我們都見過打雷，但是很少見過雷電直接造成的危害，特別是在城市裏。主要是因為我們的建築物都安裝了防雷設備。雷電多發生於山區，土壤電阻率突變和潮濕陰冷的地方以及孤立高聳地物。這些地方往往也是我們可以放置光伏電站的地方。
在雷電發生時，不管是感應雷，還是直擊雷，都會有可能對孤立的電站發生巨大的雷擊現象。 對於並網的光伏電站，不僅會造成太陽能組件和逆變器造成毀壞，而且會造成電網整個係統的癱瘓。 太陽能組件和逆變器及其他電氣設備的造價昂貴，在整個投資中，占有絕對大的比例。如果遭受雷擊，帶給光伏發電係統的不僅僅是經濟的損失，更重要的關係到國民生計和國家安全的保證。 如果光伏組件遭到雷擊，會造成該組組件發電功率降低，總發電量就會減少，經濟效益就會下降。如果逆變器遭到雷擊，也有可能損壞， 帶來的後果是總投資額會增大，同時後期設備的維護費用也將使總投資額增加。最終造成光伏發電站的投資達到盈虧平衡點的時間延後和投資回收期的延長。所以在設計光伏電站時，必須注意防雷接地的合理性，做到減少最大損失，做到防患於未然。
1．雷擊密度（雷擊率）
文獻《不同方法確定的雷擊密度對防雷分類的影響》中國家住房與城鄉建設部發布的 《建築物防雷設計規範》（GB50057—2010）提供了參考公式
Ng＝0．1Td
該公式中Td為氣象數據中的雷暴日，比如一個地區的打雷天數為80天／年，
Ng＝0．1＊80＝8次／Km2．這就叫雷擊密度。雷擊密度又有什麼用呢？
1平方公裏折算後約為1500畝，江浙地區按照30度傾角使用1640＊992的組件，大約能建設65兆瓦左右的光伏電站（22畝／兆瓦）。組件的投影麵積約占實際利用麵積的50％計算。組件占地麵積0．5平方公裏。
A＝實際占地麵積＋6H（L＋W）＋9πH2
A為受雷擊麵積，L、W為組件陣列的長和寬，H為海拔高度。
假設江浙某地雷雨天氣為40天，雷擊密度為4次／Km2。海拔高度為正負零，受雷擊麵積為0．5平方公裏，則該光伏電站受雷擊次數為2次每年。
如果該光伏電站建設在山區，海拔高度為100米時，
A＝500000＋6＊100＊1400＋9＊3．14＊10000＝1．6平方公裏
則該光伏電站受雷擊次數為6．4次每年。由此計算結果可知，山地高海拔地區被雷擊的次數相對較大，在工程選址時需要仔細計算。
2．雷電形成和危害
夏季，自然界由於高溫，水分的蒸騰作用加強，空氣對流運動旺盛。溫熱的空氣被強大的上升氣流推到空中遇冷形成濃積雲。雷雨雲是所有類型雲中最為活躍的一種，在厚厚的雲層中存在著大量的正負電荷，正電荷和負電荷分離形成巨大的電偶極子，或多極子。雲層中大量的正電荷位於雲層的頂部，大量的負電荷位於雲層的中下部，少量的正電荷在雲層的底部。天上的積雲上升受到地麵上升的熱氣流不斷的衝擊，會發生電離而產生強大的電荷。某些雲團帶正電荷，某些雲團帶負電荷，它們使大地地麵或建築物表麵產生異性電荷，當電荷積累到一定程度時，不同雲團之間、或雲與大地之間的電場強度可以擊穿空氣（E＝25～30KV／cm），開始遊離放電，稱之為“先導放電”，雲對地的先導放電是雲向地麵跳躍式逐漸發展的，當到達地麵（或地麵上的建築物、架空輸電線）時，便會產生由地麵向雲團的逆導主放電，在主放電階段裏，由於異性電荷的劇烈中和，會出現很大的電流，電流做功的結果，可使電流通過地方的氣體瞬間溫度升高到30000℃左右，從而呈現強烈的火光，這就是閃電，同時迅速加熱的閃電通道各部分氣體急劇膨脹，強烈壓縮附近的大氣層產生衝擊波，衝擊波退化時的聲發射，這些聲衝擊波相互疊加，形成轟轟雷聲，這就是雷電。打雷下雨時會和地麵之間發生放電現象，與地麵上的比較高的建築物、戶外通訊設施等接觸，就可能產生電擊，形成雷擊。
一般情況下（80％—85％的情況），單次雷擊不能將雷雲電荷完全釋放掉。一個雷閃通常包含多個（幾個）雷擊，而不是一個單一的雷單次雷擊形成一個先導放電，在持續平均約60ms（一般為幾毫秒到幾百毫秒）的暫停後，另一個先導，即直竄先導，在同一通道連續（而不是逐級）傳播，速度為1000—10000km／s。這種直竄先導沒有分支，沿著第一支回擊形成的通道反向傳播，產生第二次回擊，同樣的過程一般會重複3—5次，在單個負極性雷閃中記錄到26次回擊。
2005年揚州儀征化纖公司遭雷擊經濟損失3000萬元以上。2006年淄博恒台縣博彙集團電廠變電站遭雷擊，雷災造成經濟損失2070萬元。對於光伏電站，雷擊是必須重視的自然災害影響。
3．雷擊對光伏廠的影響以及預防
雷擊有直擊電、雷電感應和雷電波等三種入侵方式。直擊電就是地麵與帶電雲間產生的放電反應，其電壓在瞬間可能達到上萬伏。電流可達幾十安培．破壞性相當強。因為其是被雷雲瞬間釋放，能量巨大。雷擊很容易破壞室內安裝的太陽電池。還會對周圍的設備造成不同程度上的損壞，影響巨大。針對雷電對光伏電場區造成的巨大影響，一般采用等電位鏈接、隔離法和加裝保護器等三種方法避免雷電可能會造成的危害。
在現階段防雷措施中．最為有效也是最為廣泛的方法就是把電氣設備金屬部件與大地相連。接地係統由四部分組成．即接地設備、接地體、引入線和大地。良好接地是防雷措施成功的重要基礎。主要的接地方式有以下三種。
3．1 共體接地
接地體具體安裝過程是在地上挖一個直徑約30cm的洞．並且在洞底鋪設一些食鹽，再將接地體放人其中。使用PVC管罩住接地體，然後把接地體周圍的空隙使用泥土進行填滿並壓實。最後在上麵放上碎石子進行澆水加固。使用同樣的方法將其他接地體接地。形成等腰三角形的布局，再使用35mmz的銅線連接。形成光伏電場內部的一個接地體。這種接地可以使光伏發電場所有的金屬部件有效接地。這種方法還不需要埋設很多個接地體就可以解決接地問題。而且還有效地把電阻值控製在4n以內。光伏電場中所有設備的金屬殼、避雷裝置以及電池板的金屬架、逆變器等眾多設備都能直接連在同一個接地體上。在沒有雷擊現象發生時可以單純作為接地保護和零線。一旦發生雷擊時就可以當作防雷接地裝置使用。
3．2 單體接地
一些區域內由於地理環境的影響。光伏電場內部的電杆經常會遭受到雷擊。並且雷擊的位置相對固定，不會發生移動。針對這些特殊的電杆，要單獨安裝避雷裝置。埋設相應的接地體，就可以有效防止雷擊現象的發生，接地體通常會使用長度約2m的鍍鋅角鋼或扁鋼。
3．3 組合接地
組合接地由多個接地體組成．通常以環形或方形放射狀以及其他形式進行安裝布局。接地體成環形布置時，要保證環線不能有開口，這是為了降低相互屏蔽作用。兩個相鄰接地體之間的實際具體不能小於3m。接地體的上端要使用鍍鋅的角鋼加固，距離地麵要小於1m。
3．4 防雷擊電磁脈衝
雷擊電磁脈衝沒有直擊雷強烈，但是發生概率卻非常高，目前常采用的防護措施主要有等電位連接、屏蔽和加裝電湧保護器。為了減小不同金屬物之間的電位差和故障電壓危害，太陽能電池板的四周鋁合金邊框和金屬支架，控製器、彙流箱、逆變器的金屬外殼，金屬管（槽）線纜的金屬屏蔽層及避雷帶等應根據GB50057的規定采取良好的等電位連接措施。為減少電磁幹擾，太陽能電池板的入戶線路應以合適的路徑敷設並做好線路屏蔽。線纜應選用有金屬屏蔽層的電纜並穿金屬管敷設。在防雷區界麵處電纜金屬屏蔽層及金屬管（金屬管應兩端接地）應做等電位連接並接地。入戶線路和防雷連接線需分開敷設，保持最小平行間距1m，最小交叉間距0．3m。為了防止雷擊電磁脈衝產生的過電壓及過電流經入戶線路侵入損壞室內的光伏發電設備，對光伏發電係統的線纜應加裝多級防浪湧保護裝置進行防雷保護。首先，應該在太陽能電池方陣的直流輸入線路安裝直流避雷器，根據線路長度和工作電壓選用標稱放電電流≥10kA適配的SPD該浪湧保護器內部應包括差模濾波器，以幫助消除線路上傳導的電磁幹擾，在光伏電站的交流輸出供電線路上安裝交流避雷器。其次，由於控製器和逆變器均為價格昂貴的設備，應在控製器和逆變器內安裝第2級的電源浪湧保護器，使其具有防雷保護功能。如果逆變器輸出到一些較重要的負載設備，還應該在逆變器輸出端安裝第3級電源浪湧保護器。電源係統和電子係統安裝多級SPD時還需考慮多級匹配問題。
4．結論
雷電會對建築物及電氣設備造成嚴重破壞。在獨立光伏電站的防雷設計中。應當選擇合理的設計方案，采取有效的措施．做好獨立光伏電站的防雷設計。防止直擊雷、感應雷、雷電波對獨立光伏電站設備的破壞，這樣才能保證獨立光伏電站長期穩定、安全、可靠地運行，為用戶提供優質的電能。
【1】高峰 光伏電站的防雷接地技術［期刊論文］ － 商品與質量·建築與發展 2014（8）
【2】李愷愷 簡要探討太陽能光伏電站的防雷接地設計［期刊論文］ － 城市建設理論研究（電子版） 2014（7）
【3】傅智斌．汪洋．黃遠．盧敏．Fu Zhibin．Wang Yang．Huang Yuan．Lu Min 不同方法確定的雷擊密度對防雷分類的影響［期刊論文］ － 氣象與減災研究 2013（1）
【4】叢義宏．謝鵬 光伏電場區域防雷接地技術［期刊論文］ － 自動化應用 2015（10）
作者：張喆
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