基于实例分析ESE避雷针在海外光伏电站中的应用

俞年昌 赵大威 王伟

摘 要：大型光伏电站由于占地面积大且多位于空旷多雷区，易遭受雷击。分析了光伏电站雷击危害，针对海外光伏发电项目，提出在光伏场区采用预放电（ESE）避雷针的方法，ESE避雷针具有体积小、阴影小、保护半径大等优点。结合实际光伏电站，提出了采用ESE避雷针时的设计方案，比较了ESE避雷针方案和常规避雷针方案的经济性。实际运行结果表明：ESE避雷针可以规范、有效、经济的保证光伏电站的安全运行。

关键词：光伏电站；防雷设计；预放电避雷针；上行先导；保护半径

中图分类号：TM615/TM865 文献标志码：A

0  引言

随着全球经济发展和社会进步，能源需求不断增长的同时，人们对清洁能源的关注度也日益增长，世界各国纷纷提出了零碳路径。太阳能作为一种可再生的清洁能源，因其具有清洁、安全、经济等优点而被广泛利用，其中，光伏发电是实现低碳经济的主要能源利用方式。大型地面光伏电站由于占地面积较大且多处于空旷场地，易遭受雷击[1-3]。

以中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司在东南亚某国总承包项目群为例，在其6个光伏发电项目中，有2个光伏电站出现雷击现象，共造成100多块光伏组件损坏。因此，为保证光伏电站的安全可靠运行，防雷设计的有效性、安全性日益凸显。针对光伏电站防雷，国内光伏电站一般不布置避雷针或采用常规避雷针（富兰克林避雷针）。光伏电站若不设置避雷针，对于位于雷区特别是山地等雷击风险高区域的光伏电站而言，会造成光伏组件损坏等一系列问题。而采用常规避雷针，其保护半径较小，所需数量多，会对光伏组件造成明显的阴影遮挡，影响光伏电站的发电效率，其设备购买及安装总成本也较高。近年来，预放电（early steamer emission，ESE）避雷针因具有体积小、保护半径大、总成本较低等优点在海外特别是欧洲各国的一些新兴光伏电站得到推广和应用[4-5]。本文结合实际光伏电站，提出采用ESE避雷针时的设计方案，并对采用ESE避雷针和常规避雷针时的经济性进行对比。

1  避雷针工作原理分析

雷电是雷云中电荷分离和释放所产生的自然现象，其形成过程为：云体内的水滴及冰晶在云中不断运动、碰撞和分离，产生电荷；空气中上升及下降气流将电荷分离，正电荷上升被推向云顶，负电荷下降被带向云底，这种分离使云体内的正负电荷不断累加，云体与大地的电势差也不断增大；当正负电荷累积到一定程度时，会产生电场，电场将引起云和地面之间的电荷交换，雷云释放电荷时，电流会沿着空气中的离子通道流向地面，這就形成了雷电。

雷电具有很强的破坏力，其破坏形式主要有：

1）直击雷：雷电直接击中建（构）筑物，造成火灾、电气设备损坏等危害。

2）雷电感应：一般包括电流感应和静电感应两种。其中，电流感应为雷击时产生的强烈地下电流，对地下电缆、管道等会造成严重破坏；静电感应为雷击时产生的强大电场，造成电磁干扰，损坏电子设备。

3）雷电冲击波：雷电发生时，可能造成强烈的冲击波，这可能造成建筑物结构、玻璃等被破坏。

1.1  常规避雷针的工作原理

常规避雷针多采用钢质针式装置，安装在被保护物附近，高于被保护物一定的高度并通过钢或铜质引线与地下接地装置连接，其作用是将雷云所带的电荷（90%以上的雷电电流为负极性）引到避雷针针尖，使之泄入地下。

对于光伏电站而言，常规避雷针的不足之处在于其长度较长，保护半径较小，如需覆盖整个场区，所需避雷针数量较多，容易对光伏组件造成阴影遮挡，影响光伏电站的发电效率。研究表明，常规避雷针方案可能造成光伏发电系统1%～3%的年发电量损失[5]。

1.2  ESE避雷针的工作原理

雷电条件下，当雷电下行先导（认为近似为固定参量）接近地面时，地面高点的上行先导过程决定了放电通道的形成过程及进度。普通避雷针针尖只有在长时间的电荷积聚之后，才会产生上行先导。简言之，避雷针要产生上行先导，必须在其针尖有足够的空气电离，产生大量离子。常规避雷针的上行先导触发时间较长，而ESE避雷针增加了一个主动触发系统，可以在闪电电流到达前，预先形成“先导”通道，吸引闪电电流并快速释放。即ESE避雷针具有较短的上行先导触发时间[6-7]，这个触发时间的提前量，称为预放电时间。

1.3  ESE避雷针的保护范围

ESE避雷针的保护范围计算式为：

式中：Rp为ESE避雷针保护半径，m；h为避雷针与保护点的高差，m；Rp，5为h=5时ESE避雷针的保护半径；D为滚球半径，m，取值标准为：第1类防雷建筑物时取20 m，第2类建防雷建筑物时取45 m，第3类防雷建筑物时取60 m，光伏电站一般按第3类防雷建筑物标准取值；ΔL为上行先导触发距离，m，其计算式为：

式中：V为雷电流传导速度，一般取1 m/?s；ΔT为上行先导触发时间，参考相关标准和厂家提供数据，其取值如表1所示。

ESE避雷针保护范围示意图如图1所示。

不同避雷针与保护点高差下，不同型号ESE避雷针在的保护半径如表2所示。

从表2可以看出，在避雷针与保护点的高差超过5 m后，再增加避雷针与保护点高差对避雷针保护半径的影响不大，因此工程中一般采用避雷针与保护点高差为5 m的避雷针系统。

2  光伏电站避雷系统

2.1  直击雷防护

国际光伏发电项目中避雷系统的一般设计流程[8-9]为：

1） 编制雷击风险报告，评估光伏场区雷击风险，确定场区是否需要安装避雷针；

2） 根据厂家提供的样本，确定上行先导触发时间，选择避雷器型号；

3） 计算避雷针保护半径；

4） 根据光伏支架形式和高度，确定光伏组件最高点离地高度；

5） 确定避雷针的整体安装高度和基础形式；

6） 计算避雷针产生阴影的范围；

7） 根据避雷针产生的阴影和现有光伏组件布置方式，确定避雷针的安装位置和安装数量；

8） 复核总体布置，并进行动态调整。

2.2  感应雷防护

雷电感应发生的概率远大于直击雷，能产生巨大的伤害。对于雷电感应防护，一般采用屏蔽保护、接地保护及安装避雷针的方式。为减小感应雷的过电压，光伏电站可采用平行走线或跳线的方式来减小减小回路面积[9]。最小面积回路路布线方式如图2所示。

对于长度较长的光伏组串，可以增加防雷模块。电缆敷设时，光伏电缆走线尽可能布置在光伏组件背部，无法在背部敷设的电缆应增加套管保护，同时对套管做可靠的接地保护措施。海外光伏电站多采用裸铜线作为主水平接地网材料。光伏组件做等电位连接，连接至主接地网，避免局部过电压[2]。

雷电波主要通过线缆入侵，因此应采取多级防护措施：首先，在光伏方阵汇流箱处安装防雷模块进行1级防雷保护；其次，在逆变器交流侧安装浪涌保护器进行2级防雷保护；再次，在接入电网侧中压开关柜侧增设3级防雷保护，防止浪涌保护器过电压损坏负载设备。

2.3  雷电冲击波防护

光伏电站雷电冲击波防护一般考虑场区建筑避雷带、金属网格及隔离装置结合升压站的避雷针，采用立体防护的形式来保护电站。

3  实际案例分析

以中国电建集團华东勘测设计研究院有限公司在东南亚建设的某光伏电站为例，光伏电站参数如表3所示。

在防雷风险评估后，确定保护场区设备需要安装的避雷针系统数量。

3.1  ESE避雷针方案设计

根据厂家提供的版本选取ESE 6000型避雷针，确定上行先导触发时间为60 μs，选取避雷针与保护点的高差为5 m，按第3类防雷建筑物，根据式（1）计算得出避雷针保护半径为107 m。由表3可得光伏组件最高点离地高度约为2.7 m，考虑到场地的地势变化，选取避雷针离地总高度为8 m。本光伏电站的避雷系统由避雷针系统（ESE避针、镀锌钢管、接闪计数器）、基础和接地系统构成，其安装示意图如图3所示，避雷系统实拍照片如图4所示。单根避雷针保护半径为107 m，光伏电站共安装44根避雷针，基本覆盖了整个场区，在进行避雷针布置时，应尽量考虑布置在道路或光伏组件北侧，减少阴影遮挡，防雷布置图如图5所示。

光伏电站全站避雷系统配置如表4所示。

3.2  常规避雷针方案和ESE避雷针方案对比分析

如果采用常规避雷针，覆盖整个场区需要配置488根10 m高的避雷针。根据PVsyst仿真软件分析，场区常规避雷针系统产生阴影造成的光伏电站年发电量损耗约为0.60%，ESE避雷针系统产生阴影造成的光伏电站年发电量损耗约为0.52%。仿真结果表明，使用ESE避雷针方案可以有效降低提高光伏电站发电量损耗。

本项目ESE避雷针方案和常规避雷针方案经济性对比如表5所示。由表5可知，若只考虑避雷针系统，常规避雷针方案成本为ESE避雷针方案成本的1.7倍。而再加上为避雷系统配置的独立接地系统，常规避雷针方案成本约为ESE避雷针方案的3倍。从经济性来看，ESE避雷针方案经济性要远好于常规避雷针方案。

3.3  ESE避雷针运行情况

本项目自2020年安装ESE避雷针至2022年12月，避雷针系统的接闪计数器检测到3次雷击放电事件。具体雷击次数统计如表6所示，2020年10#避雷针系统的接闪计数器在9月和10月共记录了两次雷击事件，2021年9月，11#避雷针系统的接闪计数器记录了1次雷击放电事件。经过现场检验，并未造成光伏组件损坏。这表明该ESE避雷针方案可以有效保护光伏电站设备。

4  ESE避雷针在世界各国的适用情况

目前，ESE避雷针在国际学术界并未达成统一共识，中国现有标准中并未提及ESE避雷针使用方法[10-11]，ESE避雷针在中国光伏电站中使用较少。

ESE避雷针在欧洲各国应用较多，欧洲也出台了ESE避雷针的国家规范。目前，ESE避雷针在法国、西班牙等欧洲国家形成了规范。西班牙标准UNE 21186：2011《Protection against lighting：Early streamer emission lightning protection systems》，法国标准NFC 17-102《Protection against lightning—— Early steamer emission lightning protection systems》[12]，葡萄牙标准NP 4426：2013《Prote??o contra descargas atmosféricas—— Sistemas com dispositivo de ioniza??o n?o radioativo》以及古巴标准NC 1185：2017《Protección contra rayos—— Seguridad integral frente al rayo》等是关于ESE避雷针的规范。

多数国家都已接受采用ESE避雷针作为光伏场区防雷方式，但个别国家，如马来西亚暂未确定ESE避雷针的适用性。因此对于国际光伏发电项目中，在采用ESE避雷针方案前，应明确ESE避雷针是否适用该国标准。

5  结论

本文基于东南亚的2个实际光伏电站，对ESE避雷针在其应用进行了分析。在安装ESE避雷针前，光伏电站发生了多次雷击导致的光伏组件损坏事故。自2020年安装ESE避雷针以来，避雷针系统接闪计数器检测到3次雷击放电事件，但并未造成光伏组件损坏。通过对光伏电站的实际运用情况分析得出，采用ESE避雷针的综合防雷方案对降低光伏组件损坏程度是切实有效的。

ESE避雷针可以在闪电电流到达前预先形成先导通道，吸引闪电电流并快速释放，从而扩大保护范围。这大幅减少了场区所需的避雷针数量，可以节约用地，同时减小阴影造成的发电量损耗，提高光伏电站发电效率。此外，ESE避雷针方案的经济性也优于常规避雷针，可以节约投资成本，因此，ESE避雷针在光伏电站的应用也日益受到投资商的青睐。

[参考文献]

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[2] 盛春，杨松，沈道军，等. 山地光伏电站防雷安全有效性分析[J]. 太阳能，2016（4）：26-28.

[3] ZHANG Y，LI B H，DU Y P，et al. Effective grounding of the photovoltaic power plant protected by lightning rods[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility，2021，63（4）：1128-1136.

[4] KONGNOK R，PUMMAITONG T，PLANGKLANG B. et al. Five-year performance of an ESE lightning protection system for a large scale PV power plant in Thailand[J]. Symmetry，2021，13（11）：2106.

[5] AHMAD N，ALI Z，AB KADIR M，et al. Impacts of lightning-induced overvoltage on a hybrid solar PV-battery energy storage system[J]. Applied sciences，2021，11（8）：3633.

[6] 楊波，周泓. 主动式避雷针与常规避雷针在高原露天堆场实际应用中的验证分析[J]. 云南地理环境研究，2016，28（1）：36-41.

[7] 朱宇栋，雷徐嵩，吴斌，等.一种ESE避雷针的提前放电时间的测试[J].建筑电气，2005，24（6）：16-18.

[8] International Electrotechnical Commission （IEC）. Protection against lightning：IEC 62305-1～4[S]. Geneva：IEC，2010.

[9] International Electrotechnical Commission （IEC）. Photovoltaic （PV） arrays—— Design requirements：IEC 62548[S]. Geneva：IEC，2016.

[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 光伏发电站设计规范：GB 50797—2012[S]. 北京：中国计划出版社，2012.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010[S]. 北京：中国计划出版社，2011.

[12] Association Francaise de Normalisation. Protection against lightning—— Early steamer emission lightning protection systems：NF C17-102[S].Paris：Association Francaise de Normalisation，2011.