目錄 I 目 錄 1 緒論 . 1 課題研究的背景和意義 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 5 電監(jiān)控存在的問題和差距 . 7 電 . 8 災(zāi)特點 . 9 擊 的危害 . 10 擊雷的危害 . 11 應(yīng)雷的危害 . 11 電監(jiān)控系統(tǒng)的方案措施 . 12 2 雷電特性 . 15 電流參數(shù) . 15 指數(shù)函數(shù)形式 . 15 數(shù)（ 薦雷電流解析表達式） . 16 沖函數(shù)形式 . 17 統(tǒng)方案的選擇 . 17 列數(shù)字信號處理器平臺 . 18 . 18 3 雷電監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 22 電監(jiān)控系統(tǒng)總體方案 . 22 電流檢測模塊 . 23 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 . 27 圍電路設(shè)計 . 28 源電路設(shè)計 . 28 鐘電路 . 29 位電路 . 31 路設(shè)計 . 32 行通信 . 33 步通信 . 33 行通信接口電路 . 34 . 35 統(tǒng)的防雷措施 . 37 雷保護區(qū) . 37 目錄 接閃器 . 38 雷器 . 41 地 . 42 地電阻 . 43 地極 . 44 4 雷電監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 46 成開發(fā)環(huán)境 . 46 統(tǒng)總體軟件設(shè)計 . 48 口 通信模塊 . 49 據(jù)采集 塊 . 51 據(jù)處理模塊 . 52 示模塊 . 53 5 總結(jié)與展望 . 54 結(jié) . 54 望 . 54 致 謝 . 56 參考文獻 . 57 附錄 . 60 1 緒論 1 1 緒論 課題研究的背景和意義 能源是提高國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重 要物質(zhì)基礎(chǔ)。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源利用的要求越來越高 。目前以石油，煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要來源。一方面，化石燃料的使用帶來了嚴重的環(huán)境污染，大量的 體以及其他污染物，導致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生和酸雨的形成。另一方面，由于化石燃料的不可再生性和有限的儲量，日益增長的能源需求帶來了嚴重的能源危機。據(jù)估計，按照目前的消耗量，石油僅僅能維持不到50 年，而煤也只能維持 200 年。而作為能源需求大國的中國，目前已經(jīng)有超過50%的石油需要進口，而到 2010 年，這一數(shù)字可能會增長到 55%。 因此發(fā)展清潔的，可再生的新能源的要求越來越迫切。 目前，我國環(huán)境污染問題突出，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，大量開采和使用化石能源對環(huán)境影響很大，特別是我國能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭比例偏高，二氧化碳排放增長較快，對氣候變化影響較大?？稍偕茉辞鍧嵀h(huán)保，開發(fā)利用過程不增加溫室氣體排放。開發(fā)利用可再生能源，對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境、減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化具有十分重要的作用。 2005 年 2月 16 日正式生效的京都議定書，將深刻改變世界能源發(fā)展模式及各國能源發(fā)展戰(zhàn)略。 而在能源危機日趨嚴峻的背景下，尋找安全清潔的新能源成為當前人類面臨的迫切課題。 作為人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，煤炭、石油、天然氣等化石能源支撐了 19 世紀到 20 世紀近 200 年來人類文明的進步和經(jīng)濟社會發(fā)展。然而，化石能源的不可再生性和人類對其的巨大消耗，使化石能源正在逐漸走向枯竭?；茉词悄壳叭蛳牡淖钪饕茉?， 2006 我國的比例高達 但隨著人類的不斷開采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世紀將被開采殆盡。從另一方面看，由于化石能源的使用過程中會新增大量溫室氣體 時 產(chǎn) 生 一些有污染的煙氣， 威脅全球生態(tài)。因而，開發(fā)更清潔的可再生能源是今后發(fā)展的方向。 太陽能 資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。太陽能以其獨特的優(yōu)勢成為發(fā)展新能源的首選，太陽能發(fā)電尤為讓人青睞。 1995 年國家計委、國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委制定了新能源和可再生能源發(fā)展綱要在（ 19962010 年）制出，明確提出中國在 1996新能源和可再生能源的發(fā)展目標、任務(wù)以及相應(yīng)的對策和措施。這些文件的制定和實施，對進一步推動中國太陽能事業(yè)發(fā) 揮了重要作用。 1996 年，聯(lián)合國在津巴布韋召開 “ 世1 緒論 2 界太陽能高峰會議 ” ，會后發(fā)表了哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言 ，會上討論了世界太陽能 10 年行動計劃（ 1996 2005 年），國際太陽能公約，世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃等重要文件。這次會議進一步表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決心，要求全球共同行動 ，廣泛利用太陽能。 開發(fā)利用可再生能源是開拓新的經(jīng)濟增長領(lǐng)域、促進經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、擴大就業(yè)的重要選擇?？稍偕茉促Y源分布廣泛，各地區(qū)都具有一定的可再生能源開發(fā)利用條件。可再生能源的開發(fā)利用主要是利用當?shù)刈匀?資源和人力資源，對促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。同時，可再生能源也是高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)，快速發(fā)展的可再生能源已成為一個新的經(jīng)濟增長點，可以有效拉動裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變，擴大就業(yè)，推進經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。 中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭約占商品能源消費結(jié)構(gòu)的76%，已成為中國大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量 應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。 中國太陽能較豐富的區(qū)域占國土面積的 2/3 以上，年輻射量超過 60 萬 焦耳 /平方厘米 ，每年地表吸收的太陽能大約相當于 億 噸標準煤的能量 。 因此，我國具有大規(guī)模開發(fā)可再生能源的資源條件和技術(shù)潛力，可以為未 來社會和經(jīng)濟發(fā)展提供足夠的能源保障，開發(fā)利用可再生能源大有可為 。單晶硅、多晶硅的發(fā)電效率有望在較短的時間內(nèi)，把發(fā)電效率提高到百分之二十以上。但目前來說，盡管太陽能電池板價格下降比較快，它發(fā)電的成本依然是火電的五倍多，投入商業(yè)運營還有漫長的路要走。 迄今，估計在大地上，每秒 受到數(shù)十次的地閃。這是全球無時無刻不存在的約 2000 個雷暴活動的結(jié)果。除了一部分閃電打在無人、無人造物的曠野及海洋上外，還有一部分會對人和生物造成傷害，對各種建筑物、系統(tǒng)、部件或元件造成破壞。隨著人類社會特別是經(jīng)濟的發(fā)展，雷電造成的危害亦有所變化。其總的趨勢是面變得廣了，并且向微電子器件方面傾斜，絕對損失也在增加。這也說明防雷技術(shù)的相對落后 1。在回擊階段，對地放電的峰值電流可達幾萬安，其瞬時功率可在 1011W 以上。在一瞬間，它將在其通路上造成強加熱效應(yīng)，在通過的大氣（即通道）中可使空氣溫度瞬間升到 3 萬攝 氏度以上。能量以熱能、機械能（包括沖擊波、聲波）及電磁能（包括光能）等方式散發(fā)出來。真正的地面消耗的僅是其中的一小部分。閃電在其回擊通道及其貼近處產(chǎn)生強大的機械效應(yīng)、接熱效應(yīng)，也可產(chǎn)生可波及較遠處的電磁效應(yīng)。其造成的危害及對它的抵御構(gòu)成了人類與雷電間的密切關(guān)系。 關(guān)于人類的傷亡，國內(nèi)沒有公布過數(shù)據(jù)。根據(jù)美國近幾十年的統(tǒng)計，雷擊在美國每年造成約 100 余人死亡，另有約 500 人受傷。這類傷亡，以戶外受雷擊為主。國外的研究也說明，城市化使得戶外受害率在下降。隨著工1 緒論 3 業(yè)化，特別是電引入人類生活以來，雷擊引起的破壞日趨嚴重 。特別是，間接雷害，使破壞從點變成面而顯得特別嚴重。如果雷擊通過合格的避雷（實為引雷）系統(tǒng)入地，就不再會造成任何直接破壞。如果沒有避雷（引雷）系統(tǒng)，或者由于某種原因避雷（引雷）系統(tǒng)不完善，這就會因雷擊的能量耗散在不設(shè)防的地方而造成破壞。 例如， 1985 年 7 月 25 日晚 7 點 15 分，雷擊使上海市造紙工業(yè)公司北蔡倉庫紙料堆垛著火，直接損失 60 萬元； 1994 年 4 月 7 日晚，上海市郊青浦縣商塌沙田湖的商塌針織廠遭雷擊，使針織成品、縫紉機及半成品燒毀并因高溫導致 500 多平方米的廠房倒塌，直接損失 300 余萬元； 1997 年 5 月 28 日午夜，一次雷擊使廣東省開平市中源制衣廠起火，使總價 110 萬元的成衣、布料及縫紉機化為灰燼； 1998 年 8 月 22 日 21 時，湖北南漳縣化建公司所屬炸藥庫被雷擊引爆， 銻炸藥、 火索和近萬枚雷管被炸毀，傷亡 97 人，倒塌房屋 337 間，直接經(jīng)濟損失 800 萬元。這類雷害，是雷擊通道的放電引燃了易燃物而導致成災(zāi)。受害空間附近的金屬體（包括屋架、電源導線等）常成為有間隙的不完善而無意形成的引雷系統(tǒng)的一部分。 2002 年 9 月 14 日中午，樂東縣佛羅鎮(zhèn)腰果場、新安白和岸上園遭受雷電襲擊。致使在一間工棚內(nèi)休 息的十幾名工人全部被雷電擊中，造成 5 人死亡， 6 人重傷， 2 人輕傷的重大傷亡事故。 2003 年8 月 11 日 17 時， 儋 州市那大解放西路一私宅的避雷針遭雷擊，雷擊感應(yīng)造成市內(nèi)交通 指揮系統(tǒng)和 400 多部電視機， 60 多部電腦， 40 多部空調(diào)機等大批電器損壞。直接經(jīng)濟損失 140 多萬元。 上述這類設(shè)備受雷擊損壞日趨嚴重，其特點是不一定有外貌上明顯的破損，但可瞬間擊毀對電磁十分敏感的微電子元件，其間接損失涉及面廣，往往比直接損失大幾倍甚至幾十倍。 因此如何避免雷擊就成為第一位了。 避雷技術(shù)應(yīng)用在當今社會生活的各個領(lǐng)域，它對雷電所產(chǎn)生的不安 全因素起到了較好的保護作用。隨著太陽能技術(shù)的普及和應(yīng)用，將會出現(xiàn)大片光伏屋頂、光熱系統(tǒng)等太陽能建筑，這對傳統(tǒng)的避雷技術(shù)提出了許多新的課題和更高的要求。 雷電監(jiān) 控 系統(tǒng)在雷電的 規(guī)律性 研究、 雷電信息 監(jiān)測及 相應(yīng)的 防護領(lǐng)域中 起到重要的作用 。 雷電監(jiān)控的主要任務(wù)是監(jiān)測、預測、收集雷電災(zāi)害信息，供決策和有關(guān)部門利用。雷電災(zāi)害信息除具有一般信息的共同特征，即可利用性、可處理性、可傳遞性以外，還具有其它特殊的標志和特征 ，所以雷電監(jiān)控系統(tǒng)必須以下面一個特征作為出發(fā)點來設(shè)計 。 （ 1）可預報性 隨著大氣科學和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人類 對各種雷電災(zāi)害發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認識不斷深入，雷電災(zāi)害的可預報性不斷提高。雷電的發(fā)生往往伴隨著暴雨、冰雹等天氣現(xiàn)象，因此對雷電活動的監(jiān)測也是預報其他自然災(zāi)害天氣的有效手段。 （ 2）地區(qū)性 1 緒論 4 不同的雷電災(zāi)害在不同地區(qū)發(fā)生的頻率和嚴重程度不同，決定了各地區(qū)間雷電災(zāi)害信息的重點不同。而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也因為其特點，而有不同的防雷電措施。 （ 3）易壞性 雷電災(zāi)害信息是實時性很強的信息。尤其是預測預報產(chǎn)品，時效一過就無使用價值。這就對提供雷電監(jiān)控系統(tǒng)的處理速度和通信保障提出了更高的要求。 （ 4）滯后性 天氣氣候從正常向異 常轉(zhuǎn)變，到災(zāi)害性天氣的出現(xiàn)，有一個過程，這就是自滯后性。 所以要掌握雷電發(fā)生的規(guī)律及其損失的歷史和現(xiàn)狀，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際 做出 推斷，提供準確信息，充分利用這種滯后性，作好防災(zāi)和減災(zāi)工作。 （ 5）連鎖性 許多雷電災(zāi)害常常誘發(fā)其他災(zāi)害。所以雷電監(jiān)控系統(tǒng)也必須對相應(yīng)其他災(zāi)害的信息服務(wù)做好連貫有序。 目前 ， 人類還不能很好的有效利用雷電，而面對雷電帶來的危害，只能采取一定的預防性措施，減少雷擊造成的損害。 我國大部分的建筑物，都采用避雷帶、避雷針和安裝閥型避雷器等裝置來防雷。雷電對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的 影響，主要 由以下幾個方面造成： 直擊雷：太陽能電池板大多是安裝在室外屋頂或是空曠的地方，所以雷電很可能直接擊中太陽能電池板，造成設(shè)備的損壞，從而無法發(fā)電。 傳導雷：遠處的雷電閃擊，由于電磁脈沖空間傳播的緣故，會在太陽能電池板與控制器或者是逆變器、控制器到直流負載、逆變器到電源分配電盤已經(jīng)配電盤到交流負載等的供電線路上產(chǎn)生浪涌過電壓，損壞電氣設(shè)備。 地電位反擊：在有外部防雷保護的太陽能供電系統(tǒng)中，由于外部防雷裝置將雷電引入大地，從而導致地網(wǎng)上產(chǎn)生高電壓，高電壓通過設(shè)備的接地線進入設(shè)備，從而損壞控制器、逆變器或者是交、直 流負載等設(shè)備 2。 如何讓太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機地結(jié)合在一起，組成實用、美觀、安全可靠的一體化 避雷 系統(tǒng)，是目前亟需研究并解決的 重要 課題。 防雷設(shè)施是保證太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備正常安全運行的關(guān)鍵，這要引起足夠的重視 。為了增大太陽電池板的采光面積，往往在高處安裝，而忽視了避雷問題。由于太陽電池板的安裝位置比較高，經(jīng)常高于建筑物的避雷線，這樣太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)遭受雷擊的概率大大增加。 雷電是自然界中大氣的放電現(xiàn)象。在全球范圍內(nèi)，每年發(fā)生在大氣中的雷電達 31 億次，平均每秒鐘約為 。 2000 年，上海、浙江、福建發(fā)生電力雷擊事件分別為 6 起、 14 起、 37 起，廣東甚至高達 95 起，直接經(jīng)濟損失達 100 多萬元，湖北為 4 起，直接經(jīng)濟損失為幾十萬元。 據(jù)湖北省防雷中心統(tǒng)計資料介紹，1 緒論 5 武漢是多雷暴活動區(qū)，年平均雷暴日數(shù)為 38 天，最多年份達 56 天。 據(jù)統(tǒng)計我國每年雷擊造成的直接經(jīng)濟損失近 元。 雷電對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有極大的破壞性，其電壓高達數(shù)百萬伏，瞬間電流可高達數(shù)十萬安培，雷擊對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所造成的破壞性后果，將嚴重導致設(shè)備損壞，甚至人員傷亡。 為此， 在發(fā)展太陽能光伏發(fā)電時必須重視避雷問題，尤其 在我國中南部和長江沿線一帶的一些地區(qū)，由于空氣潮濕，陰雨天氣多，雷電活動頻繁，更應(yīng)注意避雷問題。如何讓太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機地結(jié)合在一起，組成實用、美觀、安全可靠的一體化 避雷 系統(tǒng)，是當今亟需研究和解決的課題。由此可見，本項目 具 有重要的科學研究意義和廣闊的市場應(yīng)用前景。 太陽能 光伏 并網(wǎng) 發(fā)電系統(tǒng) 雷電監(jiān) 控 的意義：通過建立 與光伏發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的雷電監(jiān)控系統(tǒng)，對于掌握好雷電的特點、預防雷擊的危害、有效保護光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個組件等各個方面有巨大的實際意義。 通過建設(shè) 雷電監(jiān)測網(wǎng)實時監(jiān)測雷電的發(fā)生、發(fā)展及消 亡過程 ，提供雷電災(zāi)害預警信息，服務(wù)于雷電災(zāi)害的防護。通過統(tǒng)計雷電日、雷電密度分布圖，為 光伏發(fā)電系統(tǒng)的 雷電防護工程提供科學參數(shù)。 雷電監(jiān)測 系統(tǒng)將雷電探測儀組網(wǎng)進行監(jiān)測，具有全天候監(jiān)測、探測精度高等優(yōu)點。從理論上講，其核心是通過多個探測儀同時測量閃電回擊輻射的電磁場來確定閃電源的電流參數(shù)：放電時間 、 發(fā)生的位置 、 強度峰值 、 波形陡度值 、 陡點時間 和 放電電荷等 3。 目前，幾乎所有的發(fā)達國家和地區(qū)都布有全國和地區(qū)雷電監(jiān)測定位網(wǎng)，為雷電的基礎(chǔ)研究、防雷技術(shù)的開發(fā)、防雷減災(zāi)服務(wù)提供扎實完備的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，增強雷電災(zāi)害的預測 評估能力和雷電事故判斷的準確性。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列，蓄電池和光伏系統(tǒng)控制器或并網(wǎng)逆變器組成。 目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為兩類，獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)型光伏發(fā) 電系統(tǒng)。獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般為光伏蓄電系統(tǒng)，因其系統(tǒng)比較簡單，而 且適 應(yīng)性強曾經(jīng)被廣泛使用，但由于系統(tǒng)中蓄電池體積大，壽命短而且維護困難，現(xiàn)已 不適合大范圍使用。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當用電負荷較大，太陽電池發(fā)出的 電能不夠用時由電網(wǎng)補充，而負荷較小或太陽電池所生產(chǎn)的電力過剩時，就可將 多余的電力賣給電網(wǎng)，這類系統(tǒng)省 掉了蓄電池提高了系統(tǒng)靈活性，并降低了系統(tǒng) 造價減少了損耗，從而使用的范圍得以擴大，光伏 并網(wǎng)發(fā)電 系統(tǒng)已成為研究熱點， 是當今世界光伏發(fā)電的趨勢。 以上從國際到國內(nèi)，太陽能光伏發(fā)電比較迅速，發(fā)展勢頭強勁，市場前景看好，然而，對光伏發(fā)電系統(tǒng)可能遭受雷擊的檢測與監(jiān)控考慮少，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的避雷措施很欠缺，才剛剛起步。可見，盡管太陽能光伏發(fā)電技術(shù)有了突飛猛1 緒論 6 進的進步，但其防雷技術(shù)卻未取得太大的進展。 20 世紀 70 年代末，美國科學家 E 出并實現(xiàn)了現(xiàn)代雷電遙測定位技術(shù)，隨 后美國建立了覆蓋全國的國家雷電監(jiān)測網(wǎng)（ 。 20 世紀 80 年代末，我國成功研制成雷電定位系統(tǒng)，使我國成為繼美國之后第二個擁有雷電定位技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的國家。同時，日本等電網(wǎng)發(fā)達國家也進行了 雷電監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和建立工作。近年來，國內(nèi)外不斷研究出利用衛(wèi)星裝載光瞬變信號探測器（ 閃電圖像傳感器（ 及利用雷達等對雷電進行監(jiān)測的新技術(shù) 4。 經(jīng)過近 20 年的不斷發(fā)展，目前我國已經(jīng)在 30 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）建立了雷電定位系統(tǒng)，并實施了聯(lián)網(wǎng)，形成了覆蓋全國電網(wǎng)的雷電監(jiān)測網(wǎng)。雷電監(jiān)測網(wǎng)已有雷電探測站 350 個，是一個全自動、大面積、高精度、實時的雷電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能實時遙測并顯示云對地放電（地閃）的時間、位置、雷電流幅值和極性、回擊次數(shù)以及每次回擊的參數(shù)。 雷電監(jiān)測網(wǎng)能在全國范圍內(nèi)實時監(jiān)測雷電活動，掌握和記錄雷電活動特征。 2008 年 12 月 26 日，由國網(wǎng)電力科學研究院防雷技術(shù)研究所承擔的國家電網(wǎng)公司 “ 十一五 ” 科技項目 “ 電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究 ” 和 “ 輸變電設(shè)備防雷技術(shù)與策略的研究 ” 中期評審會在武漢順利召開。 “ 電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究 ” 項目通過對雷電流測量技術(shù)、雷電輻射電磁場傳播特性、新一代數(shù)字 式雷電探測技術(shù)、雷電參數(shù)統(tǒng)計、電網(wǎng)防雷綜合計算方法和工具、雷電屏蔽技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以獲取目前全世界都普遍缺乏的實測雷電流參數(shù)（幅值 /波前時間），提升我國電網(wǎng)雷電監(jiān)測技術(shù)水平，掌握適用于我國電網(wǎng)防雷的雷電基礎(chǔ)參數(shù)，提供有效、便捷的防雷性能分析工具，建立科學評價雷電屏蔽效能的試驗方法。 “ 輸變電設(shè)備防雷技術(shù)與策略的研究 ” 項目，掌握分析國內(nèi)外電網(wǎng)防雷技術(shù)的水平和現(xiàn)狀，提出電網(wǎng)差異化防雷技術(shù)和策略，編制國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防雷技術(shù)導則，為公司系統(tǒng)輸變電設(shè)備雷電防護的設(shè)計、施工、運行及維護提供技術(shù)支持與指導， 改善以往因缺乏必需技術(shù)手段而造成的粗放的管理現(xiàn)狀。 這兩個項目在國內(nèi)首次大規(guī)模對電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護技術(shù)及策略進行系統(tǒng)研究，較好地融合了雷電監(jiān)測與防護的理論研究與實際應(yīng)用，內(nèi)容豐富，范圍廣泛，技術(shù)難度大 。 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行方式主要可分為離網(wǎng)運行（即獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)） 、 聯(lián)網(wǎng)運行（聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)） 和 混合系統(tǒng) 三 大類。 聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)使太陽能光伏發(fā)電進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重要方向，是當今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電是光伏發(fā)電進入電 力規(guī)模應(yīng)用的必然結(jié)果，也是未來最大的光伏發(fā)電市場。目前我國已開始了屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的試驗和示范1 緒論 7 工作以及大規(guī)模荒漠光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性研究。 對于離網(wǎng)運行和聯(lián)網(wǎng)運行的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對于它遭受雷擊的檢測與監(jiān)控研究都還處在發(fā)展中。 而且， 對于新興的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，國家還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范來說明光伏電站的防雷避雷措施。 目前， 只能根據(jù)國家的 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（ 及 和 電力系統(tǒng) 相 關(guān)避雷設(shè)計的規(guī)范來進行設(shè)計， 由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，這樣設(shè)計出來的結(jié)果會有較大的差異 。 雷電是一種 不確定的自然現(xiàn)象，而光伏發(fā)電電站也是和其他一般的建筑物是有區(qū)別的，所以僅僅依據(jù) 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范 來設(shè)計光伏電站的防雷系統(tǒng)是不準確的。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是在比較空曠的地方，而且高度相對不是很高，光伏電站里面的其他電氣設(shè)備容易受到雷電的損害，應(yīng)當區(qū)別對待其他的建筑物防雷規(guī)范。 既不能以一般建筑物的防雷作為參考，也不能簡單的以電力系統(tǒng)的防雷規(guī)范來設(shè)計。因此，必須考慮光伏電站所處地區(qū)的雷暴日數(shù)和電站的占地面積，結(jié)合避雷裝置與發(fā)電系統(tǒng)，研究出適合太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的避雷監(jiān)控系統(tǒng) 5。 電監(jiān)控 存在的問題 和差距 存在的問題和差距：目前我國 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 雷電監(jiān) 控的 研發(fā)能力不強， 與發(fā)達國家相比，特別是高分辨率的雷電探測和綜合資料的獲取應(yīng)用方面有很多差距，核心技術(shù)上缺少自主知識產(chǎn)權(quán)，而結(jié)合我國的地理位置，氣候情況等不同需求的雷電防護產(chǎn)品還沒有形成 。在國內(nèi)還沒有雷電與相關(guān)學科結(jié)合的大型試驗研究，對雷電的研究和技術(shù)開發(fā)沒有形成規(guī)模，特別是防護技術(shù)方面的研究不夠。 另一方面， 由于我國幅員遼闊，雷電現(xiàn)象的發(fā)生于地域特征有緊密的聯(lián)系，而防雷技術(shù)還處于發(fā)展階段，雷電監(jiān)控的研究起步較晚，存在的很多科學技術(shù)問題都需要進一步的解 決。 因此， 必須加強對雷電發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)理論研究，開展對光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害的分析和統(tǒng)計，把握光伏發(fā)電系統(tǒng)雷擊災(zāi)害的規(guī)律，并做好相應(yīng)的學科研究和實驗，為進一步做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電監(jiān)控系統(tǒng)做好準備。 其次， 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的雷電監(jiān)控涉及到多個學科，對相關(guān)行業(yè)的工作人員要求比較高，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對雷電業(yè)務(wù)的需求也不斷增加，培養(yǎng)高素質(zhì)的雷電基礎(chǔ)研究人才， 特別是與光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷相關(guān)的專業(yè)人才，也是相當重要的 6。 最后 對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 防雷 還缺少一個標準和規(guī)范，而這是指導光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的有力保 證。標準是科學、技術(shù)和實踐經(jīng)驗的總結(jié)。加強標準、標準化工作及科學研究以應(yīng)對光伏行業(yè)的快速發(fā)展和變化。通過標準及標準化工作，以及相關(guān)技術(shù)政策的實施，可以整合和引導社會資源，激活科技要素，推動自主創(chuàng)新與開放創(chuàng)新，加速技術(shù)積累、科技進步、成果推廣、創(chuàng)新擴散、產(chǎn)業(yè)升級以1 緒論 8 及經(jīng)濟、社會、環(huán)境的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。 制定符合我過實際情況的合理完善的雷電防護標準體系，并與國際標準體系接軌，并由相關(guān)的主管部門來管理，對于用戶和生產(chǎn)企業(yè)也是有很大 的益處的 7。 然而 ， 現(xiàn)在由于不重視避雷裝置的思想， 光伏建筑物遭雷擊的事故時有 發(fā)生，造成了一些損失 ， 光伏建筑物避雷裝置存在的問題主要有以下幾個方面。 （ 1） 接閃器的連接不當 接閃器是將雷電流經(jīng)引下線、接地體引入地下， 因此 ， 接閃器與引下線、引下線與接地體的連接必須焊接的很牢靠，這樣才能最終 保證安全地 將雷電電流 引入大地。但是 ， 在實際的工程建設(shè)上，個別工程采用捆綁式的連接，或者焊接點太少，導致連接的不可靠，出現(xiàn)脫落和裂縫，這都會最后造成雷電電流不能安全引入大地。 （ 2） 避雷帶支起方式不正確 有時候接閃器采用避雷帶，通常是避雷帶沿屋檐或女兒墻支起 1020個支點之間的間距為 11.5 m，即達到防雷效果又比較美觀。 但是 ， 實際的工程中，出現(xiàn)支點間距很大，這樣避雷帶就不能被平直的支起，就達不到避免振動的效果。 （ 3） 明裝引下線固定不好 引下線是沿著光伏建筑物的外墻，經(jīng)過最短的線路接入大地。引下線的各個固定點的間距不能大于 2m，而且要有一定的松緊度。有的工程甚至將引下線穿入雨水管中，或者和雨水管固定在一起，這樣的做法很容易發(fā)生事故，引起雷擊，十分危險。 （ 4） 引下線數(shù)量不符合要求 光伏 建筑物 一般占地面積較大，對引下線的數(shù)量要求較多，一旦引下線的數(shù)量不夠，對雷電流的分流就少，導致經(jīng)過每根引下線 的電流較大，容易產(chǎn)生反擊和其他事故。 （ 5） 未設(shè)置斷接卡 為了保證工程的質(zhì)量，需要測量接地電阻，并檢查引下線、接地體的連接狀況，合適的做法是在各個引下線距地面 下的地方設(shè)置斷接卡。個別工程未設(shè)置斷接卡，就無法測量接地電阻并檢查引下線和接地體的連接情況。 （ 6） 接地線處 沒有 保護措施 雷電電流高達幾萬、甚至幾十萬伏特的高壓，人接觸引下線就會發(fā)生觸電事故。所以必須對地面上 地面下 這段接地線加以保護，一般是采用絕緣材料包扎。但是很多建筑物的接地線裸露在外面，存在雷擊事故的安全隱患。 電 雷電 這一自然現(xiàn)象瞬變?nèi)f千，通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部1 緒論 9 分帶異種電荷的云層，或者是帶電的云層與大地之間迅猛的放電 。 這種迅猛的放電過程產(chǎn)生強烈的閃交并伴隨巨大的聲音。當然，云層之間的放電主要對飛行器有危害，對地面上的建筑物和人、畜沒有很大影響。然而，云層對大地的放電則對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大，這是我們要研究的主要對象。 產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種。 通常雷擊有三種主要形式：其一是帶電的云層與大地上某一點之間發(fā)生的迅猛放電現(xiàn)象 ，叫直擊雷；其二是帶電云層由于靜電感應(yīng)作用，使地面某一范圍帶上異種電荷，即當直擊雷發(fā)生以后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者在直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象，叫做二次雷，或稱感應(yīng)雷；其三是球形雷，這是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。 雷電是一種自然界中超長間隙的放電現(xiàn)象，按雷電的發(fā)展方向可區(qū)分為下行雷和上行雷兩種，前者是在雷云中產(chǎn)生并向大地發(fā)展的；而后者是由接地物體的頂部激發(fā)并向雷云方向發(fā)展的。雷電的極性是 按照雷云入地的電荷極性區(qū)分的，統(tǒng)計表明 90%以上的雷是負極性雷。在雷電放電過程中沿著雷電通道將流過幅值最高可達幾百千安，延續(xù)時間近百微秒沖南海電流。如此巨大的雷電流對于人們的生產(chǎn)和生活會造成很大危害，例如，對于電力系統(tǒng)而言，當雷電流超過相應(yīng)的耐雷水平將導致線路絕緣的閃絡(luò)，會造成線路的接地故障。雷電波的折反射將造成很高的過電壓，破壞設(shè)備絕緣，造成跳閘停電事故。為了減小雷電的危害性，人們對雷電現(xiàn)象進行了長期、大量的研究，并采用了避雷器，避雷針等防雷設(shè)備，甚至開始使用頗有爭議的消雷器。 災(zāi)特點 雷電以其 巨大的破壞力給人類社會帶來了慘重的災(zāi)難，尤其是近幾年來，雷電災(zāi)害頻繁發(fā)生，對國民經(jīng)濟造成的危害日趨嚴重。為此應(yīng)當加強防雷意識，做好預防工作，將雷害損失降到最低限度。當人類社會進入電子信息時代后，雷災(zāi)的特點與以往有極大的不同，可以概括為： （ 1）受災(zāi)面在不斷擴大，從電力、建筑這兩個傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是與高新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航空航天、國防、郵電通信、計算機、電子行業(yè)、石油化工以及金融證券等。 （ 2）從二維空間入侵變?yōu)槿S空間入侵。從閃電直擊和過電壓波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電的脈沖電磁場從三維空 間入侵到任何角落，無孔不入地造成災(zāi)害，因而防雷工程已從傳統(tǒng)防直擊雷、防感應(yīng)雷進入現(xiàn)代的防雷電電磁脈沖（ 段。前面是指雷電的受災(zāi)行業(yè)面擴大了，這里是指雷電災(zāi)害的空間范圍擴大了。 1 緒論 10 （ 3）雷災(zāi)的經(jīng)濟損失和危害程度大大增加了，它襲擊的對象本身的直接經(jīng)濟損失有時并不太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟損失和影響卻是難以估計的。 為此，當今 光伏發(fā)電系統(tǒng) 防雷工作的重要性、迫切性和復雜性大大增加了，雷電的防御已從直擊雷、感應(yīng)雷防護發(fā)展到了整體的系統(tǒng)防護，必須站 到新高度來認識和研究現(xiàn)代防雷技術(shù)，提高人類對雷災(zāi)防御的綜合能力。 毫無疑問 ， 準確地了解雷電流特性 (波形及其幅值 )對于防雷研究來說是至關(guān)重要的。遺憾的是 ， 以往人們受測量手段和儀器的限制 ， 無法記錄自然界中隨機產(chǎn)生并且稍縱即逝的雷電流波形。因此 ， 至今為止我們尚未見到有關(guān)實際記錄到雷電流波形的報道。隨著高速數(shù)字采樣和計算機技術(shù)的發(fā)展 ， 對雷電流波形進行隨時自動監(jiān)測成為可能 8。 評價某一地區(qū)雷電活動的強弱時，習慣上使用“雷暴日”，即一年當中該地區(qū)有多少天發(fā)生耳朵能聽到的雷鳴來表示該地區(qū)的雷電活動強弱，雷暴日的天數(shù)越 多，表示該地區(qū)雷電活動越強，反之則越弱。中國部分城市年平均雷暴日的分布如表 示。 表 國部分城市年平均雷暴日分布 地名 年雷暴日 數(shù) 地名 年雷暴日 數(shù) 地名 年雷暴日 數(shù) 地名 年雷暴 日數(shù) 北京市 海市 石市 明市 津市 京市 沙市 江縣 家莊市 州市 州市 洪縣 德市 州市 州市 薩市 家口市 肥市 圳市 喀則市 原市 溪市 海市 安市 同市 州市 江市 州市 和浩特市 明市 林市 川市 寧市 昌市 州市 魯木齊 市 陽市 潭市 都市 克蘇市 春市 南市 昌市 口市 林市 州市 陽市 北市 爾濱市 漢市 義市 港 擊的危害 雷電有兩個放電參數(shù)：一個是起主要破壞作用的雷電流，常達幾十安到幾十萬安，其作用時間極短；另一個是雷電流的上升速度，通常稱為陡度，其值在180s 之間。雷電的危害都是由以上兩個放電特性引起的， 一個完整的 太陽1 緒論 11 能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 防雷方案包括兩個方面，即直接雷的防護和感應(yīng)雷的防護，兩者缺一不可。 擊雷 的危害 雷電放 電主通道通過被保護物稱作被保護物被直擊雷擊中。 直擊雷以強大的沖擊電流、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射損壞放電通道，直接擊在光伏陣列或機房建筑物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等而造成光伏建筑物等損壞以及人員傷亡 。 直擊雷防護主要是使用避雷針、避雷帶、 導地體和接地網(wǎng)，再加上主體鋼筋而形成 一個籠式的 框架及所謂“法拉第網(wǎng)”籠式的框架，如 果要達到 理想的效果，在沒有避雷針的情況下，必 須在最高 位布有不大于 10m 10m 的金屬網(wǎng)絡(luò)， 整座建筑 物的金屬體 (如水管、天線等 )都要與這 個籠式框 架相連接，以達到理想的防雷保 護作用。 為了盡量減少 感應(yīng)雷 的產(chǎn)生。一般宜采用抑制型或屏蔽型的直擊雷保護措施，如避雷帶、避雷網(wǎng)和避雷針等，以減小直擊雷擊中的概率。 直擊雷防護裝置，它由接閃部分，引下線和接地裝置組成，是防止直擊雷的有效措施，它們將雷電經(jīng)引下線導入地下，從而保護在其覆蓋范圍內(nèi)的工作人員、電氣設(shè)備、線路和建筑物，免遭直擊雷擊。因而接閃器設(shè)計必須滿足高性能、安全可靠的要求。 弱雷電流的泄流強度，從而減弱周圍電磁感應(yīng)強度，使附近地區(qū)的金屬線路和電子設(shè)備受到干擾的程度大大降低。雷電發(fā)生閃擊后， 免了傳統(tǒng)避雷針接閃后的強電流入地產(chǎn)生的二次效應(yīng)，減弱了大電流入地出現(xiàn)的反擊和強電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓 9。 被保護物免遭直接雷擊的防雷裝置，避雷針安裝一定要高于被保護物，一般安裝在建筑物頂?shù)蔫F塔或桿塔上。 生提前先導通道，使雷電在保護范圍內(nèi)發(fā)生閃擊時能準確地閃擊在避雷針上，避免了傳統(tǒng)避雷針的“側(cè)擊”和“繞擊”現(xiàn)象。因 少，所以它是防直擊雷的理想設(shè)備。 應(yīng)雷 的危害 雷電放電主通道沒有經(jīng)過被保護物，但放電過程中產(chǎn)生強大的瞬變電磁場在附近的導體中感應(yīng)到電磁脈沖，稱為感應(yīng)雷。 感應(yīng)雷在雷云之間放電或雷云對地放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發(fā)生概率比直擊雷高得多。 當雷云層之間以及雷云與大地之間放電時，在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場的1 緒論 12 靜電感應(yīng)，使光伏建筑物上的金屬部件 、管道、鋼筋和有戶外進入室內(nèi)的電源線等感應(yīng)出高電壓，并通過這些線路引入室內(nèi)造成電子設(shè)備損壞。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的。 由于感應(yīng)雷可以來自云中放電，也可以來自對地雷擊， 而太陽 能 光伏發(fā)電系統(tǒng)與外界連接有各種長距離電纜可在更大范圍內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)雷并沿電纜傳人機房和設(shè)備，所以防感應(yīng)雷是太陽能光伏 發(fā)電系統(tǒng)防雷的重點。 感應(yīng)雷主要通過電源線、 信號線或數(shù)據(jù)線入侵而 破壞電子設(shè)備，所以感應(yīng) 雷的防護是要在各種線 路的進出口安裝適當?shù)姆览?器。 靜電感應(yīng)產(chǎn)生的 感應(yīng) 雷， 一般通過電力電纜和通信電纜的金屬外皮和天饋線 侵入系統(tǒng)。 聽以對于連出 電纜防雷防護的主要措施有以下 3 種。 一是進出電纜必須帶金屬屏蔽層，且應(yīng)埋地進出建筑物，并在進出戶外電纜金屬外屏蔽層與聯(lián)合接地體作等電位聯(lián)結(jié)。 二是在電源上逐級加裝避雷器，實行多級防護，使 感應(yīng) 雷 在經(jīng)過多級泄流后的殘壓小于電站設(shè)備的耐壓值。 三是在建筑物內(nèi)的設(shè)備綜合布線保護管宜采用金屬管。 避雷器的防雷能力與安裝方式有密切關(guān)系，主要是因為引線阻抗會產(chǎn)生額外的殘壓。應(yīng)盡可能縮短電力線與避雷器間的連線以及避雷器與接地匯流排板問連線的長度。多級布置避雷器可減小引線阻抗產(chǎn)生的額外殘壓，因為前級避雷器已將大部分雷電流泄放 入地，在后級避雷器中泄放的雷電流較小 10。 電監(jiān)控系統(tǒng)的方案措施 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 遭受的雷擊多是下行雷 ， 主要來自 2 個方面 ： 一是雷直擊在 光伏 電站的電氣設(shè)備上 ； 二是架空線路的感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入 光伏 電站。因此 ， 防護直擊雷和雷電波對 光伏 電站進線及變壓器的破壞十分重要。 對 于 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 雷電 監(jiān)控系統(tǒng)來說，主要 是 防止直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入，因此， 針對不同的雷電危害方式， 采取相對應(yīng)的防雷措施與技術(shù)方法。 （ 1） 光伏電站廠區(qū)直擊雷防護計算 保護半徑 算公式 為 ： )2()2( 式中： h 避雷針高度 被保護物高度 1 緒論 13 滾球半徑 （ 2） 光伏電站太陽電池陣列防護方案 光伏電站的太陽能陣列都是安裝在戶外，主要防的是直擊雷，避雷針是主要的防雷設(shè)備，通過科學的計算，選擇合理可靠的防雷設(shè)備，使得戶外的光伏電站太陽能陣列能夠得到有效的防護。所以要選定避雷針的型號及 性能指標，關(guān)鍵的問題就是要計算好太陽能電池陣列每年的預計雷擊次數(shù)，并利用滾球法計算出避雷的范圍，從而有效的防護光伏電站的太陽能電池陣列 11。 相關(guān)的參數(shù)確定后， 計算出太陽電池陣列年預計雷擊次數(shù) ， 計算公式 為 ： 式中： K 校正系數(shù) 光伏陣列所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度（次 / （ 其中： 13 ） 年平均雷暴日數(shù)，根據(jù)省氣象臺、站資料確定（ d/a） 與光伏陣列截獲相同雷擊次數(shù)的等效面積（ 6e 10 ）（）（）（ （其中 L 、 W 、 H 分別為光伏陣列的長、寬、高） 太陽電池板四周鋁合金框架與支架導通連接，所有支架均采用等電位連接接地，接地電阻 4，在土壤 的 高電阻地區(qū)也不 能 大于 10。 太陽電池板 是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，一組電池陣列由兩層鋼化玻璃夾著 ，由于真空的鋼化玻璃夾層本身就是絕緣體，所以當雷擊發(fā)生時，雷擊電流經(jīng)過太陽電池板的鋁合金框架及金屬支架泄入大地，從而使太陽能電池板得到保護，避免直擊雷沖擊而損壞。 太陽能電池板背面的直流電壓引出導線采用 導線的脈沖絕緣耐壓（ 0s）大于 30供電系統(tǒng)設(shè)備之間達到絕緣配合。 太陽能電池方陣的高度遠低于 220V/380V 架空輸出線電桿高度，該電桿接地可以作為電池方陣的避雷防護措施之一。 此外， 當 直擊雷或云間雷發(fā)生時，可能產(chǎn)生的靜電感應(yīng)過電壓和磁感應(yīng)過電壓，根據(jù)計算分析，也不會對電池板內(nèi)部回路以及電池板本身產(chǎn)生沖擊損壞。 綜上所述，本防護方案可以達到對太陽電池方陣的雷電防護，并且經(jīng)濟、可行。 1 緒論 14 1 對 雷電感應(yīng) 的防護 措施 。 將光