在全球能源转型的大背景下，光伏产业作为可再生能源领域的重要组成部分，正经历着飞速的发展。中国石化提出了发展“油气氢电服”的战略，利用其库站分布广泛的优势，在库站屋顶新建光伏设施。然而，随着库站屋顶光伏系统的广泛安装，其防雷问题逐渐成为关注的焦点。由于光伏系统通常由大量的金属框架、支架和电气设备构成，这些金属结构在雷电天气中极易成为引雷的目标。根据雷电灾害统计报告，光伏系统安装后，建筑物遭受雷击的事故率较传统建筑增加了20%~30%。在一些雷电频发区域，这一比例甚至更高。因此，制定一套针对屋顶光伏系统的防雷标准和防护体系，已经成为光伏产业发展中迫切需要解决的关键问题。

• 雷电对光伏的危害

        雷电的危害类型主要分为直击雷、感应雷和雷电波侵入三种形式。

        直击雷是雷电直接击中物体的放电现象。其能量高度集中，具有极强的破坏力。在实验室模拟的条件下，直击雷的能量密度可以达到3×10^6 J/m²。如此巨大的能量，能在瞬间产生极高的温度，导致物体的物理结构发生剧烈变化。对于光伏组件而言，直击雷可能导致组件的半导体材料瞬间熔化，造成内部电路短路，进而使整个光伏组件完全损坏。在一些雷电频发区域的实际案例中，许多光伏电站因遭受直击雷的攻击，大量光伏组件被烧毁，造成了巨大的经济损失。

        感应雷则是通过电磁耦合的方式对设备产生影响。当雷电发生时，会在周围空间产生迅速变化的强磁场。这个磁场会在附近的导线上感应出电动势，从而产生过电压。实验数据表明，感应雷通过电磁耦合在导线中产生的过电压通常在10~50kV之间。对于光伏系统中的逆变器等电子设备来说，这种过电压可能超过其内部电子元件的耐压极限，导致元件损坏。许多光伏电站在雷电天气后出现逆变器故障。经检查发现，很大一部分原因是感应雷产生的过电压对逆变器内部的电路板、芯片等关键部件造成损坏。

v雷电波侵入是指雷击时产生的电磁脉冲通过电源线或信号线进入电子设备内部的现象。当雷电击中附近的输电线路或通信线路时，会产生强大的电磁脉冲。这些脉冲会沿着线路迅速传播，侵入到与之相连的光伏系统设备中。由于雷电波的传播速度极快且携带的能量巨大，一旦侵入设备就可能引发设备的绝缘击穿。例如，在某些情况下，雷电波侵入会导致光伏系统中的电缆绝缘层被击穿，从而引发短路故障，不仅损坏设备而且引发火灾等更严重的事故。

• 光伏系统的电气特性

        运行过程中，光伏系统展现出独特的电气特性。这些特性与雷电防护紧密相关，对建筑物原有的防雷体系产生了显著影响。

        在光照条件下，光伏板会产生直流电场。这是其光电转换的关键原理之一。当光伏板的开路电压达到600V时，会在周围形成一个局部电离区。这个电离区的存在会干扰避雷带周围的电荷分布，导致避雷带原本均匀的电场发生畸变。

        避雷带的主要功能是通过其金属导体将雷电引导至大地，以保护建筑物免受雷击。然而，光伏板直流电场的干扰会使避雷带与周围空间的电场分布变得复杂，从而降低避雷带对雷电的引导效率，增加雷击的风险。

        作为光伏系统的重要支撑结构，金属支架在雷电防护中扮演着关键角色。金属支架通常具有一定的等效电感，其值在0.5~1.2μH/m之间。

        当雷电发生时，雷电流会通过金属支架传导。由于电感的存在，雷电流在支架中的传播会受到阻碍，导致电流路径发生畸变。这种畸变会使得雷电流不能按照预期的路径顺利导入大地，从而增加了雷电对光伏系统和建筑物的损害风险。

        例如，雷电流可能在支架的某些部位产生局部过热现象，导致支架损坏甚至引发火灾。此外，金属支架与避雷带之间的电气连接至关重要。如果连接不当，就会进一步加剧雷电流路径的畸变，增加防雷的难度。

• 光伏对防雷的影响

        引雷风险量化分析

        安装光伏板后，引雷风险显著上升。其中，支架的高度和材质是两个关键因素。依据滚球法的计算原理，当一个以规定半径（第二类防雷建筑物滚球半径为45米）的球体沿需要防止击雷的部位滚动时，如果球体仅触及接闪器或接闪器与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位可以得到接闪器的保护。实际应用中，随着光伏支架高度的提升，其超出避雷带保护范围的部分增多，引雷概率随之增加。研究数据揭示，支架高度每增加1米，引雷概率提高17%。例如，在某些光伏电站中，支架高度从原本的1.5米提升至2.5米后，在雷电季节该区域的雷击次数显著增加，比之前增加了近20%。这充分证实了支架高度对引雷概率的显著影响。

        支架材质的导电性亦对引雷风险产生重要影响。以铝合金支架和混凝土支架为例，铝合金具有优秀的导电性。其雷击电流密度是混凝土的2~3倍。在浙江金华发生的一起雷击事故中，安装铝合金支架的光伏系统遭受雷击后，支架迅速传导雷电流，导致部分光伏组件因瞬间过电流而烧毁。同时，雷电流的热效应使得支架与组件的连接部位出现熔化现象，造成严重的经济损失。而邻近采用混凝土支架的光伏系统，尽管受到了雷电影响，但由于混凝土导电性较差，雷电流的传导相对缓慢，系统的受损程度明显较轻。这一案例直观展示了不同材质支架在雷击时的差异，凸显了铝合金支架因高导电性而带来的更高引雷风险。

        电磁干扰效应

        在光伏系统中，电磁干扰是一个不可忽视的问题，主要表现为共地干扰和耦合干扰两种形式。当光伏系统的逆变器接地与避雷带共地时，雷电流通过接地网会产生强烈的地电位梯度。在实验室模拟环境下，当雷电流幅值达到50kA时，接地网产生的地电位梯度可达100~300V/m。如此高的地电位梯度会在接地线上产生较大的电压降，导致设备的参考电位发生波动。对于逆变器等电子设备而言，这种电位波动可能使其内部的电子元件在异常状态下工作，从而引发设备的误动作。在实际的光伏电站运行中，就曾出现过因共地干扰导致逆变器频繁重启、数据传输错误等问题，严重影响了光伏系统的正常运行。

        耦合干扰主要发生在逆变器与避雷带间距较小时。当逆变器与避雷带的间距小于10米时，避雷带在雷电作用下产生的强电磁场会与逆变器相互耦合。海口项目的测试数据显示，在这种情况下，逆变器周围的电磁场强度超过100V/m。强电磁场会在逆变器的电路中感应出电动势，产生额外的电流和电压。这些干扰信号可能干扰逆变器的正常控制信号，导致逆变器的输出电压和电流出现波动，影响光伏发电效率。此外，长期处于强电磁场的干扰环境下，可能加速逆变器内部电子元件老化，缩短设备使用寿命。

        防雷系统优化

        在屋顶光伏系统的防雷设计中，空间布局优化至关重要。合理的布局能显著降低雷击风险，并提升防雷系统效能。依据相关标准和实践经验，采用20m×20m的避雷网格是一种科学合理的设计方案。这种网格尺寸在确保防雷效果的同时，能兼顾工程成本和施工难度。在实际应用中，应确保支架高度严格控制在避雷带0.5米以下。这是因为支架高度超出避雷带过多时会显著增加引雷风险。

        接地系统升级是防雷体系的重要组成部分，对于确保光伏系统的安全运行起到至关重要的作用。采用复合接地体是提升接地系统性能的有效措施之一。具体而言，使用地下接地网搭配膨润土降阻剂，能够显著降低接地电阻。钢结构的接地网具有较高的强度，膨润土降阻剂则可以改善土壤的导电性能。两者结合，可使接地电阻稳定保持在<4Ω的理想范围内。

        智能避雷系统是一种集成了先进传感器技术和智能控制算法的主动防护设备。该系统集成了雷电预警传感器，能够实时监测大气电场、磁场等参数的变化。当检测到雷电即将来临的信号时，系统会提前一段时间启动旁路保护，从而主动消除雷电积聚的电荷。此外，动态接地补偿技术通过晶闸管调节接地阻抗，实现雷电流的平衡分布。当雷击发生时，雷电流的分布往往不均匀，可能导致部分设备承受过高的电流冲击。动态接地补偿技术能够根据雷电流的实时变化，自动调节接地阻抗，使雷电流在各个接地路径上均匀分布。

        优化设备安装避雷措施。一方面，选用多级浪涌保护作为设备防护措施。在光伏系统的直流侧，采用高电流的SPD（浪涌保护器），能够有效抑制雷电产生的瞬间过电压和过电流。在交流侧配置40kA模块，进一步对交流电进行浪涌防护。另一方面，屏蔽电缆技术是提高设备防护能力的重要手段。使用双层屏蔽铠装电缆，其屏蔽效能可达80dB以上。这种电缆能够有效阻挡外界电磁场的干扰，保护内部信号的稳定传输。

        光伏防雷标准构建

        随着光伏产业的蓬勃发展，建立健全的防雷标准体系已经成为保障光伏系统安全稳定运行的关键。现行的《建筑物防雷设计规范》（GB50057）在指导建筑物防雷设计方面发挥了重要的作用。但随着光伏建筑一体化的兴起，该规范在应对光伏建筑防雷问题时存在着一定的局限性。因此，迫切需要对GB50057进行修订，增加专门针对光伏建筑防雷的条款。这些条款应涵盖光伏系统的各个组成部分，包括光伏组件、支架、逆变器等，明确规定其防雷设计要求、安装规范，以及与建筑物原有防雷系统的连接方式。通过完善规范内容，为光伏建筑防雷设计提供更具针对性和可操作性的指导，确保光伏系统在雷电环境下的安全性。

        制定《光伏发电站防雷技术规范》（NB/T 32004）的补充标准，也是十分必要的。在补充标准中，应明确规定支架接地电阻的具体数值，将其控制在≤2Ω，以确保雷电流能够迅速有效地导入大地。此外，应详细说明不同类型光伏系统的防雷措施，如分布式光伏系统、集中式光伏电站等，针对其特点制定相应的防雷方案。

        对于多雷区和高雷区的光伏项目，应提出更高的防雷要求，增加避雷带的密度、提高避雷针的高度等，以增强防雷的效果。通过建立完善的标准体系，规范光伏建筑防雷设计与施工，降低雷击风险，促进光伏产业的健康发展。

        技术发展方向

        纳米复合涂层技术作为一种前沿的防雷技术，展现出了广阔的应用潜力。通过在光伏玻璃表面施加纳米复合涂层，可以赋予光伏玻璃卓越的防雷特性。这种涂层通常由纳米级导电材料与绝缘材料复合而成，能够在不损害光伏玻璃透光性的前提下，显著提升其导电性能和抗雷击能力。

        当雷电击中光伏玻璃时，纳米复合涂层能迅速将雷电流分散至整个玻璃表面，防止局部过热和损坏。研究显示，应用了纳米复合涂层的光伏玻璃，其抗雷击能力可提升3至5倍，显著增强了光伏系统的防雷安全性。此外，纳米复合涂层展现出卓越的耐候性和自清洁能力，能在恶劣的户外环境中长期稳定运行，降低维护成本。

        智能监测系统的引入，将使光伏系统的防雷性能得到实时的评估与优化。该系统融合了电场传感器、磁场传感器等多种传感器，能够实时监测光伏系统周围的电磁场变化。一旦检测到雷电即将来临的征兆，系统就会自动触发预警机制，并利用AI算法对防雷性能进行评估。根据评估结果，系统能够自动调整防雷措施。例如，启动备用接地线路、增强避雷带的保护效果等，确保光伏系统在雷电天气中的安全运行。

        在实际应用中，智能监测系统能与光伏系统的监控中心实现数据共享，使运维人员能够及时掌握系统的防雷状态，并提前采取防范措施。通过智能监测系统的应用，能够实现对光伏系统防雷性能的动态监测与优化，提高了防雷的智能化水平。

        构建光伏—建筑—雷电的多物理场耦合模型，是未来防雷技术研究的关键方向。该模型将综合考虑光伏系统、建筑物和雷电的物理特性，通过数值模拟技术，深入探究它们之间的相互作用机制。在模型中，将详细模拟雷电的放电过程、雷电流在光伏系统和建筑物中的传播路径、电磁场的分布变化等。通过这些物理过程的精确模拟，可以准确评估不同防雷设计方案的效果，为防雷设计提供科学依据。利用多物理场耦合模型，可以优化避雷带的布局、确定接地电阻的最佳值、评估不同材料的防雷性能等。该模型可以预测雷电对光伏系统和建筑物可能造成的损害，提前制定相应的防护措施，提高防雷设计的可靠性和有效性。

责任编辑：曲绍楠