緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器的防雷方案

王力 單青

摘要? ?針對(duì)緊湊式家用太陽(yáng)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(lái)不安全因素。通過(guò)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(yáng)熱水器;防雷;

一、引言

太陽(yáng)能作為一種清潔、經(jīng)濟(jì)的能源廣泛的被人類所利用，家用太陽(yáng)能熱水器因其具有無(wú)污染、節(jié)能、環(huán)保、使用費(fèi)用低等特點(diǎn)應(yīng)用越來(lái)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(yáng)能熱水器因其采光的需要，大多安裝在樓頂?shù)戎粮唿c(diǎn)處，致使雷擊事故時(shí)有發(fā)生，使用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅，為了使用者的安全，其防雷問(wèn)題至關(guān)重要。

二、緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器遭雷擊的方式

根據(jù)緊湊式家用太陽(yáng)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(guò)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(shuō)就是雷云對(duì)大地上的目標(biāo)（高大建筑物或高大樹(shù)木等）放電的一種過(guò)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(zhǎng)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(wú)衰減地沿電纜傳入設(shè)備。

緊湊式家用太陽(yáng)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緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器，致使緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器暴露在接閃器保護(hù)范圍之外，一旦云地放電，緊湊式家用太陽(yáng)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(yáng)能熱水器上，直接擊壞緊湊式家用太陽(yáng)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，造成放電所引起。

隨著緊湊式家用太陽(yáng)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)用于產(chǎn)品中，而這些功能都是通過(guò)專用電腦控制芯片、傳感裝置等電子裝置來(lái)實(shí)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(yáng)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(hào)線、控制線都是感應(yīng)雷擊的侵害途徑。

三、緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器防雷原理及方法

緊湊式家用太陽(yáng)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(yáng)能熱水器防雷的效果。例如接地系統(tǒng)，無(wú)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(yáng)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(wú)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(guò)緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器的用電線路傳入整個(gè)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(méi)有保護(hù)緊湊式家用太陽(yáng)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(yáng)能熱水器防雷時(shí)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(yáng)能熱水器的防雷方案。

緊湊式家用太陽(yáng)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(hào)線路侵入的雷電波或各種危險(xiǎn)過(guò)壓;這兩道防線，相互配合，獨(dú)立工作，同時(shí)又都不可或缺。雷電流泄放途徑見(jiàn)圖一。因此防雷工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程（圖二）。

（一）外部防雷

緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器的真空管和水箱一般設(shè)置在建筑物的至高點(diǎn)，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(yáng)能熱水器在建筑物的接閃器的保護(hù)范圍之內(nèi)，就將緊湊式家用太陽(yáng)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(yáng)能熱水器不在建筑物的接閃器的保護(hù)范圍之內(nèi)，那么就要為緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器單獨(dú)設(shè)接閃裝置，其高度按滾球法進(jìn)行計(jì)算，然后與建筑物的防雷設(shè)施連接，同時(shí)與湊式家用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能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，只需將緊湊式家用太陽(yáng)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(hù)的范圍。

如果緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器不在保護(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。緊湊式家用太陽(yáng)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(guó)際電工委員會(huì)推薦的接閃器保護(hù)范圍設(shè)計(jì)方法之一 ，我國(guó)《建筑防雷規(guī)范》GB50057-1994（2000版）也把“滾球法”強(qiáng)制作為計(jì)算避雷針保護(hù)范圍的方法。

滾球法是以hr為半徑的一個(gè)球體沿需要防止雷擊的部位滾動(dòng)，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(hù)的部位時(shí)，則該部分就得到接閃器的保護(hù)。

滾球半徑的確定按《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》，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(shí)：

（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(diǎn);

（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(hù)范圍，是一個(gè)對(duì)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(hù)半徑，按下列計(jì)算式確定：

式中：rx──避雷針在hx高度的xx′平面上的保護(hù)半徑（m）;

hr──滾球半徑;

hx──被保護(hù)物的高度（m）;

r0──避雷針在地面上的保護(hù)半徑（m）。

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

（二）內(nèi)部防雷

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

緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器信號(hào)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(shí)也會(huì)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(hù)的空間內(nèi)，當(dāng)采用屏蔽電纜時(shí)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(shí)，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(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因現(xiàn)在安裝緊湊式家用太陽(yáng)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(méi)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(yáng)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(jiàn)圖四）。

2、緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器各種線路的屏蔽防雷

緊湊式家用太陽(yáng)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(hào)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(shí)，電磁感應(yīng)電流可能超過(guò)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(yáng)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(shí)，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(hù)區(qū)交界處做等電位連接并接地。其埋地長(zhǎng)度應(yīng)符合下列表達(dá)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(jiàn)的雷電流時(shí)，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(qiáng)芯等，應(yīng)在入戶處直接接地。

四、緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器各線路器件防雷

對(duì)信號(hào)線和電源線的防雷要想達(dá)到可靠的防雷保護(hù)，除了采用屏蔽金屬和外套鐵管外，還要在每根外接線路進(jìn)行防雷保護(hù)，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(hào)線或者電源線進(jìn)入室內(nèi)控制器時(shí)，防雷器件開(kāi)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(jìn)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(duì)于電路的正常工作無(wú)影響，一旦壓敏電阻兩端出現(xiàn)高壓，其阻值會(huì)急劇變化，流過(guò)其中的電流會(huì)激增，使其兩端的電壓急速下降，使被保護(hù)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?fàn)顟B(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(jì)方案（見(jiàn)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(hù)等級(jí)可稍低）：

共模：4KV（1.2/50uS）

差模： 4KV（1.2/50uS）

（3）傳感器端口對(duì)電源端口：

可承受幾十KV的過(guò)壓信號(hào)

方案簡(jiǎn)要介紹：

（1）此方案滿足10/70 uS差模1.5KV，共模4KV雷擊浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

（2）前級(jí)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(jí)之間的防護(hù)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(jí)選用4顆BA201N瀉放殘余暫態(tài)電流。

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

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

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

五 結(jié)語(yǔ)

要做到安全使用緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器，必須要嚴(yán)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(hù)工作，每次雷雨季節(jié)前或者雷擊過(guò)后都要檢查防雷裝置，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否有損壞，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改，確保雷擊的時(shí)候能夠起到好的防護(hù)。同時(shí)建議在雷擊的時(shí)候盡量避免使用緊湊式家用太陽(yáng)能熱水器，并將控制器的電源切斷，以確保使用的安全。

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

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