分布式屋顶光伏雷击事故原因分析

王 瑛 黄鹏程

上海电力设计院有限公司

0 引言

分布式屋顶光伏项目是一种将太阳能光伏发电系统建设于建筑屋顶上并且将发电系统接入公共电网，与公共电网一起为附近用户供电的新型的发电和能源综合利用项目[1]。

近年来，分布式屋顶光伏项目如雨后春笋般爆发性增长，随之而来的专门适用分布式屋顶光伏项目的运行、维护、定期安全检测的方案，还有待时间检验。据统计，已投产分布式屋顶光伏项目遭受雷击的事故时有发生。

本文就一多雷地区的屋顶光伏项目的雷击事故进行事故原因分析并进行经验总结，工程规模较为典型，可以为后续类似项目的设计、施工、建造提供借鉴。

1 现有屋顶光伏的防雷措施

屋顶式光伏发电站主要由太阳电池板、控制器、逆变器和蓄电池等构成[2]。如图1所示。

图1 简易屋顶光伏发电系统示意图

对于一般的屋顶式光伏发电系统，自然雷电等对其危害途径主要有雷电直击、高电位反击、电磁感应耦合三种[3-6]。

雷电直击：雷电直接击于建（构）筑物、光伏组件装置上，产生电效应、热效应和机械力者。

高电位反击：当屋顶光伏安装外部防雷装置时，一旦外部防雷系统遭受雷击，外部防雷装置因电位抬高与光伏组件间发生电弧闪络。

电磁感应：当雷击外部接闪装置或光伏阵列边框上，强大的瞬变电磁场会在电缆导体回路中感应产生很高的电势[7]。

目前，屋顶光伏电站的雷电防护防雷措施包括由接闪带、引下线、接地装置组成的直击雷防护措施和屏蔽、等电位连接、安装SPD 等闪电电磁脉冲防护措施[8]。

所有电气装置中，可能由于绝缘损坏而带电的电气装置的金属部分均应有保护接地，因此，在光伏场区及配电间内应接地的部分包括：所有电气设备及其它电器的金属底座和外壳；逆变器、并网综合柜的框架；交直流电力电缆接头的金属外壳、电缆的金属外皮和配线的钢管。图2 为屋顶光伏发电系统防雷保护系统示意图。

图2 屋顶光伏发电系统防雷保护系统示意图

2 项目概况

本文介绍的屋顶光伏雷击事故发生在宁波地区，该项目地点区域所在环境多年极端温度为-5．5～+38．6 ℃，海拔高度＜100 m，地震烈度为6 C，多年平均相对湿度79%，污秽等级E 级，爬电比距3．1 cm/kV。

本屋顶分布式光伏电站项目规模约370 kWp，共设有两个厂房屋顶光伏场（以下简称为1#厂房光伏场和2#厂房光伏场）。2 处屋顶光伏场共设有4 台8 进1 出的交流汇流箱、24 台15 kW 组串式逆变器、1 台10 kW 组串式逆变器以及4 台无线通讯管理终端。电量通过交流汇流箱汇集后并入厂区原有的400 V 母线配电柜后接入系统电网，为整个园区供电，余电不上网。屋面光伏场布置如图3、图4 所示。

图3 1#厂房光伏场屋面图

图4 2#厂房光伏场屋面图

3 雷击事故发生及认定

在2017 年8 月的一天，该屋顶光伏场所在地发生雷雨天气，引发了光伏电池雷击事故。

根据图5 所示，该地区2017 年8 月气象台发布的雷暴日表，由图可推出该地区的年平均雷暴日数约为40．0 日，属于多雷地区。事故发生时，该地区雷电活动强烈。

事故发生在该项目的2#厂房光伏场，该光伏场区共设置了7 台15 kW 组串式逆变器（以下命名为19#～25#逆变器），分别通过ZA-YJV23-0．6/1-4×6 mm2的电缆接入交流汇流箱（现场为4#交流汇流箱），汇集到汇流箱后通过ZA-YJV23-0．6/1-3×120+2×70 mm2的电缆引下最后接入到配电房400 V 开关柜内。这7 台组串式逆变器的485 通讯口经通讯线缆并接后引入无线通讯管理终端（现场为4#无线通讯管理终端）。每台逆变器的直流侧接入4 串光伏组件，4#无线通讯管理终端电源线与其中1串（以下简称A 串）光伏组件通过2 进1 出接线端子并接入逆变器直流输入侧，如图6所示。

事故发生前各设备运行情况良好，多年运行未发现任何故障。考虑到电站场址区域可能发生盐雾等工况，设备招标生产已按照逆变器能满足在当地环境条件下长期、安全、可靠运行的条件设计生产。

图5 宁波市2017年8月天气详情

图6 19#～25#逆变器（已拆除送检）、4#交流汇流箱、4#无线通讯箱并排安装于屋顶

2017 年8 月雷击事故发生，之后运行人员在该站后台监控中心发现后台监视器上显示多台逆变器突然失去信号。项目单位立即组织相关运行人员到现场排查，发现2#厂房光伏电站的第19#～22#、24#、25#共6 台15 kW 组串式逆变器已发生事故脱网。项目单位立即联系并组织厂家、设计等技术人员火速赶往现场检查事故发生情况。

当天经技术人员初步勘查，发现2#厂房光伏场屋面上总计有2 台无线通讯管理终端、6 台逆变器、A 串光伏组件中的11 块光伏板、逆变器直流侧及通讯侧部分线缆及接线端子发生雷击击穿故障；进一步发现1#厂房光伏电站屋面上总计有1 台无线通讯管理终端发生故障，其中2 台逆变器黑屏、3 台逆变器报无电网故障、1 台逆变器报母线不均压故障，初步检查发现有11 块光伏组件接线盒有明显的击穿现象。之后经逐步排查并测量光伏组件的开路电压，最终确认被击穿光伏组件共计64 块，事故造成光伏厂区设备财产损失巨大。

图7 发生事故的无线通讯箱（含无线通讯管理终端）

4 事故原因分析

事故发生在2017 年8 月的宁波，事故发生前该地区经过多日雷阵雨天气，根据当地当时的气象条件、事故后各个设备元器件的损坏情况及现场技术人员的测量数据分析，发现此次事故的主要直接原因是由屋面无线通讯管理终端遭受直击雷或感应雷造成，如图7所示。

屋面无线通讯管理终端在经过直击雷或者经过多次雷电、电能量积聚后，2 个厂房光伏场屋面上的4 台无线通讯管理终端由于竣工时未可靠接地，导致其中的3 台设备发生雷击故障损坏，并进一步造成光伏场区其他设备如光伏组件、逆变器等事故损坏。其雷电波侵入时过电压传递途径如下：

1）部分感应雷能量通过电源线缆侵入到光伏组件，导致光伏组件接线盒直接烧损。

2）剩余的一些感应雷能量则通过通讯线缆侵入到了7 台逆变器通讯芯片，雷电过电压经过组串式逆变器的控制芯片和驱动芯片后，又侵入逆变器交流侧，再反窜入其余交流侧并联的逆变器，最终导致其中6 台逆变器（如图8 所示接线图）内通讯芯片、IGBT 模块、液晶电源变压器、交流滤波电抗器等各个元器件发生不同程度的击穿损坏。

5 事故后应急措施

当组串式逆变器发生雷击跳闸脱网事故后，所在项目单位立即组织运行人员对设备进行外观检查，并在第一时间积极组织相关专业人员检查并分析事故原因。在对现场设备进行紧急处理后，立即更换了3 台发生直击雷故障的无线通讯管理终端，并根据设备损坏的程度进行鉴定，对5台事故故障的组串式逆变器返厂检修，将1 台故障的逆变器送至第三方机构检验。待设备检修合格并安装完成后，对现场无线通讯管理终端设备及其他所有带金属设备按照设备标准进行可靠接地，并实测其接地电阻，使接地电阻满足不大于4Ω，并对其他接地点进行逐一排查，确保各点最终按照规范可靠接地。待现场施工并接地检验完成后，重新进行现场试验（耐压试验、接地试验等），最终顺利并网发电。

图8 逆变器电气接线图

6 结论及建议

综上所述，可以认为本次事故发生的主要直接原因是由于连日来多次雷电天气，其次间接原因是由于屋面无线通讯设备未按照相关标准进行可靠接地，使得设备在短时间内多次遭受雷击，最终致使系统跳闸、设备损坏。考虑到该地区恶劣天气的影响，同时结合电站已运行若干年的情况，现场排查了2 栋屋面的接地系统，确保屋面所有电气设备的接地端子、底座与外壳、金属框架、金属箱体、金属爬梯、电缆桥架等金属设备、设施均已可靠接地。类似工程如有条件建议将无线通讯设备移至室内，并在室外屋顶设置避雷带或者避雷针设备。

因此，设计人员在屋顶光伏设计过程中要综合考虑计算屋顶接地电阻，校验接地电阻满足≤4Ω的条件，从而选择合适的接地线、接地极及接地方式。设计要明确所有可能被雷击产生事故的设备，保证屋顶上所有设备及金属件在满足规范标准的情况下有效接地，有必要的地区增设避雷针等设施。设备采购时需明确所在地区的污秽等级，防雷保护，抗震系数要求等。施工安装应严格按照施工工艺标准执行，确保屋顶上所有设备及金属件可靠接地，接地连接处可靠连接，并对接地电阻进行测量复核。运行维护时，需要定期检查接地排等是否破损、生锈需要更换等情况。