基于實例分析ESE避雷針在海外光伏電站中的應用

俞年昌 趙大威 王偉

摘 要：大型光伏電站由于占地面積大且多位于空曠多雷區，易遭受雷擊。分析了光伏電站雷擊危害，針對海外光伏發電項目，提出在光伏場區采用預放電（ESE）避雷針的方法，ESE避雷針具有體積小、陰影小、保護半徑大等優點。結合實際光伏電站，提出了采用ESE避雷針時的設計方案，比較了ESE避雷針方案和常規避雷針方案的經濟性。實際運行結果表明：ESE避雷針可以規范、有效、經濟的保證光伏電站的安全運行。

關鍵詞：光伏電站；防雷設計；預放電避雷針；上行先導；保護半徑

中圖分類號：TM615/TM865 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著全球經濟發展和社會進步，能源需求不斷增長的同時，人們對清潔能源的關注度也日益增長，世界各國紛紛提出了零碳路徑。太陽能作為一種可再生的清潔能源，因其具有清潔、安全、經濟等優點而被廣泛利用，其中，光伏發電是實現低碳經濟的主要能源利用方式。大型地面光伏電站由于占地面積較大且多處于空曠場地，易遭受雷擊[1-3]。

以中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司在東南亞某國總承包項目群為例，在其6個光伏發電項目中，有2個光伏電站出現雷擊現象，共造成100多塊光伏組件損壞。因此，為保證光伏電站的安全可靠運行，防雷設計的有效性、安全性日益凸顯。針對光伏電站防雷，國內光伏電站一般不布置避雷針或采用常規避雷針（富蘭克林避雷針）。光伏電站若不設置避雷針，對于位于雷區特別是山地等雷擊風險高區域的光伏電站而言，會造成光伏組件損壞等一系列問題。而采用常規避雷針，其保護半徑較小，所需數量多，會對光伏組件造成明顯的陰影遮擋，影響光伏電站的發電效率，其設備購買及安裝總成本也較高。近年來，預放電（early steamer emission，ESE）避雷針因具有體積小、保護半徑大、總成本較低等優點在海外特別是歐洲各國的一些新興光伏電站得到推廣和應用[4-5]。本文結合實際光伏電站，提出采用ESE避雷針時的設計方案，并對采用ESE避雷針和常規避雷針時的經濟性進行對比。

1? 避雷針工作原理分析

雷電是雷云中電荷分離和釋放所產生的自然現象，其形成過程為：云體內的水滴及冰晶在云中不斷運動、碰撞和分離，產生電荷；空氣中上升及下降氣流將電荷分離，正電荷上升被推向云頂，負電荷下降被帶向云底，這種分離使云體內的正負電荷不斷累加，云體與大地的電勢差也不斷增大；當正負電荷累積到一定程度時，會產生電場，電場將引起云和地面之間的電荷交換，雷云釋放電荷時，電流會沿著空氣中的離子通道流向地面，這就形成了雷電。

雷電具有很強的破壞力，其破壞形式主要有：

1）直擊雷：雷電直接擊中建（構）筑物，造成火災、電氣設備損壞等危害。

2）雷電感應：一般包括電流感應和靜電感應兩種。其中，電流感應為雷擊時產生的強烈地下電流，對地下電纜、管道等會造成嚴重破壞；靜電感應為雷擊時產生的強大電場，造成電磁干擾，損壞電子設備。

3）雷電沖擊波：雷電發生時，可能造成強烈的沖擊波，這可能造成建筑物結構、玻璃等被破壞。

1.1? 常規避雷針的工作原理

常規避雷針多采用鋼質針式裝置，安裝在被保護物附近，高于被保護物一定的高度并通過鋼或銅質引線與地下接地裝置連接，其作用是將雷云所帶的電荷（90%以上的雷電電流為負極性）引到避雷針針尖，使之泄入地下。

對于光伏電站而言，常規避雷針的不足之處在于其長度較長，保護半徑較小，如需覆蓋整個場區，所需避雷針數量較多，容易對光伏組件造成陰影遮擋，影響光伏電站的發電效率。研究表明，常規避雷針方案可能造成光伏發電系統1%～3%的年發電量損失[5]。

1.2? ESE避雷針的工作原理

雷電條件下，當雷電下行先導（認為近似為固定參量）接近地面時，地面高點的上行先導過程決定了放電通道的形成過程及進度。普通避雷針針尖只有在長時間的電荷積聚之后，才會產生上行先導。簡言之，避雷針要產生上行先導，必須在其針尖有足夠的空氣電離，產生大量離子。常規避雷針的上行先導觸發時間較長，而ESE避雷針增加了一個主動觸發系統，可以在閃電電流到達前，預先形成“先導”通道，吸引閃電電流并快速釋放。即ESE避雷針具有較短的上行先導觸發時間[6-7]，這個觸發時間的提前量，稱為預放電時間。

1.3? ESE避雷針的保護范圍

ESE避雷針的保護范圍計算式為：

式中：Rp為ESE避雷針保護半徑，m；h為避雷針與保護點的高差，m；Rp，5為h=5時ESE避雷針的保護半徑；D為滾球半徑，m，取值標準為：第1類防雷建筑物時取20 m，第2類建防雷建筑物時取45 m，第3類防雷建筑物時取60 m，光伏電站一般按第3類防雷建筑物標準取值；ΔL為上行先導觸發距離，m，其計算式為：

式中：V為雷電流傳導速度，一般取1 m/?s；ΔT為上行先導觸發時間，參考相關標準和廠家提供數據，其取值如表1所示。

ESE避雷針保護范圍示意圖如圖1所示。

不同避雷針與保護點高差下，不同型號ESE避雷針在的保護半徑如表2所示。

從表2可以看出，在避雷針與保護點的高差超過5 m后，再增加避雷針與保護點高差對避雷針保護半徑的影響不大，因此工程中一般采用避雷針與保護點高差為5 m的避雷針系統。

2? 光伏電站避雷系統

2.1? 直擊雷防護

國際光伏發電項目中避雷系統的一般設計流程[8-9]為：

1） 編制雷擊風險報告，評估光伏場區雷擊風險，確定場區是否需要安裝避雷針；

2） 根據廠家提供的樣本，確定上行先導觸發時間，選擇避雷器型號；

3） 計算避雷針保護半徑；

4） 根據光伏支架形式和高度，確定光伏組件最高點離地高度；

5） 確定避雷針的整體安裝高度和基礎形式；

6） 計算避雷針產生陰影的范圍；

7） 根據避雷針產生的陰影和現有光伏組件布置方式，確定避雷針的安裝位置和安裝數量；

8） 復核總體布置，并進行動態調整。

2.2? 感應雷防護

雷電感應發生的概率遠大于直擊雷，能產生巨大的傷害。對于雷電感應防護，一般采用屏蔽保護、接地保護及安裝避雷針的方式。為減小感應雷的過電壓，光伏電站可采用平行走線或跳線的方式來減小減小回路面積[9]。最小面積回路路布線方式如圖2所示。

對于長度較長的光伏組串，可以增加防雷模塊。電纜敷設時，光伏電纜走線盡可能布置在光伏組件背部，無法在背部敷設的電纜應增加套管保護，同時對套管做可靠的接地保護措施。海外光伏電站多采用裸銅線作為主水平接地網材料。光伏組件做等電位連接，連接至主接地網，避免局部過電壓[2]。

雷電波主要通過線纜入侵，因此應采取多級防護措施：首先，在光伏方陣匯流箱處安裝防雷模塊進行1級防雷保護；其次，在逆變器交流側安裝浪涌保護器進行2級防雷保護；再次，在接入電網側中壓開關柜側增設3級防雷保護，防止浪涌保護器過電壓損壞負載設備。

2.3? 雷電沖擊波防護

光伏電站雷電沖擊波防護一般考慮場區建筑避雷帶、金屬網格及隔離裝置結合升壓站的避雷針，采用立體防護的形式來保護電站。

3? 實際案例分析

以中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司在東南亞建設的某光伏電站為例，光伏電站參數如表3所示。

在防雷風險評估后，確定保護場區設備需要安裝的避雷針系統數量。

3.1? ESE避雷針方案設計

根據廠家提供的版本選取ESE 6000型避雷針，確定上行先導觸發時間為60 μs，選取避雷針與保護點的高差為5 m，按第3類防雷建筑物，根據式（1）計算得出避雷針保護半徑為107 m。由表3可得光伏組件最高點離地高度約為2.7 m，考慮到場地的地勢變化，選取避雷針離地總高度為8 m。本光伏電站的避雷系統由避雷針系統（ESE避針、鍍鋅鋼管、接閃計數器）、基礎和接地系統構成，其安裝示意圖如圖3所示，避雷系統實拍照片如圖4所示。單根避雷針保護半徑為107 m，光伏電站共安裝44根避雷針，基本覆蓋了整個場區，在進行避雷針布置時，應盡量考慮布置在道路或光伏組件北側，減少陰影遮擋，防雷布置圖如圖5所示。

光伏電站全站避雷系統配置如表4所示。

3.2? 常規避雷針方案和ESE避雷針方案對比分析

如果采用常規避雷針，覆蓋整個場區需要配置488根10 m高的避雷針。根據PVsyst仿真軟件分析，場區常規避雷針系統產生陰影造成的光伏電站年發電量損耗約為0.60%，ESE避雷針系統產生陰影造成的光伏電站年發電量損耗約為0.52%。仿真結果表明，使用ESE避雷針方案可以有效降低提高光伏電站發電量損耗。

本項目ESE避雷針方案和常規避雷針方案經濟性對比如表5所示。由表5可知，若只考慮避雷針系統，常規避雷針方案成本為ESE避雷針方案成本的1.7倍。而再加上為避雷系統配置的獨立接地系統，常規避雷針方案成本約為ESE避雷針方案的3倍。從經濟性來看，ESE避雷針方案經濟性要遠好于常規避雷針方案。

3.3? ESE避雷針運行情況

本項目自2020年安裝ESE避雷針至2022年12月，避雷針系統的接閃計數器檢測到3次雷擊放電事件。具體雷擊次數統計如表6所示，2020年10#避雷針系統的接閃計數器在9月和10月共記錄了兩次雷擊事件，2021年9月，11#避雷針系統的接閃計數器記錄了1次雷擊放電事件。經過現場檢驗，并未造成光伏組件損壞。這表明該ESE避雷針方案可以有效保護光伏電站設備。

4? ESE避雷針在世界各國的適用情況

目前，ESE避雷針在國際學術界并未達成統一共識，中國現有標準中并未提及ESE避雷針使用方法[10-11]，ESE避雷針在中國光伏電站中使用較少。

ESE避雷針在歐洲各國應用較多，歐洲也出臺了ESE避雷針的國家規范。目前，ESE避雷針在法國、西班牙等歐洲國家形成了規范。西班牙標準UNE 21186：2011《Protection against lighting：Early streamer emission lightning protection systems》，法國標準NFC 17-102《Protection against lightning—— Early steamer emission lightning protection systems》[12]，葡萄牙標準NP 4426：2013《Prote??o contra descargas atmosféricas—— Sistemas com dispositivo de ioniza??o n?o radioativo》以及古巴標準NC 1185：2017《Protección contra rayos—— Seguridad integral frente al rayo》等是關于ESE避雷針的規范。

多數國家都已接受采用ESE避雷針作為光伏場區防雷方式，但個別國家，如馬來西亞暫未確定ESE避雷針的適用性。因此對于國際光伏發電項目中，在采用ESE避雷針方案前，應明確ESE避雷針是否適用該國標準。

5? 結論

本文基于東南亞的2個實際光伏電站，對ESE避雷針在其應用進行了分析。在安裝ESE避雷針前，光伏電站發生了多次雷擊導致的光伏組件損壞事故。自2020年安裝ESE避雷針以來，避雷針系統接閃計數器檢測到3次雷擊放電事件，但并未造成光伏組件損壞。通過對光伏電站的實際運用情況分析得出，采用ESE避雷針的綜合防雷方案對降低光伏組件損壞程度是切實有效的。

ESE避雷針可以在閃電電流到達前預先形成先導通道，吸引閃電電流并快速釋放，從而擴大保護范圍。這大幅減少了場區所需的避雷針數量，可以節約用地，同時減小陰影造成的發電量損耗，提高光伏電站發電效率。此外，ESE避雷針方案的經濟性也優于常規避雷針，可以節約投資成本，因此，ESE避雷針在光伏電站的應用也日益受到投資商的青睞。

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