屋頂光伏系統大氣過電壓防護措施分析

近年來，太陽能光伏（PV）的應用在全球范圍內顯著增長，多數大型光伏系統設有防雷裝置，并具有過電壓防護措施。但是，一些中小型屋頂光伏系統，包括國際標準提倡的產消式低壓電氣裝置（PEI）中各類小型光伏系統可能不需要設置外部防雷裝置（LPS），對它們進行適當的風險評估非常有必要。因為這將產生一個保護水平，而防雷措施的價格和效率與這一保護水平直接相關。保護過度會造成經濟問題，保護不足則可能造成安全隱患。

建筑物屋頂設置或增加光伏系統一般不會增加或降低雷擊風險，建筑物光伏系統的防雷分類應與所安裝建筑物的防雷分類一致。

在IEC標準中，有3個標準涉及到大氣瞬態過電壓防護，包括如何選擇和安裝電涌保護器（SPD），這3個標準分別是：① GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010《雷電防護 第2部分 風險管理》，它是全面、詳細的建筑物防雷風險評估標準；② GB / T 16895.10 - 2021 / IEC 60364 - 4 - 44：2018《低壓電氣裝置 第4 - 44部分：安全防護 電壓騷擾和電磁騷擾防護》，針對電氣裝置大氣過電壓防護；③ GB / T 16895.32 - 2021 / IEC 60364 - 7 - 712:2017《低壓電氣裝置 第7 - 712部分：特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏(PV)電源系統》，針對光伏直流系統大氣過電壓防護。

建筑物防雷風險評估

GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010針對建筑物的防雷風險，按雷擊點位置分為4種損害源：① S1：雷擊建筑物；② S2：雷擊建筑物附近；③ S3：雷擊線路；④ S4：雷擊線路附近。

造成的風險包括：① 人身傷亡損失風險；② 公眾服務損失風險；③ 文化遺產損失風險；④ 經濟價值損失風險。

根據各類風險分量，計算總的風險，并與標準提出的可容許風險水平（RT）進行比較。當總風險低于可容許風險水平時，無需采取額外的防雷措施；否則，應采取相應防雷措施，直至風險降至可容許風險水平以下。

我國GB 50057 - 2010《建筑物防雷設計規范》主要參照IEC防雷標準修訂，根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果進行防雷分類，第一、二、三類防雷建筑物按防S1和S2雷擊選用SPD。各類防雷建筑物均要求在電源引入處設置SPD，根據絕緣配合要求，還應設置后續的協調配合的SPD。

電氣裝置大氣過電壓風險評估

GB / T 16895.10 - 2021 / IEC 60364 - 4 - 44：2018中的電氣裝置風險評估方法是對GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010的簡化方法，僅考慮“電氣裝置對供配電系統引入，包括直接雷擊供配電系統大氣瞬態過電壓和操作過電壓的防護的要求”，不包括S1、S2和S4威脅。

這種簡化方法只涉及經濟風險，只計算線路上的電涌（感應電涌和直接電涌）。大氣過電壓的風險模型見圖1，大氣過電壓特性取決于如下因素：① 供配電系統的線路敷設(地下或架空）；② 在裝置的供電端上級裝有至少一組SPD的可能性；③ 供配電系統的電壓等級。

不設置防雷裝置時，長距離線纜中的電子部件也會受損。這是因為瞬態電壓和電流會沿著連接電纜傳播，盡管損壞程度可能不如雷擊點附近的電子部件嚴重。此外，瞬態電壓還會導致電子部件性能下降。

對于中小型屋頂光伏系統，僅考慮供配電系統引入的威脅類型具有一定的合理性。由于中壓架空線路的運行距離較長，導線的環路較大，比低壓線路遭遇雷擊的風險更高。中壓線路通過與基礎設施的低壓電源相連，將電涌傳輸進入低壓供電的建筑物內。

這種評估方法采用計算風險水平（CRL）來確定是否需要在裝置入口處安裝SPD。SPD的功能是限制瞬態過電壓，通過SPD的電壓保護水平與被保護設備之間實現絕緣配合，避免被保護設備永久性損壞。

過電壓保護分為兩類：

a. 當可能對以下建筑或設施造成影響時應提供瞬態過電壓防護:① 人身生命相關,例如安全設施、醫療救護設備；② 公共設施和文化遺產,例如公共設施、信息技術(IT)中心、博物館；③ 商業或工業機構,例如酒店、銀行、工業、商業市場、農場。

b. 對于其他情況,應進行風險評估來確定是否需要瞬態過電壓防護。CRL由下式得出:

式中:f_env —— 環境系數,農村和郊區環境與市區環境取值差異與環境內建筑物的密度有關，其取值如表1所示；

  L_p —— 風險評估長度，km，計算見式（2）；

  N_g —— 對電力線路及其連接建筑物的地區雷擊大地密度，次數 / (km²·a)。

總長度（L_PAL + L_PCL + L_PAH + L_PCH）限值為1 km，當線路長度超過1 km時，電涌將減弱，超過的部分不再有危害。其中，L_PAL是最重要的參數，因為低壓架空線路會比地下低壓電纜承受更多的直接沖擊和感應電涌。此外，高壓架空線路也容易受到多次雷擊，但由于與高壓 / 低壓變壓器相連，低壓線路的傳導電涌會減少80 %。這就解釋了L_p公式中每條線路長度所使用系數的差別。

若CRL ≥ 1 000,不需設置大氣瞬態過電壓防護。

若CRL ＜ 1 000,則需要設置大氣瞬態過電壓防護。

根據逆變器與電氣裝置電源引入點之間的距離，在逆變器交流側通常仍需要設置后續的SPD防護。

計算風險水平（CRL）示例

以某中壓架空線路供電市區環境的建筑物為例，其地閃密度Ng = 2.5次 / (km²·a)，環境系數f_env = 850,L_PAL取0.1 km；L_PCL取0.2 km；L_PAH取0.1 km；L_PCH取0.6 km。

風險評估長度：

建筑物電源引入處應設置SPD進行過電壓防護。