屋頂光伏系統的雷電和電湧保護
目前，已經安裝了許多光伏系統。 基於這樣的事實，即自發電通常更便宜，並且與電網的電氣獨立性很高，因此，光伏系統將在未來成為電氣設備不可或缺的一部分。 然而，這些系統暴露於所有天氣條件下，並且必須經受數十年的考驗。
光伏系統的電纜經常進入建築物並延伸很長一段距離，直到它們到達電網連接點。
雷電放電會導致基於現場的傳導干擾。 與增加電纜長度或導體迴路有關，此效果會增加。 浪湧不僅會損壞光伏組件，逆變器及其監控電子設備，還會損壞建築物中的設備。
更重要的是，工業建築的生產設施也很容易損壞，生產可能會停止。
如果將電湧注入遠離電網的系統（也稱為獨立PV系統），則由太陽能供電的設備（例如醫療設備，供水）的運行可能會受到干擾。
屋頂防雷系統的必要性
雷電釋放的能量是引起火災的最常見原因之一。 因此，在直接雷擊建築物的情況下，人身保護和防火至關重要。
在光伏系統的設計階段，很明顯是否在建築物上安裝了防雷系統。 一些國家的建築法規要求公共建築（例如公共集會場所，學校和醫院）必須配備防雷系統。 對於工業或私人建築，是否必須安裝防雷系統取決於其位置，建築類型和利用情況。 為此，必須確定是否將要發生雷擊或可能產生嚴重後果。 需要保護的結構必須配備永久有效的防雷系統。
根據科學和技術知識的狀況，光伏組件的安裝不會增加雷擊的風險。 因此，僅從光伏系統的存在就不能直接得出防雷措施的要求。 但是，可能會通過這些系統將大量的雷電干擾注入建築物。
因此，有必要根據IEC 62305-2（EN 62305-2）確定由雷擊引起的風險，並在安裝光伏系統時考慮到該風險分析的結果。
德國DIN EN 4.5-5標準增補62305的第3節（風險管理）描述了為LPS III（LPL III）類設計的防雷系統符合光伏系統的常規要求。 此外，德國保險協會發布的德國VdS 2010指南（面向風險的雷電和電湧保護）中列出了足夠的防雷措施。 該指南還要求為屋頂光伏系統（> 10 kW）安裝LPL III，並因此要根據LPS III類別安裝防雷系統。p），並採取電湧保護措施。 通常，屋頂光伏系統不得乾擾現有的防雷措施。
光伏系統電湧保護的必要性
如果發生雷電放電，則會在電導體上引起電湧。 已經證明，必須在交流，直流和數據側的要保護設備的上游安裝電湧保護設備（SPD），可以有效地保護電氣系統免受這些破壞性電壓峰值的影響。 CENELEC CLC / TS 9.1-50539標準的第12節（選擇和應用原理–與光伏裝置連接的SPD）要求安裝電湧保護裝置，除非風險分析表明不需要SPD。 根據IEC 60364-4-44（HD 60364-4-44）標準，還必須為沒有外部防雷系統的建築物（例如，商業和工業建築物，例如農業設施）安裝電湧保護裝置。 德國DIN EN 5-62305標準的增補3提供了SPD類型及其安裝位置的詳細說明。
光伏系統的電纜佈線
電纜的佈線方式必須避免大的導體環路。 將直流電路組合成一個串並互連多個串時必須遵守這一規定。 此外，數據線或傳感器線不得在多條線上佈線，並與這些線形成較大的導體迴路。 將逆變器連接到電網時也必須遵守這一點。 因此，必須將電源線（直流和交流）和數據線（例如輻射傳感器，成品率監控）與等電位連接導體一起沿其整個路徑佈線。
光伏系統接地
光伏模塊通常固定在金屬安裝系統上。 直流側的帶電PV組件具有符合IEC 60364-4-41標準要求的雙重絕緣或增強絕緣（與以前的保護性絕緣相比）。 模塊和逆變器側的多種技術的結合（例如，帶或不帶電流隔離）會導致不同的接地要求。 此外，僅當安裝系統接地時，集成在逆變器中的絕緣監控系統才能永久有效。 有關實際實施的信息，請參見德國DIN EN 5-62305標準的增補3。 如果光伏系統位於空氣終端系統的受保護容積內，並且分隔距離得以保持，則金屬子結構將在功能上接地。 補編7第5節要求銅導體的橫截面至少為6 mm2 或等效功能接地（圖1）。 安裝導軌還必須通過該橫截面的導線永久互連。 如果由於無法保持分隔距離s而將安裝系統直接連接到外部防雷系統，則這些導體將成為雷電等電位連接系統的一部分。 因此，這些元件必須能夠承載雷電流。 為LPS III類設計的防雷系統的最低要求是橫截面為16 mm的銅導體2 或同等學歷。 同樣，在這種情況下，必須使用該橫截面的導線將安裝導軌永久互連（圖2）。 功能性接地/雷電等電位連接導體應平行佈置，並儘可能靠近直流和交流電纜/線路。
UNI接地夾（圖3）可以固定在所有常見的安裝系統上。 它們連接例如橫截面為6或16 mm的銅導體2 直徑為8到10毫米的裸露接地線以可以承載雷電流的方式連接到安裝系統。 集成的不銹鋼（V4A）接觸板可確保鋁製安裝系統的腐蝕防護。
間隔距離s符合IEC 62305-3（EN 62305-3），在雷電保護系統和光伏系統之間必須保持一定的間隔距離s。 它定義了避免因外部雷電保護系統遭受雷擊而導致相鄰金屬零件不受控制的飛弧所需的距離。 在最壞的情況下，這種不受控制的跳火可能會使建築物著火。 在這種情況下，對光伏系統的損壞變得無關緊要。
太陽能電池的核心陰影
太陽能發電機與外部雷電保護系統之間的距離對於防止過度遮擋絕對至關重要。 例如，架空線投射的漫射陰影不會顯著影響PV系統和產量。 但是，在有核心陰影的情況下，深色輪廓清晰的陰影會投射在對像後面的表面上，從而改變流經PV模塊的電流。 出於這個原因，太陽能電池和相關的旁路二極管必須不受鐵芯陰影的影響。 這可以通過保持足夠的距離來實現。 例如，如果直徑為10 mm的空氣終端桿遮擋了模塊，則隨著與模塊的距離增加，芯線陰影會逐漸減小。 在1.08 m之後，只有漫反射陰影投射在模塊上（圖4）。 德國DIN EN 5-62305標準增補3的附件A提供了有關核心陰影計算的更多詳細信息。
光伏系統直流側的特殊電湧保護器
光伏電流源的U / I特性與常規直流電源的U / I特性有很大不同：它們具有非線性特性（圖5），並且會長期引起點燃的電弧。 PV電流源的這種獨特性質不僅需要更大的PV開關和PV熔斷器，而且還需要浪湧保護裝置的隔離器，該隔離器適合於這種獨特的性質並且能夠應對PV電流。 德國DIN EN 5-62305標準的補充3（表5.6.1小節）描述了適當SPD的選擇。
為便於選擇1型浪湧保護器，表1和表2列出了所需的雷電衝擊電流承載能力IIMP 取決於LPS的類別，外部避雷系統的許多引下線以及SPD類型（基於限壓變阻器的避雷器或基於電壓開關火花隙的避雷器）。 必須使用符合適用的EN 50539-11標準的SPD。 CENELEC CLC / TS 9.2.2.7-50539的12小節也引用了此標準。
用於光伏系統的1型直流避雷器：
多極1型+ 2型組合式直流避雷器FLP7-PV。 該直流開關設備由帶斷路和短路的組合設備（帶動態動態控制）和旁路路徑中的保險絲組成。 該電路可在過載情況下安全地將避雷器與發電機電壓斷開，並可靠地熄滅直流電弧。 因此，它無需額外的備用保險絲即可保護高達1000 A的光伏發電機。 該避雷器將雷電避雷器和電湧避雷器組合在一個設備中，從而確保了對終端設備的有效保護。 憑藉其放電能力我總 它具有12.5 kA（10/350μs）的電流，可以靈活地用於最高等級的LPS。 FLP7-PV可用於電壓UCPV 分別為600 V，1000 V和1500 V，寬度僅為3個模塊。 因此，FLP7-PV是用於光伏電源系統的理想1型組合式避雷器。
電壓切換基於火花隙的1型SPD，例如FLP12,5-PV，是另一項強大的技術，在直流PV系統的情況下，它可以釋放部分雷電流。 憑藉其火花隙技術和可有效保護下游電子系統的直流消光電路，該避雷器系列具有極高的雷電流放電容量I總 50 kA（10/350μs）的電流，這在市場上是獨一無二的。
用於光伏系統的2型直流避雷器：SLP40-PV
使用2型電湧保護器時，直流PV電路中SPD的可靠運行也是必不可少的。 為此，SLP40-PV系列電湧放電器還具有抗故障的Y保護電路，並且無需額外的備用保險絲即可連接至最大1000 A的PV發電機。
這些避雷器中結合了多種技術，可防止由於光伏電路中的絕緣故障而損壞電湧保護器，避免因避雷器過載而引發火災的危險，並使避雷器處於安全的電氣狀態，而不會影響光伏系統的運行。 由於具有保護電路，即使在光伏系統的直流電路中，壓敏電阻的限壓特性也可以得到充分利用。 此外，永久性電湧保護裝置可最大程度地減小許多小電壓峰值。
根據電壓保護等級U選擇SPDp
光伏系統側直流電的工作電壓因係統而異。 目前，最大可能值為1500 V dc。 因此，終端設備的介電強度也不同。 為確保對光伏系統進行可靠的保護，電壓保護等級Up SPD的額定值必須低於應保護的PV系統的介電強度。 CENELEC CLC / TS 50539-12標準要求Up至少比PV系統的介電強度低20％。 1型或2型SPD必須與終端設備的輸入進行能量協調。 如果SPD已集成到終端設備中，則製造商將確保2型SPD與終端設備輸入電路之間的協調。
應用實例：
沒有外部防雷系統的建築物（情況A）
圖12顯示了安裝在沒有外部雷電保護系統的建築物上的光伏系統的電湧保護概念。 由於附近的雷擊引起的電感耦合或從電源系統通過服務入口到達用戶設施的行進，危險的電湧進入光伏系統。 Type 2 SPD將安裝在以下位置：
–模塊和逆變器的直流側
–逆變器的交流輸出
–主低壓配電板
–有線通訊接口
逆變器的每個直流輸入（MPP）必須由2型電湧保護裝置（例如SLP40-PV系列）進行保護，該裝置可以可靠地保護光伏系統側的直流。 如果逆變器輸入與PV發電機之間的距離超過50539 m，則CENELEC CLC / TS 12-2標準要求在模塊側安裝一個附加的10型直流避雷器。
如果光伏逆變器與並網連接點處的2型避雷器的安裝位置（低壓饋電）之間的距離小於10 m，則將充分保護逆變器的交流輸出。 如果電纜更長，則必須按照CENELEC CLC / TS 2-40在變頻器輸入交流輸入的上游安裝一個附加的275型電湧保護設備，例如SLP50539-12系列。
此外，必須在低壓饋電錶的上游安裝2型SLP40-275系列電湧保護器。 CI（電路中斷）代表集成在避雷器保護路徑中的協調性保險絲，允許避雷器在交流電路中使用，而無需額外的備用保險絲。 SLP40-275系列適用於每種低壓系統配置（TN-C，TN-S，TT）。
如果將逆變器連接到數據線和傳感器線以監控產量，則需要合適的電湧保護裝置。 FLD2系列具有兩對端子，例如用於輸入和輸出數據線，可用於基於RS 485的數據系統。
具有外部防雷系統和足夠的隔離距離s的建築物（情況B）
圖13 顯示了具有外部避雷系統的光伏系統的電湧保護概念，以及光伏系統與外部避雷系統之間的足夠距離s。
首要的保護目標是避免雷擊對人員和財產（建築物火災）的損害。 在這種情況下，重要的是光伏系統不得乾擾外部防雷系統。 此外，必須保護光伏系統本身免受直接雷擊。 這意味著必須將PV系統安裝在外部防雷系統的受保護空間內。 該受保護的空間由防雷系統（例如，防雷棒）形成，可防止雷電直接衝擊光伏組件和電纜。 防護角法 （圖14） 或滾球法 （圖15） 可以使用IEC 5.2.2-62305（EN 3-62305）標準的3小節中所述的方法來確定該受保護的體積。 光伏系統的所有導電部件和防雷系統之間必須保持一定的間距s。 在這種情況下，必須通過例如在空氣終止桿和PV模塊之間保持足夠的距離來防止芯部陰影。
雷電等電位連接是雷電保護系統不可或缺的一部分。 必須對可能傳導雷電流的所有進入建築物的導電系統和線路實施該保護措施。 這是通過直接連接所有金屬系統並將所有通電系統通過1型避雷器間接連接到接地系統來實現的。 雷電等電位連接應盡可能靠近建築物的入口，以防止部分雷電流進入建築物。 電網連接點必須由基於多極火花隙的1型SPD保護，例如1型FLP25GR組合式避雷器。 該避雷器將雷電避雷器和電湧避雷器組合在一個設備中。 如果避雷器和逆變器之間的電纜長度小於10 m，則可提供足夠的保護。 如果電纜更長，則必須按照CENELEC CLC / TS 2-50539在逆變器輸入交流電源的上游安裝附加的12型電湧保護設備。
逆變器輸入的每個直流電都必須由2型PV避雷器保護，例如SLP40-PV系列（圖16）。 這也適用於無變壓器設備。 例如，如果將逆變器連接到數據線以監控產量，則必須安裝電湧保護裝置以保護數據傳輸。 為此，可以為帶有模擬信號和數據總線系統（例如RS2）的線路提供FLPD485系列。 它檢測有用信號的工作電壓，並將電壓保護級別調整到該工作電壓。
耐高壓絕緣HVI導體
保持分隔距離的另一種可能性是使用耐高壓的絕緣HVI導體，該導體可在空氣中保持最遠0.9 m的分隔距離。 HVI導體可在密封端範圍下游直接接觸光伏系統。 本《防雷指南》或相關的安裝說明中提供了有關HVI導體的應用和安裝的更多詳細信息。
具有外部雷電保護系統且間隔距離不足的建築物（情況C）
如果屋頂由金屬製成或由光伏系統本身形成，則無法保持分隔距離s。 光伏安裝系統的金屬組件必須以能夠承載雷電流的方式連接到外部避雷系統（銅導體的橫截面至少為16 mm2 或同等學歷）。 這意味著，還必須對從外部進入建築物的光伏線路實施雷電等電位連接（圖17）。 根據德國DIN EN 5-62305標準的補充3和CENELEC CLC / TS 50539-12標準，對於光伏系統，直流線路必須使用1型SPD進行保護。
為此，使用了1型和2型FLP7-PV組合式避雷器。 低壓饋電中也必須實現雷電等電位連接。 如果光伏逆變器與安裝在電網連接點的10型SPD距離超過1 m，則必須在逆變器的交流側安裝一個附加的1型SPD（例如1型） + 2型FLP25GR組合式避雷器）。 還必須安裝合適的電湧保護器，以保護相關數據線以進行產量監控。 FLD2系列電湧保護器用於保護數據系統，例如基於RS 485的數據系統。
帶有微逆變器的光伏系統
微型逆變器需要不同的電湧保護概念。 為此，一個模塊或一對模塊的線路的直流電直接連接到小型逆變器。 在此過程中，必須避免不必要的導體迴路。 電感耦合到如此小的直流結構中通常僅具有低的能量破壞潛力。 帶有微型逆變器的光伏系統的廣泛佈線位於交流側（圖18）。 如果微型逆變器直接安裝在模塊上，則電湧保護裝置只能安裝在交流側：
–不帶外部防雷系統的建築物= 2型SLP40-275避雷器，用於交流/三相電流，緊鄰微型逆變器和低壓饋電處的SLP40-275。
–具有外部防雷系統和足夠的隔離距離s的建築物，= 2型避雷器，例如SLP40-275，緊鄰低壓逆變器處的微型逆變器和帶有雷電流的1型避雷器，例如FLP25GR。
–帶有外部雷電保護系統且間隔距離不足的建築物s =類型1的避雷器，例如SLP40-275，緊鄰微型逆變器和低壓饋電處帶有雷電流的類型1 FLP25GR避雷器。
微逆變器獨立於特定製造商，具有數據監控系統。 如果通過微逆變器將數據調製到交流線路，則必須在單獨的接收單元上提供電湧保護設備（數據輸出/數據處理）。 與下游總線系統及其電源（例如以太網，ISDN）的接口連接也是如此。
太陽能發電系統是當今電氣系統不可或缺的一部分。 它們應配備足夠的雷電流和電湧放電器，從而確保這些電源的長期無故障運行。
