屋顶光伏系统的雷电和电涌保护
目前，已经安装了许多光伏系统。 基于这样的事实：自发电通常更便宜，并且与电网的电气独立性很高，因此，光伏系统将在未来成为电气设备不可或缺的一部分。 然而，这些系统暴露于所有天气条件下，并且必须经受数十年的考验。
光伏系统的电缆经常进入建筑物并延伸很长的距离，直到它们到达电网连接点。
雷电放电会导致基于现场的传导干扰。 与增加电缆长度或导体回路有关，此效果会增加。 浪涌不仅会损坏光伏组件，逆变器及其监控电子设备，还会损坏建筑物中的设备。
更重要的是，工业建筑的生产设施也很容易损坏，生产可能会停止。
如果将电涌注入远离电网的系统（也称为独立PV系统），则由太阳能供电的设备（例如医疗设备，供水）的运行可能会受到干扰。
屋顶防雷系统的必要性
雷电释放的能量是引起火灾的最常见原因之一。 因此，在直接雷击建筑物的情况下，人身保护和防火至关重要。
在光伏系统的设计阶段，很明显是否在建筑物上安装了防雷系统。 一些国家的建筑法规要求公共建筑（例如公共集会场所，学校和医院）必须配备防雷系统。 对于工业或私人建筑，是否必须安装防雷系统取决于其位置，建筑类型和利用情况。 为此，必须确定是否将要发生雷击或可能产生严重后果。 需要保护的建筑物必须配备永久有效的防雷系统。
根据科学和技术知识的状况，光伏组件的安装不会增加雷击的风险。 因此，仅从光伏系统的存在就不能直接得出防雷措施的要求。 但是，可能会通过这些系统将大量的雷电干扰注入建筑物。
因此，有必要根据IEC 62305-2（EN 62305-2）确定由雷击引起的风险，并在安装光伏系统时考虑到该风险分析的结果。
德国DIN EN 4.5-5标准增补62305的第3节（风险管理）描述了为LPS III（LPL III）类设计的防雷系统符合光伏系统的常规要求。 此外，德国保险协会发布的德国VdS 2010指南（面向风险的雷电和电涌保护）中列出了足够的防雷措施。 该指南还要求为屋顶光伏系统（> 10 kW）安装LPL III，并因此要根据LPS III类别安装防雷系统。p），并采取电涌保护措施。 通常，屋顶光伏系统不得干扰现有的防雷措施。
光伏系统电涌保护的必要性
如果发生雷电放电，则会在电导体上引起电涌。 已经证明必须在交流，直流和数据侧将要保护的设备上游安装的电涌保护设备（SPD）在保护电气系统免受这些破坏性电压峰值的损害方面非常有效。 CENELEC CLC / TS 9.1-50539标准的第12节（选择和应用原理–与光伏装置连接的SPD）要求安装电涌保护装置，除非风险分析表明不需要SPD。 根据IEC 60364-4-44（HD 60364-4-44）标准，还必须为没有外部防雷系统的建筑物（例如，商业和工业建筑物，例如农业设施）安装电涌保护装置。 德国DIN EN 5-62305标准的增补3提供了SPD类型及其安装位置的详细说明。
光伏系统的电缆布线
电缆的布线方式必须避免大的导体环路。 将直流电路组合成一个串并互连多个串时必须遵守这一规定。 此外，数据线或传感器线不得在多条线上布线，并与这些线形成较大的导体回路。 将逆变器连接到电网时也必须遵守这一点。 因此，必须将电源线（直流和交流）和数据线（例如辐射传感器，成品率监控）与等电位连接导体一起沿其整个路径布线。
光伏系统接地
光伏模块通常固定在金属安装系统上。 直流侧的带电PV组件具有符合IEC 60364-4-41标准要求的双重绝缘或增强绝缘（与之前的保护性绝缘相比）。 模块和逆变器侧的多种技术的结合（例如，带或不带电流隔离）会导致不同的接地要求。 此外，仅当安装系统接地时，集成在逆变器中的绝缘监控系统才能永久有效。 关于实际实施的信息在德国DIN EN 5-62305标准的补充3中提供。 如果光伏系统位于空气终端系统的受保护容积内，并且分隔距离得以保持，则金属子结构将在功能上接地。 补编7第5节要求铜导体的横截面至少为6 mm2 或等效功能接地（图1）。 安装导轨还必须通过该横截面的导线永久互连。 如果由于无法保持分隔距离s而将安装系统直接连接到外部防雷系统，则这些导体将成为雷电等电位连接系统的一部分。 因此，这些元件必须能够承载雷电流。 为LPS III类设计的防雷系统的最低要求是横截面为16 mm的铜导体2 或同等学历。 同样，在这种情况下，必须使用该横截面的导线将安装导轨永久互连（图2）。 功能性接地/雷电等电位连接导体应平行布置，并尽可能靠近直流和交流电缆/线路。
UNI接地夹（图3）可以固定在所有常见的安装系统上。 它们连接例如横截面为6或16 mm的铜导体2 直径为8到10毫米的裸露接地线以可以承载雷电流的方式连接到安装系统。 集成的不锈钢（V4A）接触板可确保铝制安装系统的腐蚀防护。
间隔距离s符合IEC 62305-3（EN 62305-3），在雷电保护系统和光伏系统之间必须保持一定的间隔距离s。 它定义了避免因外部雷电保护系统遭受雷击而导致相邻金属零件不受控制的飞弧所需的距离。 在最坏的情况下，这种不受控制的闪络可能会使建筑物着火。 在这种情况下，对光伏系统的损坏变得无关紧要。
太阳能电池的核心阴影
太阳能发电机与外部雷电保护系统之间的距离对于防止过度遮挡绝对是必不可少的。 例如，架空线投射的漫射阴影不会显着影响PV系统和产量。 但是，在有核心阴影的情况下，深色轮廓清晰的阴影会投射在对象后面的表面上，从而改变流过PV模块的电流。 因此，太阳能电池和相关的旁路二极管一定不会受到铁芯阴影的影响。 这可以通过保持足够的距离来实现。 例如，如果直径为10 mm的空气终端杆遮挡了模块，则随着与模块的距离增加，芯线阴影会逐渐减小。 在1.08 m之后，只有漫反射阴影投射在模块上（图4）。 德国DIN EN 5-62305标准补充文件3的附录A提供了有关核心阴影计算的更多详细信息。
光伏系统直流侧的特殊电涌保护器
光伏电流源的U / I特性与常规直流电源的U / I特性有很大不同：它们具有非线性特性（图5），并且会长期引起点燃的电弧。 PV电流源的这种独特性质不仅需要更大的PV开关和PV熔断器，而且还需要浪涌保护装置的隔离器，该隔离器适用于这种独特的性质并且能够应对PV电流。 德国DIN EN 5-62305标准的补充3（第5.6.1节，表1）描述了适当SPD的选择。
为便于选择1型浪涌保护器，表1和表2列出了所需的雷电冲击电流承载能力IIMP 取决于LPS的类别，外部雷电保护系统的许多引下线以及SPD类型（基于限压变阻器的避雷器或基于电压转换火花隙的避雷器）。 必须使用符合适用的EN 50539-11标准的SPD。 CENELEC CLC / TS 9.2.2.7-50539的12小节也引用了此标准。
用于光伏系统的1型直流避雷器：
多极1型+ 2型组合式直流避雷器FLP7-PV。 该直流开关设备由带断路和短路的组合设备（带热动态控制）和旁路路径中的保险丝组成。 该电路可在过载情况下安全地将避雷器与发电机电压断开，并可靠地熄灭直流电弧。 因此，它无需额外的备用保险丝即可保护高达1000 A的光伏发电机。 该避雷器将雷电避雷器和电涌避雷器组合在一个设备中，从而确保了对终端设备的有效保护。 凭借其放电能力我总 它具有12.5 kA（10/350μs）的电流，可以灵活地用于最高等级的LPS。 FLP7-PV可用于电压UCPV 分别为600 V，1000 V和1500 V，宽度仅为3个模块。 因此，FLP7-PV是用于光伏电源系统的理想1型组合式避雷器。
电压切换基于火花隙的1型SPD，例如FLP12,5-PV，是另一项强大的技术，在直流PV系统的情况下，可以释放部分雷电流。 凭借其火花隙技术和直流消光电路，该电路可有效保护下游电子系统，该避雷器系列具有极高的雷电流放电容量I总 50 kA（10/350μs）的电流，这在市场上是独一无二的。
用于光伏系统的2型直流避雷器：SLP40-PV
使用2型电涌保护器时，直流PV电路中SPD的可靠运行也是必不可少的。 为此，SLP40-PV系列电涌放电器还具有抗故障的Y保护电路，并且无需额外的备用保险丝即可连接至最大1000 A的PV发电机。
这些避雷器中结合了多种技术，可防止由于光伏电路中的绝缘故障而造成的电涌保护装置损坏，过载的避雷器着火的风险，并使避雷器处于安全的电气状态，而不会中断光伏系统的运行。 由于具有保护电路，即使在光伏系统的直流电路中，压敏电阻的限压特性也可以得到充分利用。 此外，永久性电涌保护装置可最大程度地减小许多小电压峰值。
根据电压保护等级U选择SPDp
光伏系统侧直流电的工作电压因系统而异。 目前，最大可能值为1500 V dc。 因此，终端设备的介电强度也不同。 为确保对光伏系统进行可靠的保护，电压保护等级Up SPD的额定值必须低于应保护的PV系统的介电强度。 CENELEC CLC / TS 50539-12标准要求Up至少比PV系统的介电强度低20％。 1型或2型SPD必须与终端设备的输入进行能量协调。 如果SPD已集成到终端设备中，则制造商将确保2型SPD与终端设备输入电路之间的协调。
应用实例：
没有外部防雷系统的建筑物（情况A）
图12显示了安装在不带外部雷电保护系统的建筑物上的光伏系统的电涌保护概念。 由于附近的雷击引起的电感耦合或从电源系统经过服务入口到达用户设施的危险耦合进入光伏系统，危险的电涌进入光伏系统。 Type 2 SPD将安装在以下位置：
–模块和逆变器的直流侧
–逆变器的交流输出
–主低压配电板
–有线通讯接口
逆变器的每个直流输入（MPP）必须由2型电涌保护装置（例如SLP40-PV系列）进行保护，该装置可以可靠地保护光伏系统侧的直流。 如果逆变器输入和PV发电机之间的距离超过50539 m，则CENELEC CLC / TS 12-2标准要求在模块侧安装一个附加的10型直流避雷器。
如果光伏逆变器与并网连接点处的2型避雷器的安装位置（低压馈电）之间的距离小于10 m，则将充分保护逆变器的交流输出。 如果电缆更长，则必须按照CENELEC CLC / TS 2-40在变频器输入交流输入的上游安装一个附加的275型电涌保护装置，例如SLP50539-12系列。
此外，必须在低压馈电表的上游安装2型SLP40-275系列电涌保护器。 CI（电路中断）代表集成在避雷器保护路径中的协调性保险丝，它使避雷器可以在交流电路中使用，而无需额外的备用保险丝。 SLP40-275系列适用于每种低压系统配置（TN-C，TN-S，TT）。
如果将逆变器连接到数据线和传感器线以监控产量，则需要合适的电涌保护装置。 FLD2系列具有两对端子，例如用于输入和输出数据线的端子，可用于基于RS 485的数据系统。
具有外部防雷系统和足够的隔离距离s的建筑物（情况B）
图13 显示了具有外部避雷系统的光伏系统的电涌保护概念，以及光伏系统与外部避雷系统之间的足够距离s。
首要的保护目标是避免雷击对人员和财产（建筑物火灾）的损害。 在这种情况下，重要的是光伏系统不得干扰外部防雷系统。 此外，必须保护光伏系统本身免受直接雷击。 这意味着必须将PV系统安装在外部防雷系统的受保护空间内。 受保护的空间由防雷系统（例如，防雷棒）形成，可防止雷电直接冲击光伏组件和电缆。 防护角法 （图14） 或滚球法 （图15） 可以使用IEC 5.2.2-62305（EN 3-62305）标准的3小节中所述的方法来确定该受保护的体积。 光伏系统的所有导电部件和防雷系统之间必须保持一定的间距s。 在这种情况下，必须通过例如在空气终止杆和PV模块之间保持足够的距离来防止芯部阴影。
雷电等电位连接是雷电保护系统不可或缺的一部分。 必须对可能传导雷电流的所有进入建筑物的导电系统和线路实施该保护措施。 这是通过直接连接所有金属系统并将所有通电系统通过1型雷电避雷器间接连接到接地系统来实现的。 雷电等电位连接应尽可能靠近建筑物的入口，以防止部分雷电流进入建筑物。 电网连接点必须由基于多极火花隙的1型SPD保护，例如1型FLP25GR组合式避雷器。 该避雷器将雷电避雷器和电涌避雷器组合在一个设备中。 如果避雷器与逆变器之间的电缆长度小于10 m，则可提供足够的保护。 如果电缆更长，则必须按照CENELEC CLC / TS 2-50539在逆变器输入交流电源的上游安装附加的12型电涌保护设备。
逆变器输入的每个直流电都必须由2型PV避雷器保护，例如SLP40-PV系列（图16）。 这也适用于无变压器设备。 例如，如果将逆变器连接到数据线以监控产量，则必须安装电涌保护装置以保护数据传输。 为此，可以为带有模拟信号和数据总线系统（例如RS2）的线路提供FLPD485系列。 它检测有用信号的工作电压，并将电压保护级别调整到该工作电压。
耐高压绝缘HVI导体
保持分隔距离的另一种可能性是使用耐高压的绝缘HVI导体，该导体可在空气中保持最远0.9 m的分隔距离。 HVI导体可在密封端范围下游直接接触光伏系统。 本《防雷指南》或相关的安装说明中提供了有关HVI导体的应用和安装的更多详细信息。
具有外部雷电保护系统且间隔距离不足的建筑物（情况C）
如果屋顶由金属制成或由光伏系统本身形成，则无法保持分隔距离s。 光伏安装系统的金属组件必须以能够承载雷电流的方式连接到外部避雷系统（铜导体的横截面至少为16 mm2 或同等学历）。 这意味着，还必须对从外部进入建筑物的光伏线路实施雷电等电位连接（图17）。 根据德国DIN EN 5-62305标准的补充3和CENELEC CLC / TS 50539-12标准，对于光伏系统，直流线路必须使用1型SPD进行保护。
为此，使用了1型和2型FLP7-PV组合式避雷器。 低压馈电中也必须实现雷电等电位连接。 如果光伏逆变器与安装在电网连接点的10型SPD距离超过1 m，则必须在逆变器的交流侧安装一个附加的1型SPD（例如1型） + 2型FLP25GR组合式避雷器）。 还必须安装合适的电涌保护器，以保护相关数据线以进行产量监控。 FLD2系列电涌保护器用于保护数据系统，例如基于RS 485的数据系统。
带有微逆变器的光伏系统
微型逆变器需要不同的电涌保护概念。 为此，一个模块或一对模块的线路的直流电直接连接到小型逆变器。 在此过程中，必须避免不必要的导体回路。 电感耦合到如此小的直流结构中通常仅具有低的能量破坏潜力。 带有微型逆变器的光伏系统的广泛布线位于交流侧（图18）。 如果微型逆变器直接安装在模块上，则电涌保护设备只能安装在交流侧：
–没有外部防雷系统的建筑物= 2型SLP40-275避雷器，用于交流/三相电流，紧邻微型逆变器和低压馈电处的SLP40-275。
–具有外部防雷系统和足够的隔离距离s的建筑物，= 2型避雷器，例如SLP40-275，紧邻低压逆变器处的微型逆变器和带有雷电流的1型避雷器，例如FLP25GR。
–带有外部避雷系统且间隔距离不足的建筑物，s = 1型避雷器，例如SLP40-275，紧邻低压变频器处的微型逆变器和带有雷电流的1型FLP25GR避雷器。
微逆变器独立于特定制造商，具有数据监控系统。 如果通过微逆变器将数据调制到交流线路，则必须在单独的接收单元上提供电涌保护设备（数据输出/数据处理）。 与下游总线系统及其电源（例如以太网，ISDN）的接口连接也是如此。
太阳能发电系统是当今电气系统不可或缺的一部分。 它们应配备足够的雷电电流和避雷器，从而确保这些电源的长期无故障运行。
