂的重积分运算。双指数 函数在ｔ＝０时没有连续的一阶导数，而Ｈｅｉｄｌｅｒ函数 １９９４选取ｌＯ／３５ｏ ｓ的雷电流波形作为首次雷击雷电 流Ｊｆ（如图１），选取０．２５／１００ ｙｓ的雷电流波形作为首 次以后雷击的雷电流Ｊ （如图２）。 图１ 首次雷击的雷电流波形图 咖 咖 为了进一步简化雷电流的数学表达形式，根据 ＩＥＣ ６２３０５—４的雷击电流规定，将首次雷击雷电流 产生的磁场Ｈｆ表征为频率２５ ｋＨｚ，最大值ＨＲ ｘ】的 衰减振荡场，后续雷击电流Ｊ 产生的磁场Ｈ 表征为 频率１ ＭＨｚ，最大值Ｈ ）的衰减振荡场。其首次以 后雷击的雷电流模型表达式为： ｉ （ ）一， ｓｉｎ（￣） （４） 图２首次以后雷击的雷电流波形图 ３单个光伏电池板上的雷击感应电压 大规模光伏电站户外场一般为ＬＰＺ０ 区或 ＬＰＺ０ｅ区，其雷击点往往在避雷针或光伏电池板边框 处。假设雷电流为垂直于地面的的无限长直导体通以 时变电流 （￡），首先将电流 投影到沿电池板平面， 如图３所示，则雷电流沿电池板平面的电流分量Ｊ 为 通缱电．潦技术 ２（）１１年３月２５日第２８卷第２期 ｚｔ（￡）一Ｉ ｓｉｎ（０） 张杰等： 大规模光伏电站的防雷 评估及雷击风险管理 （５） Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２５，２０１１，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．２ 折算后雷电流在光伏电池板上产生的等效结构如 图３所示。此时，垂直于光伏电池板的磁感应强度Ｂ Ｉ－ｉｎ（（１＋ ）ｎｎ 凡（１＋急） ２ （１＋ ）凡以 一）］ （９） 式中，三个导线框的高度分别为ｂ ＝ｂ２＝ｂ，＝ｂ。，且导 （￡）为 Ｂ（ ）： （６） 对光伏电池板的磁感应强度Ｂ（ ）进行积分，可以 得到如图３（ｂ）所示导线框的磁通量，并推出感应电压 为 一…ｒ＋ｂｆ Ｙ ｌ ｄＬｒｄｙ 一 １ｎ（ ） （７） Ｅ（ｒ 一 ＝＝＝ ｌｎ（ ）ｃＯｓ（ （８） （ａ）电流分量 （ｂ）导线框模型 （ ）感应电压图３雷击光伏电池板示意图 对于固定式光伏电池阵列而言，其雷击点往往在 光伏电池板的顶部。对典型光伏电池板进行建立等效 电路模型，对光伏电池板内部包含的各个导线框进行 相应的感应电压计算，然后得到整个光伏电池板的出 口处感应电压。， 由图４所示，光伏电池板由多块太阳能电池硅片 串联组合而成，其端口感应电压可以近似等于光伏电 池板包围的三个等效导线框产生的感应电压之和。为 了简化计算，将三个等效导线框等效为以中心对称的 一个等面积的导线框，可以得到端口输出的电压。 图４光伏电池板的内部等效面积 ｕ —Ｅ ＋Ｅ。＋Ｅ据一 丛 ｃ。ｓ（“） 线框距雷击点的距离分别为ｈ ＝ｒ（］＋（１／２＋ ）ｈ ＋ ｉＨ…忽略乘积的高次项，则有 ≈ 。 （ ） －［ｉｎ（１＋ ｂｏ ＋ ＋ ｂｏ）］ （１ｏ） ｎ１ ， 凡 在ｎｅｕ￣＞ｈＰｕ的前提下，三个导线框产生的感应电 压可以由一个居中的等面积的导线框产生的感应电压 得出，即 Ｕｍ≈ ｃ。ｓ（“）１－１ｎ（１＋ ）］ （１１） 从上述分析可以看出，雷击感应电压的大小正比 于雷电流幅值和电流变化率，并且与光伏电池板的摆 放角度有关。与雷击电流方向垂直的光伏电池板的感 应电压为零，与雷击电流方向平行时，光伏电池板的感 应电压最大。 ４ 金属边框的衰减因子分析及其它影响因素 为了防止水的渗透，光伏电池板往往采用铝合金 框架进行封装，并且一般均采用金属边框接地的方式 减小直击雷和雷击电磁场产生的感应过电压。在这种 情况下闭合的金属边框会产生感应短路电流，从而减 小导线框的内部磁场强度和感应电压。金属边框的感 应短路电流大小由闭合回路的感应电压以及相应的回 路电抗决定，其回路电抗包括回路阻抗和回路感抗，金 属边框的数学模型如图５所示。 在上述计算分析的基础上建立如图５所示的金属 边框模型，假定雷电流为通以雷击冲击电流 的无限 长直导体时，与金属边框之间的互感系数为 Ｍ一 ｌｎ（ ） （１２） 当通电导体为有限长度时，电流产生的磁感应强 度为 ） 。 Ｚ 有限长导体与金属边框的互感系数为 通毪电碌技术 ２０１１年３月２５日第２８卷第２期 Ｔｄｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２５，２０１ １，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．２ ｆ ４－ ４－ ］ … Ｍ一 ！２ ： １ ｌｚｃ…Ｉ舌＋ 垒。：：ｒ—－＋—－ｂ ｌ ｊ （１４） 通过计算，在上述光伏电池板参数条件下，垂直地 面的雷电冲击电流在光伏电池板金属边框内感应出 ３６６ Ａ的环流电流。 金属边框的环流电流可以减小光伏电池板导线框 的内部磁场，然而这种影响很难通过数学解析的方法 会使得光伏电池串电压端口输出电压略有升高，不过 与电池板瞬态感应电压相比可以忽略不计。 ４．３邻近光伏模块的金属边框影响 在相同的条件下，特定光伏电池板的感应电压还 受到附近光伏电池板金属边框环流电流的影响。与光 伏电池板自身金属边框环流电流的影响不同，邻近光 伏电池板的金属边框中产生的环流电流会起到感应电 压增强的作用。实验测量到光伏阵列中的感应电压一 般是单个光伏电池板感应电压的两倍。 ４．４光伏模块的承压耐受能力 进行推导。因此，本文采用有限元方法分析金属边框 对输出感应电压的影响。为了对比无金属边框和有金 属边框对不同光伏电池板的影响，本文定义光伏电池 板的边框衰减因子尺ｒ为两者感应电压的比值，边框衰 减因子Ｒ 决定于光伏电池板的类型以及模块与雷击 电流之间的距离。 ＲＦ—ＥＷＦｆＥＦ （１５） 通过有限元仿真软件Ａｎｓｏｆｔ的仿真有金属边框 和无金属边框的光伏电池板，在相同的雷点冲击电流 （２０ ｋＡ峰值电流和２０ ｋＨｚ频率）下，计算距雷击点１ Ｉｎ 外的光伏电池板端口感应电压的峰值分别为４２ Ｖ和 １１ Ｖ，其边框衰减因子为３．８左右。 国外已对光伏电池板的边框衰减因子进行过大量 的试验研究，结果表明，金属边框能对光伏电池的感应 雷击电压产生明显的降低作用，其典型值为３～５之 间。某些采用内部补偿边框太阳能组件的光伏电池板 的边框衰减因子更低，一般为普通光伏电池板的边框 衰减因子的一半。 光伏电池板的雷击感应电压除了受上述因素的影 响外，以下几种因素也会对其产生影响。 ４．１电池板背面铝箔 为了进一步降低光伏电池的感应电压，本文考虑 了太阳能电池组件背面铝箔对感应电压的影响。从国 外在背面铝箔对感应电压衰减情况的研究数据可以看 出，铝箔的使用可以将在同等条件下的感应电压衰减 到１／３￣１／２，即衰减因子为２～３。同时，铝箔会导致 太阳能电池组件降低冲击电压耐受能力，因此往往在 铝箔和金属边框之间留有足够的绝缘距离保证光伏电 池组件的冲击电压耐受水平。 ４．２旁路二极管 在阴雨天气或阴影遮挡情况下，光伏电池板的直 流输出能力会急剧下降，往往采用旁路二极管的办法 来保证光伏电池串的电压输出。当承受过大的反向过 压或瞬态电流时，旁路二极管可能发生损坏并短路，多 路光伏电池串并联会使得这种情况更加危险。目前的 光伏电池板往往采用反向耐受电压为１ ０００ Ｖ以上的 旁路二极管，另外光伏电池串的并联过电流保护装置 也会被采用。同时，反向承压的旁路二极管的结电容 普通光伏电池板往往由若干光伏电池组件构成， 每个光伏电池组件又是由若干光伏电池单元串联而 成，如图６所示。尽管每个光伏电池硅晶单元能提供 不超过０．５～１．２ Ｖ的电压，其耐受电压也受硅晶ＰＮ 结最高耐受电压的，因此光伏电池组件的耐受电 压也随着硅晶串联单元级数而增大。以西门子太阳能 电池模块ＳＭ５５为例，由３６个单晶硅单元组成两个单 元串联结构（额定输出１７ Ｖ／５５ Ｗ），能够承受的最大 系统电压为１ ０００ Ｖ／ＩＳＰＲＡ和６００ ｖ／ＵＬ１７０３。 图６光伏电池硅晶单元及串联结构示意图 由上述多个光伏电池组件串联而成的光伏电池板 的最大耐受系统电压可达好几千伏。另外，光伏电池 板的雷击感应电压同时还受光伏硅晶单元的连接方式 影响，通过硅晶单元连接方式的改变使得内部不同导 线框产生的感应电压极性相反，从而大大降低光伏电 池板的端口感应过电压输出。 ４．５整体衰减因子 综合上述光伏电池板电磁感应电压的各种影响因 素，可以得到光伏电池板的整体衰减因子Ｒ Ｒｚ—ＲＦＲＡｌＲＰｕ （１６） 式中， 为金属边框衰减因子；Ｒ －为背面铝箔衰减因 子，ＲＰＵ为光伏电池板单元连接及其他综合影响因子。 其中，无补偿绕组的光伏电池板衰减因子ＲＰＵ可以近 似等于１。 光伏电池板的各衰减因子会产生相关影响，因此 在很多场合其整体衰减因子完全等于式（１６）所示的各 衰减因子乘积。经试验验证，仅仅金属边框的普通光 伏电池板整体衰减因子为３～５，背面铝箔的光伏电池 逸缝电．潦 】｜： 张杰等：大规模光伏电站的防雷 评估及雷击风险管理 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２５，２０１１，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．２ ２０１１年３月２５日第２８卷第２期 板的整体衰减因子可达７～１０。如果考虑到单元连接 方式补偿的影响，电池板的整体衰减因子可以再乘以 １．５～２倍的系数。 ５光伏系统的感应电压计算 典型的单晶硅多晶硅的光伏电池板（１ ６４０ ｍｍＸ ９９０ ｒａｍ）由６０块太阳能电池硅片串联而成，每块太阳 能电池大小为１５６ ｍｍ×１５６ １ＴＩＩＴＩ。光伏电池板的外框 为金属边框，金属边框和内部太阳能电池硅片之问的 距离为２５ ｍｍ。根据上面光伏电池板参数，分别以 １００ ｋＡ，１０／３５０ ｓ和２５ ｋＡ，０．２５／１００ ｓ的标准雷电 冲击电流源计算无金属边框的单块光伏电池板的雷击 感应电压值，其数值计算结果如图７所示。 ／ ／ ／ ／ 蔷一８０ Ｌ——－Ｊ——— ．＝—— ｔ／ｓ （ｂ） 图７感应雷击电压波形及与距离之间关系 可以看出，光伏电池板最大感应电压出现在雷击 初始时刻，其幅值由最大雷击电流上升率决定。其中， 带金属边框和不带金属边框的光伏电池板的雷击感应 电压的计算值和测量值如表１所示。 表１ 不同距离的光伏电池板感应电压／Ｖ ＼ｄｉ／ｄ 测量值（Ｖ） 计算值（Ｖ） ！ 二 巫二巫 ｓ／ｍ ￡ ｒＬ￡ ｆ． ｎ ｆ ｒＬ￡ ￡ ｒＬ￡ ￡ ｒＬ￡ ０ ７．９ ４０．８ １２．４ ５５．７ ２４７ １１１４ ４９５ ２２２８ ２４７６ １１１４０ ０．５ ３．１ １４．８ ３．８ １６．９ ７５ ３３８ １５０ ６７６ ７５１ ３３８１ １．５ １．５ ６．９ ２．２ １０ ４４．６ ２０１ ８９．３ ４０１ ４４６ ２００９ ２．０ ０．８ ３．５ １．６ ７．２ ３１．８ １４３ ６３．５ ２８６ ３１８ １４３０ １０．０ ／ ／０．３ １．３ ５．７ ２５．５ １１．３ ５１ ５６．７ ２５５ （注：ｆ．表示带金属边框的情况；ｎ．ｆ．表示无金属边框的情 况；金属边框和内部环的尺寸为：ｃＲ＝９８０Ⅲｌ，ｂＲ ７－．４４５ ｍｍ，ｌｓ ＝９６０ ｉｇｌｍ，ｂｓ＝１０７．５ ｍｍ） 从表１相同条件下的试验结果和计算结果的对比 可以看出，本文对不同距离光伏电池板的感应电压计 算结果与试验数据能较好的吻合，从而验证了雷击感 应电压计算方法的准确性和有效性。基于本文关于感 应电压计算公式，表１还对不同电流上升率的雷击感 应电压进行计算，预测不同电流变化率下的光伏电池 板感应电压。考虑到光伏电池板的实际耐受电压水平 受串联硅晶和旁路二极管耐压水平的，一般超过 ２ ０００ Ｖ，由表１可以看出，雷击点距离边框０．５ ｍ以 上产生的雷击感应电压一般不会对光伏电池板产生直 接的感应电压损害。而更远处电池板的感应电压则随 着距离增大而进一步降低，其感应电压影响可以忽略 不计。 除了各光伏电池板感应电压之和，如图８所示的 光伏阵列串产生的感应电压还应该包括光伏电池串连 接电缆包围面积产生的感应电压。 ：：竺！ 二： 『／ｌ鹾 石苗］ Ｌ……………一ｉ田口口口口田 Ｌ……．．．．．．．．……一』 图８光伏电池阵列排布方式 ６结论 大规模光伏电站户外场的雷击危害，比传统的建 筑物防雷有更大的危害和不同点。与直击雷相比，感 应雷不仅仅来源于雷击边框，而且对大地和避雷针等 产生的雷击电流也会产生很强的电磁场和雷击感应电 压，此外云层间放电也会产生一定的感应电压。 建立雷电流模型，对现有光伏电池板进行参数分 析，给出光伏电池板模型，计算不同雷击距离下光伏电 池板感应的雷击过电压大小。对光伏电池板的感应电 压影响因素和相应的感应电压衰减因子进行分析，综 合评估光伏电池板的整体衰减因子。以国外感应电压 试验数据为基础，给出相同条件下的计算值，其对比结 果证明了计算方法的有效性和准确性。可以看出，金 属边框和背面铝箔屏蔽等措施能大大降低光伏电池板 的感应电压。同时，雷击点与光伏电池板的距离对感 应电压有着很大的影响，距离超过１ ｍ之外的感应电 压影响可以忽略不计。 参考文献： ［１］Ｈａｂｅｒｌｉｎ Ｈ，Ｍｉｎｋｎｅｒ Ｒ．Ｔｅｓｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｗｉｔｈｓｔａｎｄ ｃａ— ｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ａｔ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＺｎＯ－ｓｕｒｇｅ－ａｒｒｅｓｅｒｓ Ｉｔ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １７‘ ＥＣ－ＰＶ－Ｃｏｎｆ．，Ｍｏｎｔｒｅｕｘ，１９９２． ［２］Ｈａｂｅｒｌｉｎ Ｈ，Ｍｉｎｋｎｅｒ Ｒ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＶ－ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １ ２ ＥＣ＿Ｐｖ＿ Ｃｏｎｆ．，Ａｍａｓｔｅｒｄａｍ，１ ９９４． ［３］ Ｖｅｒｈｏｅｖｅｎ Ｓ Ａ Ｍ．Ｉ ｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｎ ａ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇｒｏｕｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］．Ｐｒｏｅ．ｏｆ １２ ＥＣ～ＰＶ－Ｃｏｎｆ．，Ａｍａｓｔｅｒｄａｍ，１９９４． Ｅ４］Ｖｅｒｈｏｅｖｅｎ Ｓ Ａ Ｍ，Ｐｅｔｔｉｎｇａ Ｊ Ａ Ｊ．Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔ— ａｇｅｓ ｉｎ ａ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇｒｏｕｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｃ］．Ｐｒｏｅ．ｏｆ １３ Ｅ（：一ＰＶ－（ ｎｆ．，Ｎｉｃｅ，１９９５． ・ １７・ 通绣电潦技术 ２０１１年３月２５日第２８卷第２期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｇ，Ｊｕｎｅ ２００５：１７—２２． Ｍａｒ．２５，２０１ １，Ｖｏ１． 旦ＮＱ ［５］ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．８０－２０００．ＩＥＥＥ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｉｎ ＡＣ ｓｕｂｓｔａ— ｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ［ｓ］．２０００． ［６］ＤＬ／Ｔ ６２０—１９９７．交流电气装置的过电压保护和绝缘配 合［ｓ］．１９９７． ［１６］Ｓｔｅｒｎ Ｈ Ｊ，Ｋａｒｎｅｒ Ｈ Ｃ，Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄ ＥＭＣ ｐｈｅｎｏｍ－ ｅｎａ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｍａ— ｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，Ａｕｇｕｓｔ １９９３：４４２ ４４６． Ｉ－７］ＤＬ／Ｔ ６２１—１９９７．交流电气装置的接地［Ｓ］．１９９７． ［８］ＩＥＣ Ｓｔｄ．６２３０５—２００６．Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ｓ］． ２００６． ［１ ７］Ｈａｂｅｒｌｉｎ Ｈ．Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ［９］ＧＢ／Ｔ ５００５７—１９９４（２０００）．建筑物防雷设计规范［ｓ］． ２０００． ａｒｒａｙｓｒＣ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １ ７ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ Ｓｏｌａｒ Ｅｎ— ｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ，Ｏｃｔ ２００１：２３４３— ２３４６． ［１０］ｓＪ／Ｔ １Ｉ１２７—１９９７．光伏（ＰＶ）发电系统过电压保护一导 则［Ｓ］．１９９７． ｒ１８］Ｎｏｅｌ Ｇ Ｔ，Ｃａｒｍｉｃｈａｅｌ Ｄ Ｃ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｓ】 １１１２７—１９９７．Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌａｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｒｒａｙ ｆｉｅｌｄｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ （ＰＶ）ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｒｅｍ－－Ｇｕｉｄｅ［ｓ］．１ ９９７． Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８５，１０４（５）： ［１１］ＧＢ／Ｔ ２００４７－－２００６／ＩＥＣ ６１７３０：２００４．光伏（ＰＶ）组件安 １００５—１０１１． 全鉴定［Ｓ］．２００６． ［１９］电线电缆手册编委会．电线电缆手册（第２册）［Ｍ］．北 ＧＢ／Ｔ ２００４７－－２００６／ＩＥＣ ６１７３０：２００４．Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ） 京：机械工业出版社，２００２． ｍｏｄｕｌｅ ｓａｆｅｔｙ ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｓ］．２００６． ［２０］王巨峰，齐冲，车诒颖，范李莉．雷电流最大陡度及幅值的 ［１２］ＧＢ／Ｔ １８４７９－－２００１／ＩＥＣ ６１２７７：１９９５．地面用光伏（ＰＶ） 频率分布［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（３）：１０６—１１０． 发电系统概述和导则［ｓ］．２００１． ［２１］陈家宏，童雪芳，谷山强，李晓岚．雷电定位系统测量的雷 ＧＢ／Ｔ １８４７９－－２００１／ＩＥＣ ６１２７７：１９９５．Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｐｈｏｔｏ— 电流幅值分布特征［Ｊ］．高电压技术，２００８，３４（９）：１８９３— ｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｇｅｎｅｒａｌ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ １８９７． ［Ｓ］．２００１． ［２２］陈维贤．电网过电压教程［Ｍ］．北京：中国电力出版社， ［１３］Ｊｅｓｕｓ Ｃ Ｈ，Ｐｅｄｒｏ Ｇ Ｖ，Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ Ｊ．Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｒｇｅ １９９６． ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ［２３］Ｈａｂｅｒｌｉｎ Ｈ，Ｍｉｎｋｎｅｒ Ｒ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００８，２３（４）：１９６１—１９７１． ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ［－Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １２ ＥＵ ＰＶ ｏＣｎ— ［１４］邰兴峰，刘宏，黄海金．太阳能光伏电站防雷安全性的计 ｆｅｒｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９９４． 算机模拟分析［Ｊ］．青海科技，２００７，１４（５）：７１—７４． ［２４］Ｖｅｒｈｏｅｖｅｎ Ｓ Ａ Ｍ Ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎ－ ［１５］Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ Ｊ Ｃ，Ｖｉｄａｌ Ｆ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ ｔＯ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｎ ａ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｏｃｋ ｉｎ ＰＶ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ［ｃ］． ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １ ２ ＥＵ ＰＶ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ａｍｓｔｅｒ— Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｅｅｔ— ｄａｍ．１９９４． 配电变压器市场需求量有望强劲增涨 随着我国”节能降耗”的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪音、智能化的配电变压器产品。目前在网运行的部分高能耗 配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。 要实现电源与电网的平衡，我国仍须提高电网的输配电能力，使之与电源规模相匹配。可见未来几年，电网建设和城乡配电网改造 仍是我国电力工业的首要任务，配电变压器的市场需求量有望保持较强劲的增涨。 油浸式配电变压器按损耗性能分为ｓ９、Ｓ１１、￥１３系列，相比之下Ｓ１１系列变压器的空载损耗比Ｓ９系列低２Ｏ／００，Ｓ１３系列变压 器的空载损耗比ｓ１１系列低２５ 。目前国家电网公司已经广泛使用ｓ１１系列配电变压器，并正在城网改造中逐步推广￥１３系列， 未来一段时间Ｓ１ １、Ｓ１３系列油浸式配电变压器将完全取代现有在网运行的ｓ９系列。 尽管我国配电变压器行业竞争激烈，但对具有新技术、新材料、新工艺的生产企业来说机遇大于挑战。在国家产业和”节 能降耗”的推动下，行业内规模较小、技术研发能力较弱的企业将面临淘汰，具备节能型、低噪音、智能化配电变压器产品研发和生 产能力的企业将进一步扩大市场份额，未来市场前景广阔。 非晶合金变压器兼具了节能性和经济性，其显著特点是空载损耗很低，仅为ｓ９系列油浸式变压器的２０ 左右，符合国家产业 和电网节能降耗的要求，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网等负载率较低的地方。尽管国家 早于２００５年开始鼓励和推广非晶合金变压器，但受制于原材料非晶合金带材产能不足的制约，我国非晶合金变压器一直未进行大 规模生产。目前在网运行使用的非晶合金变压器占配电变压器的比重仅为７ ～８ ，全国范围内仅上海、江苏、浙江等地区大批量 采用非晶合金变压器。随着安泰科技非晶合金带材生产线的达产，原材料制约问题得以解决，未来５—１０年非晶合金变压器将在全 国范围内得到推广使用，市场潜力巨大。 （文章来源于：电源在线网） ・１８・
