李　正　韋鵬展

摘要:太陽能熱水器因其具有無污染、節(jié)能、環(huán)保、費(fèi)用低等特點(diǎn)正日益走進(jìn)千家萬戶,成為人們的日常用品。文章闡述了太陽能熱水器防雷的一般概念與防雷原理,提出了有效的、科學(xué)的防雷措施,以保障太陽能熱水器及洗浴者的安全。

關(guān)鍵詞:太陽能熱水器;建筑物防雷;防雷措施

中圖分類號:TV822文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)27-0155-02

太陽能熱水器是利用集熱器吸收太陽光,將光能轉(zhuǎn)換成熱能,并通過儲水箱將熱水儲存。由于它具有節(jié)約能源、防止污染、使用方便和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn),正日益得到廣泛的應(yīng)用。 我國大部分的樓房建筑,防雷措施一般采用避雷帶、避雷針和安裝閥型避雷器等裝置。但是,將現(xiàn)行的防雷技術(shù)用于太陽能建筑,一方面,由于大面積的太陽電池板、集熱器等已占據(jù)了屋面,特別是今后與建筑材料一體化的光伏屋頂,它們的水、電循環(huán)系統(tǒng)都可以成為雷電的載體,所以,從安全角度考慮,要求有高性能的避雷技術(shù)才不致于使太陽能系統(tǒng)及人類受到侵害;另一方面,按傳統(tǒng)的避雷技術(shù),要使整個(gè)頂面都不受雷電侵襲,必須嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)安裝避雷帶、避雷針群等裝置,且對間距和高度都有很高的要求。否則,難以保證安全。因此,在發(fā)展太陽能建筑時(shí)應(yīng)重視避雷問題,如何讓太陽能技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,組成實(shí)用、美觀、安全可靠的一體化系統(tǒng),是今后需要研究的課題。

一、防雷的一般概念

(一)屏蔽的原則

屏蔽是減少電磁干擾的基本措施,為減少電磁干擾的感應(yīng)效應(yīng),宜在外部設(shè)置屏蔽設(shè)施,以合適的路徑敷設(shè)線路、屏蔽線路。建筑物的自然屏蔽是由建筑物的金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構(gòu)件組成的,這些構(gòu)件組成一個(gè)格柵形大空間屏蔽層(所有的金屬門、窗均應(yīng)可靠接地)。設(shè)備的屏蔽即設(shè)備的金屬外殼可靠接地,以提高設(shè)備本身的抗浪涌、抗干擾能力。

(二)等電位連接

為了徹底消除雷電引起的毀滅性的電位差,特別實(shí)行等電位連接,在建筑物的首層、頂層和機(jī)房均應(yīng)實(shí)行等電位連接。等電位連接是防止和減少電氣線路的短路、過載特別是接地故障引起的電氣火災(zāi)、爆炸和生命危險(xiǎn)。當(dāng)外來導(dǎo)電物、電力線、通信線在不同地點(diǎn)進(jìn)入建(構(gòu))筑物時(shí),宜設(shè)若干連接帶,并應(yīng)就近連接到環(huán)行接地體、內(nèi)部環(huán)導(dǎo)體或建筑物內(nèi)筋上。所有金屬地板、金屬門框架、設(shè)施管道、電纜橋架等大尺寸內(nèi)部導(dǎo)電物,其等電位連接帶或其他已做了等電位連接的金屬物,各導(dǎo)電物之間宜附加多次互相連接。室內(nèi)所有的金屬橋架、設(shè)備金屬外殼、電纜進(jìn)線的外屏蔽層、靜電地板均應(yīng)就近接到接地母排上,并與建筑物基礎(chǔ)多點(diǎn)連接。

(三)接地處理

科學(xué)合理的接地是電子、電氣設(shè)備系統(tǒng)正常工作的重要條件;是防雷系統(tǒng)和電氣安全技術(shù)必不可少的重要基礎(chǔ),是抗干擾技術(shù)中最重要的技術(shù)措施。因此,合理接地的意義主要是:疏導(dǎo)雷擊能量、疏導(dǎo)故障電流、提供工作回路、提供參考電位(基準(zhǔn)電位)、屏蔽電磁干擾信號、疏導(dǎo)靜電電荷、消除或減少雜訊干擾等。

(四)電涌保護(hù)器

電涌保護(hù)器是至少含有一個(gè)非線形電壓限制元件,用于限制暫態(tài)過電壓和分流浪涌電流的裝置。電涌保護(hù)器是由壓敏電阻(可變電阻、限壓二級管)和火花間隙(放電路徑)組成,用于保護(hù)其他電子設(shè)備和裝置,免受浪涌的危害,以及電子傳輸系統(tǒng)提供等電位連接。

(五)電位差

雷電流的泄放途徑和放電電流的大小直接關(guān)系到等電位接地系統(tǒng)內(nèi)形成的電位差。當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí),雷電流通過建筑物上的接閃器由引下線匯入接地體;同時(shí),建筑物內(nèi)的各種導(dǎo)體上也產(chǎn)生了感應(yīng)電流(或電壓),通過內(nèi)部的防雷設(shè)備(如電涌保護(hù)器)對地泄放。依據(jù)分流原則,高電位的大部分電流總是經(jīng)接地電阻最小的途徑釋放。因此,就近接地線往往將雷電形成的高電位盡早釋放,而等電位體的總體電位變化不大。另外,雷電流泄放途徑上,在總等電位母排、接地引線的端點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生高電壓,即電位差,該電位差有時(shí)間短、電壓高的特點(diǎn)。

二、太陽能熱水器遭雷擊的方式

根據(jù)太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)、使用材料及安裝位置分析,它遭雷擊的途徑可分兩種,一是直擊雷,二是感應(yīng)雷擊。

(一)直擊雷擊

當(dāng)雷云通過線路或電器設(shè)備放電時(shí)稱為直擊雷。直擊雷可以形象地說就是雷云對大地上的目標(biāo)(高大建筑物或高大樹木等)放電的一種過程。直擊雷可在其周圍一定范圍內(nèi)的導(dǎo)體上感應(yīng)起危險(xiǎn)電壓,加上建筑物之間連接的各種長距離電纜可在更大的范圍內(nèi)感應(yīng)上雷電電磁脈沖,并幾乎無衰減地沿電纜傳入設(shè)備。

太陽能熱水器絕大多數(shù)都安裝在建筑物的制高點(diǎn)位置上,其接閃器一般也都低于太陽能熱水器,太陽能熱水器暴露在接閃器保護(hù)范圍之外,一旦云地放電,太陽能熱水器首當(dāng)其沖,成了接閃器,雷電可以直接擊在太陽能熱水器上,直接擊壞太陽能熱水器。

(二)感應(yīng)雷擊

感應(yīng)雷擊是由于雷云的靜電感應(yīng)或放電時(shí)的電磁感應(yīng)作用,使建筑物上的金屬物件,如管道、鋼筋、電線等感應(yīng)出與雷云電荷相反的電荷,造成放電。

隨著太陽能熱水器智能化的不斷提高,輔助加熱、水位、水溫自動(dòng)顯示,補(bǔ)水、斷水的自動(dòng)控制功能都應(yīng)用于太陽能熱水器中,而這些功能都是通過專用電腦控制芯片、傳感裝置等電子裝置來實(shí)現(xiàn)的。電子裝置在室內(nèi),輔助加熱、傳感裝置在室外太陽能熱水器水箱中,為這些電子裝置供電的電源線,顯示及控制用的信號線、控制線都是感應(yīng)雷擊的侵害途徑。太陽能熱水器招引感應(yīng)雷擊的通道主要有三條:電源線路引入;信號線路引入;接地線路引入。

三、太陽能熱水器的防雷措施

太陽能熱水器的防雷,可分為樓頂部分、傳輸部分和衛(wèi)生間部分。

(一)樓頂部分的防雷

太陽能熱水器樓頂部分主要是水箱和金屬支架,要求自身所有金屬部分應(yīng)有良好的電氣連接;另外,太陽能熱水器一般都高出樓頂防雷裝置,處在LPZ0A區(qū),所以必須另外安裝接閃器,并且根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—94的附錄四,用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍,使太陽能熱水器處在LPZ0B區(qū)內(nèi)。該接閃器直接與建筑物的防雷裝置有至少兩處的焊接,以保證可能的雷擊時(shí)泄放雷電流的可靠性。如果原建筑物已有良好的防雷措施,并且熱水器已處于防雷裝置的保護(hù)范圍之內(nèi),不用加避雷針,只需將太陽能熱水器的金屬底腳用扁鋼或圓鋼就近焊接到屋面避雷帶或引下線上。如果熱水器不在保護(hù)范圍之內(nèi),一般情況下可在離熱水器3米遠(yuǎn)的地方加裝高出熱水器頂部1.5米的避雷針,并做好接地工作。太陽能熱水器各金屬支架要等電位連接,不要直接連接到避雷針上。防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成。接閃器(又稱避雷針)位于防雷裝置的頂部,其作用是利用其高出被保護(hù)物的突出地位把雷電引向自身,承接直擊雷放電。除避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、避雷帶可作為接閃器外,建筑物的金屬屋面可用作第一類防雷建筑物以外的接閃器。

(二)傳輸部分的防雷

為防止水體引雷電入室,也為防止沿著墻體鋼筋向地下泄放的雷電流擊穿導(dǎo)線或水管,傷及室內(nèi)外太陽能器械或室內(nèi)洗浴人,金屬進(jìn)出管道應(yīng)有良好的接地,若管道為塑料管材,建議入戶處穿金屬管并在金屬管兩端做好接地。

(三)衛(wèi)生間部分防雷

衛(wèi)生間部分的防雷,主要是防止雷電流通過水箱里的水,由噴頭傳到人體。如果室外部分的防雷措施得當(dāng),雷電流就不容易順著水進(jìn)入室內(nèi),所以,雷電流不可能沿著水位水溫傳感器線路的信號線和水位水溫傳感器電源線進(jìn)入室內(nèi);而水位水溫控制器與戶外的電源線相連,如果雷電流沿著電源線進(jìn)入室內(nèi),不僅擊壞水位水溫控制器,還有可能傷及室內(nèi)的人。因此,應(yīng)在電源的入戶端加裝電源電涌保護(hù)器。室內(nèi)其他金屬應(yīng)做好等電位連接,且等電位連接端子要與建筑物的總等電位端子連接。等電位連接是太陽能熱水器雷電防護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因現(xiàn)在安裝太陽能熱水器使用的上下水管絕大多數(shù)為PVC管,雖然PVC管壁有加強(qiáng)金屬層,但沒有和室內(nèi)電磁閥組合閥及室外水箱做到金屬連接,所以,等電位連接分為室外部分和室內(nèi)部分金屬構(gòu)件的等電位連接。室外部分包括太陽能熱水器金屬支架、金屬構(gòu)件、避雷針、避雷帶及線路屏蔽層等,室內(nèi)部分包括線路屏蔽層、SPD接地及其他金屬管道的等電位連接。

(四)其他防雷措施

為防止雷電波侵入室內(nèi),電源線、信號線均不得與避雷帶平行并排敷設(shè),并宜采用屏蔽接地措施,沒有屏蔽接地措施的信號線要裝設(shè)信號電涌保護(hù)器。為防止雷擊引入高電壓的均壓措施,室內(nèi)其他金屬應(yīng)做等電位連接,且等電位連接端子且與建筑物總等電位端子相連。考慮到工程質(zhì)量的穩(wěn)定性,仍不建議雷雨時(shí)使用太陽能熱水器。如果物業(yè)管理部門允許,可將太陽能熱水器的真空管安裝在建筑物的南墻上,水箱放在室內(nèi)高處。既有效地避免了直擊雷的發(fā)生,又不用再加裝防直擊雷措施。

四、結(jié)語

因太陽能熱水器所造成的直擊雷擊、感應(yīng)雷擊事故時(shí)有發(fā)生,太陽能熱水器的雷電防護(hù)必須通過有效的直擊雷、雷電波侵入、雷電感應(yīng)的防護(hù)措施,合理布線、接地、屏蔽、等電位連接、浪涌抑制等技術(shù),以保障大眾的人身、財(cái)產(chǎn)安全,促進(jìn)我國多源化能源事業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介:李正(1977- ),男,山東菏澤人,菏澤市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院工程師,研究方向:建筑電氣自動(dòng)化的研究與設(shè)計(jì);韋鵬展(1975- ),男,山東菏澤人,菏澤市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院工程師,研究方向:建筑工程的研究與設(shè)計(jì)。