《Electric Power Systems Research》：Lightning protection in agrivoltaic systems: Assessment of step and touch voltages tailored to livestock
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面对农光牧（Agri-PV）系统在雷电环境下对牲畜构成独特安全挑战的现状，本文聚焦于牲畜一体化环境下的雷击危害。研究人员通过解析模型、电磁仿真（XGSLab）与Python后处理，评估了典型地网（ETS）在代表性场址的性能。研究发现，在系统边界与导电元件附近，特定条件下可能出现危险电压水平。研究提出了定制化的雷电防护与安全增强策略，为农光牧设施的牲畜安全设计提供了重要指导。
在能源转型与粮食安全双重压力下，一种创新的土地复用模式——农光牧一体化（Agrivoltaics， Agri-PV）应运而生。它让同一片土地既能进行农业生产（如种植或放牧），又能通过地面安装的光伏（PV）系统发电，实现“板上发电、板下种养”的协同效益。这种模式不仅能提升土地利用率，光伏板还能为作物和牲畜提供遮荫，降低热应激，同时光伏组件也能受益于对流冷却，可谓一举多得。然而，当光伏电场与牲畜放牧相结合时，一个潜在的风险在雷雨天气下被放大：雷电。开阔场地上树立的光伏支架等金属结构，犹如天然的引雷针，而在此间活动的牲畜则暴露在未知的电击风险之下。目前，关于农光牧系统的研究多集中于土地利用效率和经济性，对于其中牲畜的雷电安全防护，却几乎是一片空白。现有标准也缺乏针对性的详细规定。那么，在雷电击中农光牧系统时，牛羊等牲畜究竟面临哪些具体危险？它们能承受多大的电击？常规的光伏电站接地设计是否能保护它们？为了回答这些问题，来自德国伊尔默瑙工业大学雷电与电涌保护小组的研究人员Kamila Costa、Eduard Shulzhenko和Michael Rock开展了一项针对性研究，其成果发表在《Electric Power Systems Research》上。
为评估雷电对牲畜的危害，研究人员综合运用了多种技术方法。首先，他们基于现有文献和标准（如IEC 60479-1、IEEE Std 80），推导出了针对牛犊的雷电阶跃电压（step voltage）和接触电压（touch voltage）安全限值。接着，他们以一个实际运行中同时进行牛犊放牧的农光牧系统（占地2.4公顷）为案例，使用专业电磁分析软件XGSLab对其接地系统（Earth-Termination System， ETS）、光伏支架和场地围栏进行了精细建模。研究涵盖了典型的雷电电流波形（如10/350 μs的正极性首次回击pFRS， 1/200 μs的负极性首次回击nFRS）、不同的土壤电阻率（湿土100 Ω·m，干土1000 Ω·m）以及雷击注入点（系统边缘、中部）。分析分别在频域（采用等效频率）和时域（采用完整赫德勒函数波形）中进行。此外，团队还开发了Python后处理算法，专门用于计算符合牲畜体型特征（如1.5米步距、1.0米接触高度）的预期阶跃与接触电压，从而更真实地评估风险。
2.1. 农光牧环境中牲畜的雷击伤害机制
研究系统梳理了牲畜在农光牧环境中可能遭受雷击的六种主要机制。阶跃电压源于雷击点在地面形成的电位梯度，牲畜因步距较大而更易受害，电流路径可能穿过心脏等关键器官。接触电压发生在牲畜同时接触带电的金属结构（如光伏支架、围栏）和地面时。侧向闪络是指雷电流从被击中的结构电弧放电至附近的牲畜，无需直接接触。直接雷击是牲畜自身成为雷电流通道，但牲畜在光伏板下躲避的行为降低了此风险。上行先导是在强电场中由牲畜自身发出的放电，可能导致损伤。邻近雷击效应包括冲击波、强光、火灾以及飞溅的碎片造成的伤害。这些机制中，阶跃电压和接触电压由于农光牧系统中金属结构的普遍存在和牲畜的活动特性，被认为是需要重点评估的风险。
2.2. 牲畜对雷电阶跃和接触电压耐受性的评估
由于缺乏牲畜对雷电电流耐受性的直接数据，研究基于Dalziel的能量准则和先前对牛犊的电击实验数据，推导出了安全限值。计算中采用了IEC 60479-1中提供的牛只身体初始电阻值（鼻子到四腿为175 Ω，前腿到后腿为450 Ω），并考虑了湿土和干土条件下牲畜蹄部接地电阻的影响。结果表明，容许的有效（实际加在身体上的）阶跃和接触电压峰值在几千伏量级，而预期（源头的）电压则更高，且随土壤电阻率增大而显著增加。例如，对于负极性首次回击（nFRS），湿土下容许的有效接触电压U′T为3.2 kV，预期接触电压U′vT为5.5 kV；在干土下，U′vT则升至26.3 kV。
4. 牲畜雷电阶跃和接触电压的频域分析
仿真分析揭示，雷击注入点的位置至关重要。当雷击发生在农光牧系统边缘时，由于高频下接地系统的“有效面积”减小，导致地电位升（GPR）最高，进而产生最大的阶跃和接触电压，是所有情况中的最劣工况。相比之下，雷击中心时，更多接地电极参与散流，性能更好，电压水平更低。研究对比了不同雷电波形，发现尽管正极性首次回击（pFRS）电流幅值最大，但负极性首次回击（nFRS）因其波前更陡、等效频率更高，产生的电压峰值最大。然而，由于pFRS波形持续时间长、比能量高，其对应的安全限值更低，因此接触电压的危险区域面积反而更大。
4.1. 接触电压和阶跃电压的安全与危险区域
研究绘制了在边缘雷击下，系统内安全电压与危险电压的区域分布图。结果表明，接触电压的危险区域广泛存在，特别是在光伏组件下方以及围栏附近——这些正是牲畜在雷雨天气下最可能躲避和接触的区域。阶跃电压的危险区则更加局部化，主要集中在雷击点附近。土壤电阻率降低（变湿）能改善接地性能，降低地电位升和实际电压，但由于牲畜蹄部接地电阻也同步降低，安全限值随之下降，可能导致阶跃电压的危险区域在某些情况下反而显现或扩大。
4.1.2. 围栏接地的影响
将金属围栏与主接地网连接，虽然降低了整体接地阻抗，但也将高电位引至围栏，导致沿围栏的接触电压危险区域扩大。对于阶跃电压，额外的接地点有助于平滑地表电位分布，在雷击点附近反而有所改善。因此，简单地将围栏与地网互联并非良策。
5. 牲畜雷电阶跃和接触电压的时域分析
研究进一步对比了时域和频域仿真结果。时域分析能反映完整的瞬态响应，而频域分析采用单一等效频率，计算效率极高。对比发现，频域分析得到的电压值普遍高于时域结果，是一种偏保守的估算方法，两者在危险区域的识别上基本一致。这意味着在农光牧系统接地设计的早期阶段，可以使用高效的频域分析进行可靠的安全评估。
6. 结论
该研究系统性地填补了农光牧系统牲畜雷电安全领域的知识空白。其主要结论与重要意义在于：首先，研究明确了农光牧环境中牲畜面临的主要雷击伤害机制，并首次量化推导出了针对牛只的雷电阶跃与接触电压安全限值，为相关安全标准的制定提供了科学依据。其次，通过精细的建模仿真，研究揭示出系统边缘是雷击风险最高的区域，常规的、为人身安全优化的接地系统设计不足以全面保护牲畜，尤其在接触电压方面存在广泛风险。最后，研究提出了多项具有实践价值的防护策略：避免盲目将围栏接入主接地网；在系统边界优化接地网格；在牲畜常接触的金属结构上施加绝缘涂层；以及通过行为屏障（如电围栏）限制牲畜进入高风险边缘区域。这些发现强调，农光牧系统的雷电防护设计需要超越传统范式，必须进行针对性的、基于详细建模的风险评估，并采取定制化的集成防护措施，从而在提升清洁能源产出的同时，切实保障农业生产活动与动物福利，推动农光牧技术的安全、可靠与可持续发展。
