利用絕緣原理降低太陽(yáng)能熱水器遭雷擊幾率的新思路

湖南省岳陽(yáng)市氣象局 ■ 聶武夫 向佳 向濤

0 引言

近年來(lái)，隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的增強(qiáng)，太陽(yáng)能熱水器以其省電、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)正日益受到市民的青睞。

為了使太陽(yáng)能熱水器能充分吸收太陽(yáng)光的能量，通常情況下，絕大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器安裝于屋脊上或天面上，但未有有效的防雷措施，易成雷擊的首要目標(biāo)；一旦遭受雷擊，雷電流沿金屬水管和水流進(jìn)入浴室，若此時(shí)有人在沐浴，后果不堪設(shè)想。那么太陽(yáng)能熱水器應(yīng)當(dāng)如何防雷呢？

一般采取的防雷措施是：降低太陽(yáng)能熱水器的安裝高度，加高避雷針的高度。熱水器頂部應(yīng)至少低于最高避雷針或避雷帶60 cm，并與針、帶保持約1 m的安全距離。如果原有的針、帶高度不能滿(mǎn)足要求，則應(yīng)加高避雷針，并與原有針、帶進(jìn)行雙面焊接，焊接長(zhǎng)度不小于連接鋼筋直徑的6倍，加裝避雷針的規(guī)格不小于原有針、帶的規(guī)格。如果安裝空間受限無(wú)法滿(mǎn)足安全距離的要求，可考慮將熱水器金屬支架與避雷帶相連。雷雨時(shí)最好不要使用太陽(yáng)能熱水器并拔掉電源插頭。

但實(shí)際上大多數(shù)用戶(hù)防雷意識(shí)淡薄，對(duì)太陽(yáng)能熱水器需安裝防雷裝置的要求不以為然，多數(shù)用戶(hù)不知道有引雷入室的隱患存在；而且安裝防雷裝置需要收取一定的額外費(fèi)用，許多用戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)時(shí)很少提此要求。

一些生產(chǎn)廠家和商家不僅缺乏防雷意識(shí)或未考慮到防雷需要，且許多產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)里根本未注明防雷的具體注意事項(xiàng)，其安裝人員也未經(jīng)過(guò)有關(guān)防雷知識(shí)技術(shù)培訓(xùn)。這種忽略太陽(yáng)能熱水器觸電的現(xiàn)象在很多地方普遍存在。

夏季是使用太陽(yáng)能熱水器的高峰時(shí)期，同時(shí)也是太陽(yáng)能熱水器雷擊事故頻發(fā)季節(jié)。那么太陽(yáng)能熱水器為什么會(huì)遭到雷擊呢？要了解這一點(diǎn)，我們首先要從太陽(yáng)能熱水器的結(jié)構(gòu)開(kāi)始了解。

1 利用絕緣原理降低太陽(yáng)能熱水器遭雷擊幾率

太陽(yáng)能熱水器一般由集熱部件、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成(見(jiàn)圖1)。其中集熱器是系統(tǒng)中的集熱元件，目前中國(guó)市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管，其材質(zhì)一般采用高硼硅特硬玻璃；保溫水箱是儲(chǔ)存熱水的容器，其外殼一般采用彩鋼板、鍍鋁鋅板或不銹鋼板；支架材質(zhì)一般采用不銹鋼、鋁合金或鋼材噴塑。

圖1 太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)圖

在了解了太陽(yáng)能熱水器的結(jié)構(gòu)以后，我們就可分析其遭受直擊雷的發(fā)生機(jī)理了。當(dāng)雷雨云移動(dòng)接近太陽(yáng)能熱水器時(shí)，由于靜電感應(yīng)的原因，使熱水器水箱外殼及支架表面產(chǎn)生異性電荷；當(dāng)先導(dǎo)發(fā)生時(shí)，熱水器表面的電荷沒(méi)有泄放通路，就會(huì)發(fā)生擊穿放電，危害人員生命和損壞設(shè)備。

那么有沒(méi)有可能從雷擊的源頭入手來(lái)減少太陽(yáng)能熱水器遭受雷擊的可能性呢？本文就從絕緣原理的角度來(lái)分析實(shí)現(xiàn)該設(shè)想的可能性。

近年來(lái)對(duì)于絕緣防雷的問(wèn)題，引起了不少人的興趣，甚至還有人希望迅速將其應(yīng)用于建筑物防雷的實(shí)踐中去。贊成這一舉措的人，無(wú)外乎基于以下一些依據(jù)：

1) 在我國(guó)一些古建筑(如山西應(yīng)縣木塔、浙江寧波的天童禪寺等)經(jīng)歷了數(shù)百上千年的雷雨考驗(yàn)，從未遭受過(guò)雷擊，據(jù)實(shí)地考察這些建筑的構(gòu)件均是采用絕緣良好的材料(如木結(jié)構(gòu))。

2) 從各國(guó)積累的資料來(lái)看，雷擊有較明顯的選擇性，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，絕大部分的雷擊均是發(fā)生在入地電阻較小的地方。

3)從理論上分析，贊成絕緣防雷的人認(rèn)為，在采用絕緣防雷的措施后，雷云來(lái)臨時(shí)能阻止地面感應(yīng)電荷通過(guò)絕緣材料形成上行先導(dǎo)，從而達(dá)到避免雷擊的目的。

多少年來(lái)，盡管人們對(duì)雷電進(jìn)行了大量的研究和探索，但對(duì)雷電的形成機(jī)理及雷擊活動(dòng)規(guī)律仍然存在不少疑問(wèn)。所以在防雷領(lǐng)域里，形成了不同的學(xué)派，學(xué)派間的一些觀點(diǎn)不盡相同甚至對(duì)立，也就不足為奇了。但有一點(diǎn)是大家公認(rèn)的，即雷擊在自然界是遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。世界上只要有雷電活動(dòng)的地方，每處均有遭受雷擊的可能，其差異只是遭受雷擊概率的大小不同而已。

當(dāng)然在一般情況下，雷擊是有選擇性規(guī)律的。正因?yàn)槿绱?，人們才有可能科學(xué)而正確地采取各種有效的防雷措施，使雷擊造成的損失減小到最低限度。但由于雷擊本身固有的不確定性，以絕緣材料去阻止雷云活動(dòng)時(shí)地面上感應(yīng)先導(dǎo)的形成是難以實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，雷云的活動(dòng)范圍是幾十甚至上百公里，在這一范圍內(nèi)，雷擊點(diǎn)除了多半選擇地面電阻小的地點(diǎn)外，還和當(dāng)時(shí)的風(fēng)向、地形地貌及溫濕度環(huán)境因素有關(guān)(包括附近有空氣污染、空中出現(xiàn)導(dǎo)電煙塵等)。地面電阻小不是雷擊點(diǎn)的唯一條件，只能說(shuō)是重要條件。

要達(dá)到絕緣避雷有兩個(gè)條件必須滿(mǎn)足：一是絕緣材料必須有很高的耐壓，能承受住雷電來(lái)臨時(shí)加在它兩端的高電壓；二是加了絕緣材料后，該通道的電阻必須遠(yuǎn)大于雷雨來(lái)臨時(shí)周?chē)諝饣蚱渌矬w通道的電阻。

對(duì)于第一個(gè)條件，不少人會(huì)有疑問(wèn)：雷電電壓高達(dá)數(shù)千萬(wàn)伏以下，現(xiàn)在有這種絕緣材料嗎？需要搞清楚的是：數(shù)千萬(wàn)伏的電壓是加在云、地之間，并不是加在被保護(hù)的人或物與地之間。那加在人或物與地之間的電壓究竟是多少呢？中國(guó)科學(xué)院大氣物理所孫景群編著的《大氣電學(xué)手冊(cè)》提供了大量資料：晴天大氣電場(chǎng)的平均值約為130 V/m。雷電來(lái)臨前，大氣電場(chǎng)會(huì)急劇升高，當(dāng)電場(chǎng)升高到1 kV/m時(shí)，地面的青草、莊稼、大樹(shù)，甚至突出的巖石、房屋等都會(huì)出現(xiàn)電暈現(xiàn)象即尖端放電，使空氣電離。當(dāng)云端電場(chǎng)為負(fù)時(shí)，電離的空氣是正極性，形成對(duì)地面的數(shù)十米以上的屏蔽層，阻止了近地面層的電位升高。據(jù)實(shí)測(cè)，雷雨來(lái)臨前，地面的大氣電場(chǎng)最高一般不超過(guò)20 kV/m；而由于水面尖端放電較少，近水面的大氣電場(chǎng)也不超過(guò)130 kV/m。

對(duì)目前的絕緣材料來(lái)說(shuō)，是完全可能承受這種電壓的。

對(duì)于第二個(gè)條件，關(guān)鍵在于大氣的電阻。晴天的大氣電阻很高，據(jù)實(shí)測(cè)，晴天大氣電阻率平均為3×1013Ωm，但是在雷電來(lái)臨前，由于空氣電離，其電阻會(huì)急劇下降。根據(jù)我們?cè)趶V西南寧地凱公司120萬(wàn)V雷云板下做的試驗(yàn)，當(dāng)濕度50%、電壓加至543 kV時(shí)，1.05 m的空氣被擊穿，在這之前出現(xiàn)電暈電流為1.3 mA；當(dāng)空氣濕度79%(有小雨)、電壓加至331 kV時(shí)，1.05 m的空氣被擊穿，此前的電暈電流為1 mA。這時(shí)的空氣電阻比一般絕緣物的電阻小得多。因此覆蓋了絕緣材料，就可能滿(mǎn)足絕緣避雷的兩個(gè)條件。

那么是否存在這種適合制作太陽(yáng)能熱水器水箱及支架的絕緣材料呢？在這里我首先為大家介紹一種名為ABS樹(shù)脂的絕緣材料。

ABS樹(shù)脂是5大合成樹(shù)脂之一，是一種目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料。它具有以下特性：

1) 一般性能：是一種綜合性能十分良好的樹(shù)脂，在比較寬廣的溫度范圍內(nèi)具有較高的沖擊強(qiáng)度和表面硬度，熱變形溫度比PA、PVC高，尺寸穩(wěn)定性好。

2) 熱學(xué)性能：屬于無(wú)定形聚合物，無(wú)明顯熔點(diǎn)，可在-4～85 ℃的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。

3) 電學(xué)性能：電絕緣性較好，并且?guī)缀醪皇軠囟取穸群皖l率的影響，可在大多數(shù)環(huán)境下使用。

4)環(huán)境性能：不受水、無(wú)機(jī)鹽、堿醇類(lèi)和烴類(lèi)溶劑及多種酸的影響。

但僅具備以上優(yōu)良性能尚不能使之成為理想的材料。由于ABS含有不飽和雙鍵的丁二烯部分易受紫外線作用，引發(fā)分子鏈中雙鍵斷裂產(chǎn)生自由基，加速材料的老化進(jìn)程，因此選擇耐候性更好的ABS樹(shù)脂成為關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)采用的改善ABS樹(shù)脂耐候性的技術(shù)主要有兩種：一是加入助劑、光穩(wěn)定劑、抗氧劑等；二是改變橡膠的組成。另外，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，添加碳黑或在表面涂上一層適宜的清漆或薄膜可有效改善ABS樹(shù)脂的耐候性。趙偉于2010年發(fā)表的《PVC/ABS合金的研究》一文表明，ABS與PVC共混改性得到的PVC/ABS合金樹(shù)脂兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，材料的耐候性能大幅提高，且PVC/ABS體系具有“海島”結(jié)構(gòu)，材料的抗沖性能也得到提高。此外，ABS樹(shù)脂的制備原料苯乙烯、丙烯腈和丁二烯都是基礎(chǔ)石油化工原料，具有原料易得、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，這也是其優(yōu)勢(shì)所在。

2 總結(jié)

綜合所述，ABS樹(shù)脂的熱學(xué)、電學(xué)、環(huán)境等諸多特性都很適合制作太陽(yáng)能熱水器的水箱外殼及支架；理論上，其絕緣效果能有效降低太陽(yáng)能熱水器遭受直擊雷擊的幾率。在此需要聲明的是，絕緣避雷僅對(duì)直擊雷的防護(hù)有效果，對(duì)于雷電感應(yīng)的危害則無(wú)能為力，太陽(yáng)能熱水器仍須按照規(guī)范要求做好雷電感應(yīng)和雷電波侵入措施。