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浅谈屋顶式光伏发电站的防雷措施
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浅谈屋顶式光伏发电站的防雷措施
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屋顶上的“光伏发电站”
——红河州首轮家用光伏发电潮观察
作者：车安达
来源：红河日报
屋顶上的太阳能发电板
　　在蒙自市红银苑小区里，排列得整整齐齐的太阳能电池板，正在一幢别墅的屋顶上吸纳阳光。它们朝向南方，略微倾斜，保持与水平线28度至30度夹角。据说，这是蒙自市全年平均接收阳光最充裕的角度。
　　这是丁虹的家，也是蒙自市第一例并入大电网的家庭太阳能光伏发电设备。日，丁虹的“家庭光伏发电站”成功通过并网申请，能够向国家电网卖电了。
　　第一批“吃螃蟹”的人
　　由于是蒙自市首例，丁虹的新尝试吸引了不少好奇的客人来访，甚至还成为了设备销售方最好的一个推广案例，不时还会带上客户来实地参观一番。
　　这座微型的“光伏发电站”就在她家的屋顶上熠熠生辉。晴天时，这套3千瓦的光伏发电系统一天能发出近20度电，供家庭日常用电。
　　因为在屋顶安装光伏发电设备涉及到房屋的产权问题，拥有私人屋顶的家庭成为第一批“吃螃蟹”的人。这类人群和丁虹一样，具有相当的经济实力，对3万至8万不等的前期投资并不敏感，同时对光伏发电和环保概念又有较高的接受度。
　　除了热衷于环保，家庭光伏发电带来的经济效益也是促使丁虹最终安装这套设备的原因。
　　11月4日，在并网申请验收成功前，她家的光伏发电设备就安装完毕开始工作了，在不到两个月的时间里，已经累计发电900多度，除去家庭用电外，剩余电量已输送到国家电网。
　　“往小了说，能在节省开支的同时获得收益；往大了说，也是一次响应国家号召，践行环保的尝试。”丁虹说。
　　然而，这只是我州首轮家庭屋顶光伏安装潮中的一个侧影。据州电力部门数据，截至11月，我州已经完成居民家庭分布式光伏项目并网的用户为124户，总装机容量达763.9千瓦，其中绝大部分位于农村，城镇的数据则远赶不上。
（责任编辑：刘雯霁）您现在的位置 : >>
并网光伏电站安全质量问题分析
发表于： 14:34:04
作者：孙韵琳，陈荣荣，曾飞，陈思铭
编辑：liufang
【本文独家约稿：作者：顺德中山大学太阳能研究院---孙韵琳，陈荣荣，陈思铭；广东产品质量监督检测研究院---曾飞】
近几年，我国光伏发电产业蓬勃发展，自日，国务院发布《促进光伏产业健康发展的若干意见》以来，国家多部门纷纷出台政策、意见，鼓励支持光伏发电项目。在国家政策如此利好的大环境下，多个省份陆续出台各种政策，旨在贯彻落实国务院精神，推动光伏发电的建设和发展。从2009年国家推行&金太阳&示范工程，到现如今分布式光伏的大力发展，昭示着我国正在开启光伏发电领域的新纪元。
日，国家能源局公布《2014年光伏发电统计信息》，报告中提到[1]，我国2014年新增光伏装机容量约为10.6 GWp，排名世界第一，约占全球新增装机容量的1/5。其中，8.55 GWp，分布式光伏2.05 GWp，。截至2014年底，我国光伏发电累计装机容量为28.05 GWp，排名世界第二，同比增长60%，其中光伏电站23.38 GWp，分布式光伏4.67 GWp。
但是，这个光鲜的光伏电站建设潮下面隐藏的是频现的电站质量问题。近年来，国内外均陆续报道了不少光伏电站的安全事故，多为各种原因引起的火灾、雷击、触电等，其中，比较多的案例是光伏电站起火。2012年7月，位于德国某地的光伏电站起火，起火点发生在屋顶光伏组件的汇流箱处。2013年8月，天津某生态城服务中心的屋顶电站项目发生火灾，虽然消防部门初步确认，起火原因为天气过热，引发楼顶防水层和光伏组件自燃，但是，我们更应该从电站本身的建设、管理以及光伏组件的质量问题等方面深究起火的原因。2015年5月，位于美国亚利桑那州的苹果公司Mesea数据中心发生火灾，目前起火原因尚未明确。光伏电站一旦起火，很难扑灭，因此有些电站起火，人们也只能眼睁睁看着电站自己烧完。除起火外，还有报道称国内电站曾遭遇雷击，特别在夏季多雷暴区，光伏电站一旦遭到雷击，导致设备毁坏，系统无法正常运行，危及周围人员的人身安全。
图1苹果公司屋顶光伏电站火灾现场[3]
2光伏电站安全质量事故与风险
光伏电站的质量一般可包括发电性能和安全性能。发电性能主要反映在系统效率上，系统效率的高低反映了发电性能的优劣；对安全性能而言，可能出现的问题是雷击、触电、起火等。
关于发电性能，目前我国有比较明确的标准规范，主要有以下两份：一是国家能源局于2013年11月印发的《光伏发电运营监管暂行办法》[5]，规定国务院和能源主管部门及其派出机构按照有关规定对光伏发电的电能质量实施监管，二是2014年10月发布的由中国科学院电工研究所光伏技术检测中心制定的《并网光伏电站性能监测与质量评估技术规范（征求意见稿）》[6]，该规范也是主要围绕光伏电站的发电性能展开的。而对于安全性能而言，虽然有很多标准规范（如GB 50797 光伏发电站设计规范）都有涉及电站安全中的一个或几个部分，但是，没有一项是专门针对光伏电站安全方面提出的，这也就导致了光伏电站在前期咨询设计、设备采购、施工建设以及后期运行维护各环节均可能出现电站质量问题的重要原因，如若电站发电性能降低，就会影响电站投资方的收益，而一旦发生安全事故，则有可能会酿成意想不到的惨剧。因此，我国亟待建立光伏电站安全方面的标准体系。
广东质检院有专门针对光伏电站开展光伏电站质量安全风险监测项目，该项目认为光伏电站常见的安全事故和风险主要包括以下两点[4]：
（1）接地失效&触电风险，雷击风险
如果光伏方阵没有可靠接地，可能导致组件边框带有高压，人员或动物靠近时，有触电的危险。汇流箱和逆变器外壳没有可靠接地，容易使维护人员带电操作，有人身安全的风险。另外，位于屋顶的面积巨大的光伏方阵在没有接地的情况下，雷雨天气时就成为一个大型引雷场，容易引起雷击，造成设备损坏甚至组件及线路的燃烧。这就要求光伏电站的防雷接地系统安全可靠、符合国家有关规定，以尽可能避免相关人员触电风险和雷击风险。
（2）绝缘失效&电气短路和打弧风险
如果光伏方阵边框和线缆绝缘电阻过低，在长时间的高压大电流和高温高湿的使用环境下，容易造成绝缘层失效，导致电气短路和打弧。图2所示为汇流箱被火烧后的情形，可见，汇流箱及内部器件全部损坏，顶部组件也因高温产生形变。此案例发生在早上6点左右，事后进行检查时，发现原因是由于早上气温较低，组件运行在较低气温的环境下时，输出电压较大，汇流箱内部平衡器件在高压的情况下被击穿，正负极短路，并导致器件通过电流过大，进而引发火灾。
可从如下几个方面预防电站出现电气短路和直流拉弧：
（1）采购过程中确保设备质量和规格符合有关规定；
（2）建立电气连续性巡检及维护计划，确保电气连接稳固可靠；
（3）规范设备检测技术与流程，确保设备检测工作有效安全进行；
（4）保证光伏电站消防设计符合国家有关规定。
& & & & & &图2汇流箱起火
3光伏电站安全质量问题案例
下面将列举在设计、采购、施工、运行等各个环节可能引发安全质量问题的案例。光伏电站中发生的这些安全质量问题，无疑会降低光伏电站的安全性能。
3.1方阵场存在的安全质量问题
图3至图10展示的是光伏方阵场可能存在的安全质量问题。其中，图3、图4所示为组件被局部遮挡，图5展示的是组件被踩踏，这三种情况均可能导致组件产生热斑效应，严重情况下会引起组件背板烧穿（如图6所示），进而引发火灾。
图7展示的是光伏组件表面大量积灰，这是由于未进行有效的运维，导致灰尘大量堆积，将严重影响电站的发电性能；图8同样展示的是组件表面被灰尘等物质覆盖，但该现象是由于方阵场受周围排出物污染。
图9所示的阵列中组件的连接线未收到组件下，暴晒条件下会导致连接线老化加速；图10所示为组件无边框导致进水，且组件的无边框设计未通过相应认证。这两种情况均会降低组件的绝缘等级。
图3 方阵之间阴影遮挡 图4 方阵被植被遮挡
图5 组件被踩踏[7] 图6 组件表面严重污染
图7光伏组件受周围环境影响 & & & & & & & &图8光伏组件受周围环境影响
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图9线缆未收到组件下（易暴晒老化）[7] & & & & & & &图10组件进水[7]
3.2汇流箱可能存在的安全质量问题
图11汇流盒密封不良[4] & & & & & & & & &图12 汇流箱未封防火泥
图11和图12展示的是汇流箱密封不良，密封不良会增加汇流箱进水的风险，而汇流箱进水容易导致绝缘等级降低，同时发生正负极短路的危险。进水现象除与汇流箱本身密封不良有关外，安装方式也会在一定程度上造成影响。图13的3张图展示了光伏电站中出现过的汇流箱的三种安装方式，显而易见，直接平放在屋面的安装方式会增加汇流箱进水的风险。（a）中的光伏电站将汇流盒与屋顶完全平行安装，角度大约5&，接近水平，且部分汇流盒由于屋顶朝向的原因，进线口朝上或朝下安装均存在，进线口朝上的汇流盒则更容易在大雨天气进水；（b）中所示是一般屋顶电站中通常采用的安装方式；（c）中的集中式汇流箱倾斜大约45&安装，相比水平安装的汇流箱可在一定程度上降低进水的风险，但风险仍然存在。
（a）水平安装 & & &（b）垂直安装 & &&
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & （c）倾斜安装
图13 汇流箱的安装方式[4]
目前的光伏电站中，汇流箱还存在以下安全质量问题，如图14至图18所示。需要特别说明的是图16所示案例，汇流箱内的接线未区分正负极，这将给电站检测、运维等带来不便，同时增加了检修人员触电的危险。
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图14汇流箱端子安装不牢固[7] & & & & & & & & & & & & &图15汇流箱端子虚接[7]
&图16汇流箱未分正负极图[7] & & & & & & & &图17汇流箱线未走线槽[7]&
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图18汇流箱走线混乱[8]
值得注意的是，通过对多个光伏电站进行绝缘测试和电气检查发现，有些电站均存在绝缘风险（如图11和图12所示电站），但其绝缘电阻测试值均符合要求，说明仅靠测试值不能完全反应电站的安全性，长期运行风险仍然比较大。因此，需结合绝缘测试和电气检查，对电站进行全面考察，进而判断电站的安全性。
3.3防雷接地系统可能存在的安全质量问题
防雷接地系统的存在，就是采取有效措施，防止直击雷、感应雷、雷电波对光伏电站的破坏，保证光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行。光伏电站防雷接地系统的可靠性将直接关系到电站是否存在遭雷击的风险。下面列举了防雷接地系统中存在的比较典型的安全质量问题的案例。
（1）防雷接地材料锈蚀
图19展示的是汇流槽的接地线老化严重，已不具备连接作用。图20展示的是接地线的螺丝生锈，连接处可能存在虚接现象，导致接地失效。
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &图19汇流槽接线老化严重 & & & & & & & & & & & & & & & & 图20接地线螺丝生锈[7]
（2）防雷接地系统设计存在问题
目前，国内对光伏电站的防雷接地措施尚无明确的设计要求，特别是无标准规定光伏电站的防雷接地是否必须采用独立接地的方式。为降低成本，国内已建设的分布式光伏电站仅有少数进行了独立接地，其余大部分与建筑物共用防雷接地系统。共用防雷接地系统的项目中，一部分将组件边框与支架连接，再与屋顶原有的接地系统连通（图21），这样光伏组件本身作为防雷的接闪器，圆钢/扁钢为引下线，一般认为只要各部分电气连接良好，也可达到较好的防雷接地效果；而另一部分彩钢瓦屋顶电站则本身没有引下线，光伏系统也不额外安装引下线，直接用压具将组件边框与彩钢瓦固定，从而与金属屋面连通（图22），这种安装方式极易受压具与彩钢瓦屋顶接触质量的影响，导致接地连续性电阻值偏高[4]。
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图21组件与屋顶共用防雷接地系统[7] & & & & & & & 图22组件边框直接与彩钢瓦固定[7]
（3）防雷接地系统存在的其他问题
防雷接地系统中还有可能存在以下安全问题，图23展示的是接地扁铁未涂黄绿漆，甚至部分电站竣工后，仍然出现防雷接地装置尚未完成的现象（如图24所示），这是由于建设为了赶工期，以便尽早拿到补贴，从而忽视了电站安全问题。
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图23接地扁铁未涂黄绿油漆[7] & & & & & & & & & 图24接地系统未完成[7]
3.4其他安全质量问题
下面列举一些其他安全质量问题，图25所示的案例会降低系统的绝缘性，容易出现漏电的危险。图（a）所示为电缆被螺丝刺破；图（b）所示为管道边缘的电缆未实行保护措施，电缆与管道摩擦易破损，影响绝缘性；图（c）所示为电缆沟内有水，光伏电缆进水，这无疑会降低电缆的绝缘等级。
& & （a）[7] & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & （b） &
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & （c）
图25 降低绝缘性的其他安全质量问题
光伏组件安装于户外，不可避免地会由于人为踩踏、重物撞击等原因造成个别组件破损，这种现象在采用无边框组件的电站中更加常见。组件破损会造成内部带高电压的电池裸露于空气中，从而带来触电风险，绝缘等级降低[4]。图27所示为电站中使用的型材生锈，长期运行下去会影响方阵场的牢固性。图28所示的电站中未张贴光伏电站警告标志，会加大人员触电的危险。
图26 晶体硅光伏组件破损 & & & & & & & & & & & &图27非晶硅光伏组件破损 & & &
&图28未贴光伏电站警告标志[7]
光伏电站中发生的这些质量问题，无疑会降低光伏电站的输出性能，导致电站经济收益下降，甚至直接导致电站失效。我国亟待推出相应监管体系，用以规范光伏电站设计、施工、建设等各个阶段。作为光伏从业人员，我们需要注重全过程质量管理，加强光伏应用标准体系建设；应用光伏电站全生命周期理念，在光伏电站长达25年的生命周期里，结合应用气候环境对材料进行选择，在产品制造、系统设计、施工建设、运行维护全过程中进行严格质量管控，尽可能做到降低电站的潜在安全风险。
参考文献：
[1]国家能源局，2014年光伏发电统计信息，2014.
[2].cn/info/201410/lushiu081014.shtml.
[3]/2015-06/ART-0-.html
[4]广东质检院光伏质检中心（广东），《分布式光伏电站质量安全风险监测分析报告》（国家质检总局2014年重点工业产品质量安全风险监测计划项目）。
[5]国家能源局，《光伏发电运营监管暂行办法》，2013。
[6]国家发改委，《光伏电站性能检测与质量评估技术规范(征求意见稿)》，2014。
[7]图片来源：广东质检院国家光伏质检中心。
[8]陈荣荣，孙韵琳，陈思铭，并网光伏电站常见故障分类与案例分析，第13届中国光伏大会会议论文。
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打雷时手机是否会引雷？央视节目得出惊人结论
焦点访谈栏目对此做过相关实验，发出雷电的是高达50米的高压发电器下面平板电极上的一个金属棒。结果表明
　　原标题：打雷时手机是否会引雷？ 央视节目得出相反结论雷雨天不要打电话，否则容易引来雷击。这样的说法在民间一直很盛行。那真相到底是怎么样的呢？
　　手机是否引雷击，两节目得出不同结论
　　8月份，焦点访谈栏目对此做过相关实验，发出雷电的是高达50米的高压发电器下面平板电极上的一个金属棒。结果表明，只要开机无论电话是否处于通话状态，手机都可能引来雷电，手机引雷说在网上炒的沸沸扬扬。最近，央视《是真的吗》栏目组也就这个问题进行了探讨，实验原理与前者相同，却否认了这一看法。
　　实验中通过标称7200千伏的冲击电压发生器，产生标准的雷电冲击波。一个假人拿接通后的手机，另两个模型没携带任何金属物品，结果，闪电打在地面上，三个模型安然无恙。前十次实验中，拿手机的假人模型没有一次被闪电击中。调换了假人的安放位置后继续试验，然而直到第18次电击时，闪电才终于打中拿手机的假人。在随后的20次雷击实验中，高举手机的假人却只遭到了一次电击！可见雷击与是否带手机没有直接关联。
　　两次试验结果得出的结论不同，对此全国著名防雷专家、中国气象学会雷电防护研究会研究院关象石表示，雷电是冲击波，焦点访谈中高压发电器模拟的雷场不能代替自然界。关象石说，试验次数少，假人未移动位置，导致焦点访谈的试验方法不靠谱。
　　带金属物品、&站&得高的，雷雨天都危险
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　　今日，澎湃新闻报道：在申请光伏发电的居民之中，主要以光伏相关行业从业人员、以及偏爱清洁能源的环保主义者为主，他们对光伏行业都比较了解，对于设备维护等也都很熟悉，能够承受先期投入带来的成本回收风险，也愿意享受清洁能源带来的环保效益。普通老百姓很少愿意安装家庭光伏电站。
　　这是为什么呢？
　　“说实话，2万元的材料和安装费，够我交好多年的电费了，我又不了解这个，为什么要去安装呢？我觉得挺难接受的。”一位家住闵行的市民告诉记者，她肯定不会考虑去安装这种光伏发电设备。与光伏相关行业无关的多位市民都表达了类似看法。
　　在太阳汇小编看来，普通百姓不想安装，其中最重要一点就是对家庭光伏电站不了解，因此，对光伏存在几大误区也就出来了。
　　误区一：这种光伏发电系统太专业了，安装太费事了。
　　正解：安装家庭光伏，所需要用的设备主要是光伏组件、逆变器、防雷箱、计量表等，不需要架设输电线路，设计师会根据用户家的线路进行铺线，对自家正常用电完全不会带来影响，而且系统安装均由设计师设计安装，许多设计安装公司提供“交钥匙“式服务，用户完全不用去考虑系统安装问题。
　　误区二：对于设备损坏该如何维修、多久能收回成本、政府补贴是否长期稳定等问题不了解，风险太大。
　　正解：家庭光伏电站设备受损率非常小，正规厂家，组件质保25年，后期维护主要是清洁组件上面的灰尘，鸟屎，以及去掉遮挡物，避免影响发电，而一般来说，光伏电站6~8年即可回收成本，国家补贴20年，有长达25年的净收益，它的收益是非常可观的，属于高收益，零风险的一种投资。
　　误区三：建设家庭光伏电站会破坏我家屋顶。
　　正解：现有安装家庭光伏系统均为架空设计，对屋顶不会造成任何损坏，也不会导致积水，夏天的时候，有遮阳作用，降低室内温度，同时它具有一种美观的作用，让自家的变得屋顶高大上。
　　对于小区用户来讲，申请光伏发电系统有点麻烦，然而对于有独立屋顶产权的用户来说，能够安装，绝对是一笔可观的财富，电站整个过程简单，方便操作，后期维护少，产生的费用少，同时相比其他的投资方式，光伏电站有着25年的可观收益。
　　这样还觉得安装电站费事，风险大吗？
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