屋顶光伏系统大气过电压防护措施分析

近年来，太阳能光伏（PV）的应用在全球范围内显著增长，多数大型光伏系统设有防雷装置，并具有过电压防护措施。但是，一些中小型屋顶光伏系统，包括国际标准提倡的产消式低压电气装置（PEI）中各类小型光伏系统可能不需要设置外部防雷装置（LPS），对它们进行适当的风险评估非常有必要。因为这将产生一个保护水平，而防雷措施的价格和效率与这一保护水平直接相关。保护过度会造成经济问题，保护不足则可能造成安全隐患。

建筑物屋顶设置或增加光伏系统一般不会增加或降低雷击风险，建筑物光伏系统的防雷分类应与所安装建筑物的防雷分类一致。

在IEC标准中，有3个标准涉及到大气瞬态过电压防护，包括如何选择和安装电涌保护器（SPD），这3个标准分别是：① GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010《雷电防护 第2部分 风险管理》，它是全面、详细的建筑物防雷风险评估标准；② GB / T 16895.10 - 2021 / IEC 60364 - 4 - 44：2018《低压电气装置 第4 - 44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》，针对电气装置大气过电压防护；③ GB / T 16895.32 - 2021 / IEC 60364 - 7 - 712:2017《低压电气装置 第7 - 712部分：特殊装置或场所的要求 太阳能光伏(PV)电源系统》，针对光伏直流系统大气过电压防护。

建筑物防雷风险评估

GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010针对建筑物的防雷风险，按雷击点位置分为4种损害源：① S1：雷击建筑物；② S2：雷击建筑物附近；③ S3：雷击线路；④ S4：雷击线路附近。

造成的风险包括：① 人身伤亡损失风险；② 公众服务损失风险；③ 文化遗产损失风险；④ 经济价值损失风险。

根据各类风险分量，计算总的风险，并与标准提出的可容许风险水平（RT）进行比较。当总风险低于可容许风险水平时，无需采取额外的防雷措施；否则，应采取相应防雷措施，直至风险降至可容许风险水平以下。

我国GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》主要参照IEC防雷标准修订，根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果进行防雷分类，第一、二、三类防雷建筑物按防S1和S2雷击选用SPD。各类防雷建筑物均要求在电源引入处设置SPD，根据绝缘配合要求，还应设置后续的协调配合的SPD。

电气装置大气过电压风险评估

GB / T 16895.10 - 2021 / IEC 60364 - 4 - 44：2018中的电气装置风险评估方法是对GB / T 21714.2 - 2015 / IEC 62305 - 2：2010的简化方法，仅考虑“电气装置对供配电系统引入，包括直接雷击供配电系统大气瞬态过电压和操作过电压的防护的要求”，不包括S1、S2和S4威胁。

这种简化方法只涉及经济风险，只计算线路上的电涌（感应电涌和直接电涌）。大气过电压的风险模型见图1，大气过电压特性取决于如下因素：① 供配电系统的线路敷设(地下或架空）；② 在装置的供电端上级装有至少一组SPD的可能性；③ 供配电系统的电压等级。

不设置防雷装置时，长距离线缆中的电子部件也会受损。这是因为瞬态电压和电流会沿着连接电缆传播，尽管损坏程度可能不如雷击点附近的电子部件严重。此外，瞬态电压还会导致电子部件性能下降。

对于中小型屋顶光伏系统，仅考虑供配电系统引入的威胁类型具有一定的合理性。由于中压架空线路的运行距离较长，导线的环路较大，比低压线路遭遇雷击的风险更高。中压线路通过与基础设施的低压电源相连，将电涌传输进入低压供电的建筑物内。

这种评估方法采用计算风险水平（CRL）来确定是否需要在装置入口处安装SPD。SPD的功能是限制瞬态过电压，通过SPD的电压保护水平与被保护设备之间实现绝缘配合，避免被保护设备永久性损坏。

过电压保护分为两类：

a. 当可能对以下建筑或设施造成影响时应提供瞬态过电压防护:① 人身生命相关,例如安全设施、医疗救护设备；② 公共设施和文化遗产,例如公共设施、信息技术(IT)中心、博物馆；③ 商业或工业机构,例如酒店、银行、工业、商业市场、农场。

b. 对于其他情况,应进行风险评估来确定是否需要瞬态过电压防护。CRL由下式得出:

式中:f_env —— 环境系数,农村和郊区环境与市区环境取值差异与环境内建筑物的密度有关，其取值如表1所示；

  L_p —— 风险评估长度，km，计算见式（2）；

  N_g —— 对电力线路及其连接建筑物的地区雷击大地密度，次数 / (km²·a)。

总长度（L_PAL + L_PCL + L_PAH + L_PCH）限值为1 km，当线路长度超过1 km时，电涌将减弱，超过的部分不再有危害。其中，L_PAL是最重要的参数，因为低压架空线路会比地下低压电缆承受更多的直接冲击和感应电涌。此外，高压架空线路也容易受到多次雷击，但由于与高压 / 低压变压器相连，低压线路的传导电涌会减少80 %。这就解释了L_p公式中每条线路长度所使用系数的差别。

若CRL ≥ 1 000,不需设置大气瞬态过电压防护。

若CRL ＜ 1 000,则需要设置大气瞬态过电压防护。

根据逆变器与电气装置电源引入点之间的距离，在逆变器交流侧通常仍需要设置后续的SPD防护。

计算风险水平（CRL）示例

以某中压架空线路供电市区环境的建筑物为例，其地闪密度Ng = 2.5次 / (km²·a)，环境系数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。

风险评估长度：

建筑物电源引入处应设置SPD进行过电压防护。