電動汽車充電樁的雷擊風(fēng)險與防護*

張世謹(jǐn)，仇 健，盧志紅

(1.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2.廣東省珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000；3.廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000)

1 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，化石能源供需矛盾和環(huán)境壓力日益突出，以電動汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展[1-3]。同時，作為產(chǎn)業(yè)配套設(shè)施之一的汽車充電樁建設(shè)亦如雨后春筍般在各地涌現(xiàn)。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底，我國已建成公共充電樁21萬個，市場規(guī)模位居全球首位。當(dāng)前，大多數(shù)的充電樁集中建設(shè)在一二線城市的各類露天停車場，如果其未采取有針對性的防雷措施，易遭受雷擊，輕則損壞個別充電樁內(nèi)部電子系統(tǒng)，導(dǎo)致充電服務(wù)中斷；重則可在電網(wǎng)中形成干擾波動、導(dǎo)致多臺充電設(shè)備和正在充電的汽車內(nèi)部電氣電子系統(tǒng)一并損壞，造成重大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。因此，如何確保充電樁的防雷安全，是設(shè)計單位、生產(chǎn)企業(yè)和廣大防雷技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)著重思考、解決的問題。

2 充電樁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其雷擊風(fēng)險

充電樁在功能上類似于汽車加油站里面的加油機，按安裝方式可分為落地式和掛壁式兩種，可安裝于專用充電站、公共建筑(公共樓宇、商場、公共停車場等)、居民小區(qū)停車場內(nèi)。其結(jié)構(gòu)一般由樁體、電氣模塊、計量模塊3部分組成[5]。

由于充電樁的安裝環(huán)境、技術(shù)要求等存在差異，其在雷電影響期間可能面臨著不同的雷擊風(fēng)險。

2.1 直擊雷

目前，市場上安裝的落地式充電樁一般高度均不超過2 m但樁體外殼多采用金屬材質(zhì)，當(dāng)充電樁安裝于空曠平坦的露天場地時，因其金屬體良好的導(dǎo)電性能，更容易產(chǎn)生向上的先導(dǎo)放電，遭受直接雷擊的概率將大大增加。直擊雷產(chǎn)生的巨大雷電流可在樁體外殼與內(nèi)部構(gòu)件或外殼與周邊人員、物體之間形成很高的電位差，同時在雷擊點附近產(chǎn)生急劇的溫升從而引發(fā)火災(zāi)，造成充電設(shè)施損毀，危及附近的人員安全。

2.2 閃電感應(yīng)

安裝于戶外的金屬充電樁體，如果樁體金屬外殼未作接地處理或接地不良時因閃電感應(yīng)將產(chǎn)生瞬間的高電位，可對樁內(nèi)元器件、周邊人員安全產(chǎn)生威脅；同時，雷云在充電樁附近產(chǎn)生放電時，由于雷電流的迅速變化可在閃電通道周邊空間產(chǎn)生瞬變的強電磁場，使樁體有關(guān)構(gòu)件感應(yīng)出很高的電動勢，對內(nèi)部金屬元器件或環(huán)路開口中產(chǎn)生危險的火花放電，常常使充電樁內(nèi)部耐壓水平較低的微處理器或集成電路等擊穿損壞。

2.3 閃電電涌侵入

無論是落地式或壁掛式的充電樁，均有電源進線及各種通信線路(無線通信除外)與BMS系統(tǒng)、集中器、服務(wù)管理平臺進行連接。一般充電樁的建設(shè)多以組為單位，當(dāng)采用有線以太網(wǎng)、工業(yè)串行總線的連接通信方式時，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸，但終端連接到子站、主站的各種線路不僅連接節(jié)點多且分散、覆蓋面廣、通信距離長、布線復(fù)雜，這無疑為雷電流的傳導(dǎo)提供了更多可能的入侵途徑。雷電波可能沿著這些互聯(lián)線路侵入充電樁，嚴(yán)重時可造成多臺設(shè)備同時損壞，使受災(zāi)面積由點向面大大擴展，并危及人身安全。

2.4 雷擊電磁脈沖

雷電流通過電阻、電感、電容耦合產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，可導(dǎo)致充電樁人機交互裝置及內(nèi)部電氣模塊、計量裝置、通信接口等各組件及相關(guān)線路耦合產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在元件開口兩端產(chǎn)生不可承受的過電壓或在環(huán)路上產(chǎn)生過電流，使元件擊穿或線路燒毀。雷電波的頻譜較寬，當(dāng)雷擊產(chǎn)生的電磁波頻率與正常的無線數(shù)據(jù)信號波段重疊時，將可能導(dǎo)致DTU耦合接收到雷擊產(chǎn)生的強電磁場干擾信號，甚至損壞DTU。

3 充電樁防雷措施

3.1 科學(xué)選址，合理規(guī)避雷電高風(fēng)險區(qū)域

據(jù)有關(guān)研究表明，雷電活動具有明顯的地域分布特征[6]；受城市下墊面形態(tài)、大氣離子濃度、水汽及通風(fēng)廊道等因素影響，即便在同一個城市，雷電活動也有所不同，有些局部地區(qū)的雷擊要比鄰近地區(qū)多得多。因此，無論是原有場地改建或是獨立占地建設(shè)，都面臨充電樁建設(shè)站場的選址問題。

投資建設(shè)主體在充電樁選址或編制有關(guān)建設(shè)規(guī)劃方案前，應(yīng)對擬建站場周邊建(構(gòu))筑物防雷裝置的安裝情況進行調(diào)查，并應(yīng)符合以下條件：一是盡可能避開高層建(構(gòu))筑物密集且年預(yù)計雷擊次數(shù)相對較高的區(qū)域；二是遠(yuǎn)離高壓架空電力線路走廊及其高聳的鐵塔；三是所選場地周邊建筑物高度相對較低或高度相差不大，且安裝有防雷裝置保護。當(dāng)不可避免需要在上述雷電高風(fēng)險區(qū)域建設(shè)充電樁時，亦可適當(dāng)提高雷電防御等級，增加防護措施，以減少雷災(zāi)事故的發(fā)生。

3.2 防雷分類的確定

獨立建設(shè)的充電設(shè)施應(yīng)至少按文獻[7]規(guī)定的三類防雷建筑物要求設(shè)計采取防雷措施。如與其他建筑物共同建設(shè)或改造時，應(yīng)綜合考慮建筑物的性質(zhì)并經(jīng)計算確定其防雷級別。安裝于戶內(nèi)的充電樁應(yīng)至少防直擊雷、防閃電電涌侵入和防雷擊電磁脈沖的保護措施，安裝于戶外的充電樁尚應(yīng)采取防閃電感應(yīng)的措施。

3.3 直擊雷防護措施

安裝于戶外的充電樁，當(dāng)不處于其他已有防雷裝置的保護范圍內(nèi)時，應(yīng)設(shè)計采取防直擊雷措施。當(dāng)充電樁地處效區(qū)曠野獨立建設(shè)時，不宜采用露天直接安裝，而應(yīng)在充電區(qū)域增設(shè)頂棚并能覆蓋所有充電樁。該頂棚應(yīng)至少按文獻[7]規(guī)定的第三類防雷建筑物設(shè)計采取防直擊雷措施。如圖1、圖2所示，對于建在城區(qū)內(nèi)的室外充電樁，落地式宜選擇靠近有合格防雷裝置的建(構(gòu))筑物、高桿燈或其他自然接閃裝置附近安裝，盡可能將所有充電樁置于周邊建筑物防雷裝置的保護范圍之內(nèi)(LPZ0A區(qū))；壁掛式充電樁則可直接安裝在上述建筑物距地面不高于2 m的外墻上。為防高電位反擊和強電磁干擾，充電樁的安裝位置應(yīng)與建筑物防直擊雷引下線、高桿燈以及其他雷電流泄放通道保持足夠的間隔距離。

圖1 單棟建筑物的直擊雷保護范圍示意圖 圖2 兩棟及以上建筑物組合的直擊雷保護范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct lightning protection Fig.2 Schematic diagram of direct lightning protection scope of a single building area of two or more buildings

3.4 做好設(shè)備各金屬組件之間的防雷等電位連接

充電樁外殼、支架、金屬線管(槽)等所有金屬組件通過金屬螺栓、導(dǎo)線或SPD連接到防雷裝置上，要求各部件之間連接的直流過渡電阻不應(yīng)大于0.03 Ω，以減小電位差。值得注意的是，當(dāng)前不少充電樁金屬構(gòu)件通過利用向充電樁提供交流電源的電纜PE線進行接地，雖可對工頻電流漏電有效保護，但當(dāng)設(shè)備遭雷擊時，從雷擊點經(jīng)PE線到最近的重復(fù)接地點之間的距離一般較長，PE線的雷電流通道阻抗較大，將產(chǎn)生很高的雷擊過電壓；由此可見，防雷等電位連接應(yīng)采用符合相應(yīng)截面積要求的專用導(dǎo)體作連接，僅通過PE線連接的方式并不值得推薦。

3.5 做好屏蔽和合理布線

屏蔽是減少雷電磁脈沖干擾的基本措施之一。安裝在戶外的充電樁通常暴露在LPZ0區(qū)內(nèi)，可將充電樁金屬外殼所有組件相互連接形成良好的電氣通路，并將外殼良好接地，即可對內(nèi)部電氣電子設(shè)備形成良好的電磁屏蔽作用。因此在選擇產(chǎn)品時，同等條件下建議優(yōu)先選用金屬外殼且板材較厚、電氣電子元器件的抗擾度相對較高、電磁兼容性較好[8]的產(chǎn)品。

根據(jù)安裝方式的不同，充電樁的布線通?？煞譃橄逻M式和側(cè)進式兩種。前者多用于落地式充電樁布線，主要是將線纜布設(shè)在埋地電纜溝內(nèi)引至充電樁基礎(chǔ)下方進線，可在一定程度上減少雷擊電磁脈沖干擾的影響；后者多用于壁掛式充電樁布線，主要是將線纜沿墻體外立面布設(shè)引至充電樁，當(dāng)線路無屏蔽措施時極易受到雷擊電磁脈沖干擾。

因此，同等條件下宜優(yōu)先選擇下進式布線，并選用金屬鎧裝的屏蔽電纜直接埋地敷設(shè)引入充電樁；當(dāng)采用低壓架空線路供電的，應(yīng)在引入前轉(zhuǎn)為金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入，電纜地中敷設(shè)長度不宜小于15 m；對有線連接的通信線路，應(yīng)優(yōu)先采用無金屬光纜；當(dāng)施工困難時可選用帶有金屬構(gòu)件的光纜。布線時，應(yīng)將充電樁電源電纜、通信電纜分開敷設(shè)，并盡可能避免與建筑物防直擊雷引下線或其他金屬管線近距離平行敷設(shè)，彼此間距應(yīng)符合《綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》GB50311-2016的要求。布線完畢后，應(yīng)將電源電纜屏蔽層、金屬套管、支架、PE線以及帶金屬構(gòu)件的光纜護套、加強芯、接頭等可導(dǎo)電部件在線纜兩端作接地處理。

當(dāng)必須采用側(cè)進式布線和普通絕緣護套的非屏蔽線纜時，應(yīng)將線纜穿金屬管或金屬線槽屏蔽，按上述方式做好兩端接地并確保屏蔽體各部分之間具有可靠的電氣貫通。

3.6 防線路電涌過電壓

當(dāng)充電樁采用TN系統(tǒng)三相電源供電時，為避免正常的負(fù)荷電流經(jīng)PE線或與PE線有連接的導(dǎo)體流動，保障充電樁正常運行安全，給充電樁提供的低壓電源應(yīng)采用TN-S接地型式。

為降低設(shè)備遭受雷擊過電壓或過電流沖擊損壞的風(fēng)險，在設(shè)備的信號線路前端亦應(yīng)安裝與之相配套的信號SPD。對于采用金屬線引入的，應(yīng)在設(shè)備前端加裝D1類高能量試驗類型的SPD，其短路電流應(yīng)不小于1.5 kA(10/350 μs)。對于采用光纜的，應(yīng)安裝B2類慢上升率試驗類型的SPD，其短路電流應(yīng)不小于75A(5/300 μs)。

除選擇合適的SPD類型、參數(shù)外，SPD的安裝工藝尤其重要。為降低SPD動作時產(chǎn)生的殘壓，要求SPD采用凱文接線方式，SPD兩端接線總長度不應(yīng)大于0.5 m。

3.7 采取共用接地系統(tǒng)

充電樁防雷接地、電氣設(shè)備的工作接地、保護接地應(yīng)共用接地系統(tǒng)，其接地電阻值不宜大于4 Ω。同時，應(yīng)當(dāng)注意共用接地裝置的布置形式和尺寸。

對于在空曠場地獨立建設(shè)的充電樁，當(dāng)基礎(chǔ)埋深大于0.5 m時，應(yīng)充分利用其基礎(chǔ)底部鋼筋，并輔以若干人工接地體圍繞樁體混合組成環(huán)型接地裝置；成組制安裝的各充電樁單體之間接地體應(yīng)不少于兩處相互連接形成閉合網(wǎng)格狀。當(dāng)與基礎(chǔ)鋼筋相連接時，埋于土壤中的人工接地體材料宜選用銅質(zhì)、鍍銅或不銹鋼導(dǎo)體，以減少導(dǎo)體的電化學(xué)腐蝕。此外，應(yīng)盡可能加大人工接地體的深埋，并同時適當(dāng)縮小網(wǎng)格尺寸，以均衡雷電流泄放入地瞬間產(chǎn)生的地表電位差，減少跨步電壓危險；當(dāng)條件限制時，可在地表敷設(shè)5 cm厚的瀝青層或15 cm厚的礫石層。

對于建在城區(qū)的露天充電樁，當(dāng)附近有已安裝防雷裝置的建(構(gòu))筑物或充電樁與之有電氣、電子系統(tǒng)線路連通時，應(yīng)將充電樁接地裝置通過不少于兩處連接導(dǎo)體就近接入該建(構(gòu))筑物防雷接地裝置。人工接地導(dǎo)體的安裝要求同上。若充電樁安裝在戶內(nèi)，可直接連接到經(jīng)檢測合格的建筑物主體防雷接地裝置。

3.8 做好科學(xué)管理和日常維護

要做好充電樁的防雷工作，在管理上應(yīng)予以重視。一是應(yīng)將防雷設(shè)計圖委托防雷專業(yè)技術(shù)部門審查合格后，方可投入施工。在防雷裝置施工期間應(yīng)當(dāng)做好隱蔽工程的質(zhì)量檢測。直至竣工檢測合格后，方可投入使用。二是完善運營期間的管理制度和維護措施[10]，加強日常巡檢和隱患排查，一旦發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)當(dāng)及時整改，以策安全。三是應(yīng)加強與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的合作，及時獲取充電樁站點所在區(qū)域的雷暴預(yù)警信息，提前做好防御措施，如雷雨天氣臨近時，可暫停充電服務(wù)。

4 結(jié)束語

充電樁是當(dāng)今新能源電動汽車快速發(fā)展的配套設(shè)施產(chǎn)物，面臨著防雷等諸多技術(shù)問題有待研究。本文從充電樁的工作原理及其遭受雷擊的風(fēng)險進行分析，有針對性地提出了從規(guī)劃選址、防直擊雷、防閃電感應(yīng)、防雷電波侵入和防雷擊電磁脈沖以及運營管理等多方面進行綜合防雷的解決辦法，以期拋磚引玉，為同行提供參考。