王力 單青

摘要? ?針對緊湊式家用太陽能熱水器應(yīng)用的普遍性，由于大多數(shù)安裝在屋頂易遭雷擊，給熱水器的使用帶來不安全因素。通過分析雷擊的危害性，提出一種探討性的防雷安全方案。

關(guān)鍵詞 緊湊式家用太陽熱水器;防雷;

一、引言

太陽能作為一種清潔、經(jīng)濟的能源廣泛的被人類所利用，家用太陽能熱水器因其具有無污染、節(jié)能、環(huán)保、使用費用低等特點應(yīng)用越來越普遍，成為日常的家用產(chǎn)品。但是在樓房林立的今天，緊湊式家用太陽能熱水器因其采光的需要，大多安裝在樓頂?shù)戎粮唿c處，致使雷擊事故時有發(fā)生，使用戶的生命和財產(chǎn)安全受到嚴重威脅，為了使用者的安全，其防雷問題至關(guān)重要。

二、緊湊式家用太陽能熱水器遭雷擊的方式

根據(jù)緊湊式家用太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)、使用材料及安裝位置分析，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（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。

緊湊式家用太陽能熱水器絕大多數(shù)都安裝在建筑物的制高點位置上，其接閃器一般也都低于緊湊式家用太陽能熱水器，致使緊湊式家用太陽能熱水器暴露在接閃器保護范圍之外，一旦云地放電，緊湊式家用太陽能熱水器首當(dāng)其沖，成了接閃器，雷電可以直接擊在緊湊式家用太陽能熱水器上，直接擊壞緊湊式家用太陽能熱水器。

（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，造成放電所引起。

隨著緊湊式家用太陽能熱水器智能化的不斷提高，輔助加熱、水位、水溫自動顯示，補水、斷水的自動控制功能都應(yīng)用于產(chǎn)品中，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現(xiàn)的。電子裝置在室內(nèi)，輔助加熱、傳感裝置在室外緊湊式家用太陽能熱水器的水箱中，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。

三、緊湊式家用太陽能熱水器防雷原理及方法

緊湊式家用太陽能熱水器的防雷在很大程度上是依靠建筑物的防雷系統(tǒng)，因此建筑物防雷系統(tǒng)的好壞直接影響到緊湊式家用太陽能熱水器防雷的效果。例如接地系統(tǒng)，無論是防直擊雷還是防感應(yīng)雷、屏蔽、等電位等措施，緊湊式家用太陽能熱水器的防雷完全利用了建筑物的接地系統(tǒng)，如果建筑物無接地系統(tǒng)或接地系統(tǒng)不好，雷擊電磁脈沖就有可能通過緊湊式家用太陽能熱水器的用電線路傳入整個建筑物的用電線路，損壞用戶的其他用電設(shè)備。這樣不僅沒有保護緊湊式家用太陽能熱水器的安全，還損壞了用戶的其他用電設(shè)備，結(jié)果適得其反。所以在緊湊式家用太陽能熱水器防雷時首先檢查建筑物防雷系統(tǒng)，根據(jù)建筑物的防雷情況，再制定緊湊式家用太陽能熱水器的防雷方案。

緊湊式家用太陽能熱水器的防雷可分為外部防雷和內(nèi)部防雷兩種情況，外部防雷是防直擊雷，內(nèi)部防雷是防感應(yīng)雷。外部防雷——將絕大部分雷電流直接引入地下泄散;內(nèi)部防雷——快速泄放沿著電源或信號線路侵入的雷電波或各種危險過壓;這兩道防線，相互配合，獨立工作，同時又都不可或缺。雷電流泄放途徑見圖一。因此防雷工程是一項系統(tǒng)工程（圖二）。

（一）外部防雷

緊湊式家用太陽能熱水器的真空管和水箱一般設(shè)置在建筑物的至高點，這就要求與建筑物的防雷設(shè)施融合在一起。如果緊湊式家用太陽能熱水器在建筑物的接閃器的保護范圍之內(nèi)，就將緊湊式家用太陽能熱水器的金屬架和水桶殼與建筑物上的避雷設(shè)施作等電位連接。如果緊湊式家用太陽能熱水器不在建筑物的接閃器的保護范圍之內(nèi)，那么就要為緊湊式家用太陽能熱水器單獨設(shè)接閃裝置，其高度按滾球法進行計算，然后與建筑物的防雷設(shè)施連接，同時與湊式家用太陽能熱水器的金屬架和水箱外殼作等電位連接。

1、怎樣放置緊湊式家用太陽能熱水器

如果原建筑物已有良好的防雷措施，并且緊湊式家用太陽能熱水器已處于防雷裝置的保護范圍之內(nèi)，不用加避雷針，只需將緊湊式家用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?？筛鶕?jù)“滾球法”（看下面介紹）確定避雷針能夠保護的范圍。

如果緊湊式家用太陽能熱水器不在保護范圍之內(nèi)，一般情況下可在離熱水器3米遠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。緊湊式家用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。

2、“滾球法”是國際電工委員會推薦的接閃器保護范圍設(shè)計方法之一 ，我國《建筑防雷規(guī)范》GB50057-1994（2000版）也把“滾球法”強制作為計算避雷針保護范圍的方法。

滾球法是以hr為半徑的一個球體沿需要防止雷擊的部位滾動，當(dāng)球體只觸及接閃器（包括被用作接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到接閃器的保護。

滾球半徑的確定按《工業(yè)與民用配電手冊》，不同類別的防雷建筑物的滾球半徑，如表1所示。

3、滾球法的具體介紹

1.當(dāng)避雷針高度h小于或等于hr時：

（1）距地面hr處作一平行于地面的平行線;

（2）以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交于平行線的A、B兩點;

（3）以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切。從此弧線起到地面止就是保護范圍，是一個對稱的錐體;

（4）避雷針在hx高度的xx′平面上和在地面上的保護半徑，按下列計算式確定：

式中：rx──避雷針在hx高度的xx′平面上的保護半徑（m）;

hr──滾球半徑;

hx──被保護物的高度（m）;

r0──避雷針在地面上的保護半徑（m）。

2.當(dāng)避雷針高度h大于hr時，在避雷針上取高度hr的一點代替單支避雷針針尖作為圓心。其余的做法同本款第1項。式中的h用hr代入。實際操作中，我們只要取一個近似的值就可以，太陽熱水器的最高點在避雷針尖端45°角范圍內(nèi)即認為是有效保護范圍。

（二）內(nèi)部防雷

內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是易受過電壓破壞的電子設(shè)備（或室外獨立電子設(shè)備）加裝過壓保護裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時，防雷保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷要實現(xiàn)電源線路防雷和信號線路防雷。

緊湊式家用太陽能熱水器信號線宜帶有屏蔽層，該屏蔽層是為了減少電磁干擾，雷電發(fā)生時也會感應(yīng)雷電，為了減少電磁干擾的感應(yīng)效應(yīng)，宜采取以下的基本屏蔽措施：建筑物和房間外的外部設(shè)屏蔽措施，以合適的路徑敷設(shè)線路，線路屏蔽，這些措施宜聯(lián)合使用。為改善電磁環(huán)境，所有與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件都應(yīng)等電位連接在一起，并與防雷裝置相連，在需要保護的空間內(nèi)，當(dāng)采用屏蔽電纜時其屏蔽層應(yīng)至少在兩端并且在防雷區(qū)交接處做等電位連接，當(dāng)系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，應(yīng)采用雙層屏蔽，外層屏蔽按前述要求處理。

1、等電位連接

等電位連接的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)的各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位差。等電位連接是宜雷電防護的一個重要環(huán)節(jié)。因現(xiàn)在安裝緊湊式家用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（見圖四）。

2、緊湊式家用太陽能熱水器各種線路的屏蔽防雷

緊湊式家用太陽能熱水器從樓頂?shù)叫l(wèi)生間的線路有輔助電加熱電源線、水位/水信號溫線，這部分線路宜采用屏蔽線，其屏蔽層兩端要做好接地。建筑物遭受雷擊時，電磁感應(yīng)電流可能超過電纜屏蔽層所能承受的電流，所以，這段線路再穿鐵管，其鐵管上端和太陽能熱水器支架連接，鐵管下端和樓頂避雷帶就近連接，以確保線路的二次屏蔽作用。

當(dāng)非屏蔽電纜時，應(yīng)敷設(shè)在金屬管內(nèi)并埋地引入，金屬管應(yīng)電氣，并應(yīng)在雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。其埋地長度應(yīng)符合下列表達式要求，但不應(yīng)小于15m。

當(dāng)建筑物之間采用屏蔽電纜互聯(lián)，且電纜屏蔽層能承載可預(yù)見的雷電流時，電纜可不敷設(shè)在金屬管道內(nèi)。電纜電線的所有金屬接頭、金屬擋潮層、金屬加強芯等，應(yīng)在入戶處直接接地。

四、緊湊式家用太陽能熱水器各線路器件防雷

對信號線和電源線的防雷要想達到可靠的防雷保護，除了采用屏蔽金屬和外套鐵管外，還要在每根外接線路進行防雷保護，可以在控制器線路板上增加防雷器件，這些器件在正常的工作環(huán)境下不起作用，當(dāng)有雷電感應(yīng)電流沿信號線或者電源線進入室內(nèi)控制器時，防雷器件開始工作，把感應(yīng)電流引入地線，從而保證控制器和室內(nèi)電源的安全。

在控制器電源進線端需要加壓敏電阻，壓敏電阻在正常情況下處于關(guān)斷狀態(tài)，對于電路的正常工作無影響，一旦壓敏電阻兩端出現(xiàn)高壓，其阻值會急劇變化，流過其中的電流會激增，使其兩端的電壓急速下降，使被保護的設(shè)備免受高壓沖擊，當(dāng)瞬間高壓解除，壓敏電阻又恢復(fù)高阻抗狀態(tài)，電路恢復(fù)正常。

結(jié)合防雷方案，提出一下具體電路設(shè)計方案（見圖五和圖六）

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）傳感器端口：

差模：10KV（1.2/50uS）

共模：10KV（1.2/50uS）

（2）電源端口（戶內(nèi)供電，防護等級可稍低）：

共模：4KV（1.2/50uS）

差模： 4KV（1.2/50uS）

（3）傳感器端口對電源端口：

可承受幾十KV的過壓信號

方案簡要介紹：

（1）此方案滿足10/70 uS差模1.5KV，共模4KV雷擊浪涌測試標準。

（2）前級GDT使用4顆BF071M，旁路瀉放暫態(tài)大電流;中間使用10歐姆電阻協(xié)調(diào)兩級之間的防護器件，最好選用繞線插件電阻，如果使用貼片電阻，功率最好選2W;后級選用4顆BA201N瀉放殘余暫態(tài)電流。

（3）此方案針對四條傳感器線而組合的防護電路，一路防護電路對應(yīng)一條傳感線，以此類推，有幾條傳感線就用幾路防護電路。

（4）傳感器端口和電源端口之間選用1個B5G2700和一個壓敏電阻2DD561K，可承受幾十KV的過壓信號。電源零火線之間選用一個壓敏電阻2DD561K進行瀉壓。

（5）電源進線端口出現(xiàn)過電壓時，R1擊穿，使兩端電壓保持正常值，使用電設(shè)備受到保護。當(dāng)相線或零線上引入雷電過電壓時，R2和R3擊穿，兩端電壓保持正常值，同時引起大電流以燒斷熔絲，使壓敏電阻不通過持續(xù)電流，從而保護壓敏電阻。

五 結(jié)語

要做到安全使用緊湊式家用太陽能熱水器，必須要嚴格按照上述要求安裝直擊雷和防雷裝置。除此，用戶應(yīng)做好日常維護工作，每次雷雨季節(jié)前或者雷擊過后都要檢查防雷裝置，以及時發(fā)現(xiàn)是否有損壞，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行整改，確保雷擊的時候能夠起到好的防護。同時建議在雷擊的時候盡量避免使用緊湊式家用太陽能熱水器，并將控制器的電源切斷，以確保使用的安全。

參考文獻

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[2]李姜宏，黃樹燕，彭秋平. 淺析太陽能熱水器防雷設(shè)計.氣象研究與應(yīng)用.2009.

[3]李樺.太陽能熱水器防雷的探討.福建建設(shè)科技.2009.

[4] GB50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范

作者簡介：王力（1982.6-），男，漢，大學(xué)本科，中級工程師，金碧物業(yè)有限公司濟南分公司（山東省濟南市歷下區(qū)文化東路63號，250100）

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