太阳能热水器的防雷原理及措施

李　正　韦鹏展

摘要:太阳能热水器因其具有无污染、节能、环保、费用低等特点正日益走进千家万户,成为人们的日常用品。文章阐述了太阳能热水器防雷的一般概念与防雷原理,提出了有效的、科学的防雷措施,以保障太阳能热水器及洗浴者的安全。

关键词:太阳能热水器;建筑物防雷;防雷措施

中图分类号:TV822文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)27-0155-02

太阳能热水器是利用集热器吸收太阳光,将光能转换成热能,并通过储水箱将热水储存。由于它具有节约能源、防止污染、使用方便和经济实惠等特点,正日益得到广泛的应用。 我国大部分的楼房建筑,防雷措施一般采用避雷带、避雷针和安装阀型避雷器等装置。但是,将现行的防雷技术用于太阳能建筑,一方面,由于大面积的太阳电池板、集热器等已占据了屋面,特别是今后与建筑材料一体化的光伏屋顶,它们的水、电循环系统都可以成为雷电的载体,所以,从安全角度考虑,要求有高性能的避雷技术才不致于使太阳能系统及人类受到侵害;另一方面,按传统的避雷技术,要使整个顶面都不受雷电侵袭,必须严格按照技术标准安装避雷带、避雷针群等装置,且对间距和高度都有很高的要求。否则,难以保证安全。因此,在发展太阳能建筑时应重视避雷问题,如何让太阳能技术和新型避雷技术有机地结合在一起,组成实用、美观、安全可靠的一体化系统,是今后需要研究的课题。

一、防雷的一般概念

(一)屏蔽的原则

屏蔽是减少电磁干扰的基本措施,为减少电磁干扰的感应效应,宜在外部设置屏蔽设施,以合适的路径敷设线路、屏蔽线路。建筑物的自然屏蔽是由建筑物的金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋等自然构件组成的,这些构件组成一个格栅形大空间屏蔽层(所有的金属门、窗均应可靠接地)。设备的屏蔽即设备的金属外壳可靠接地,以提高设备本身的抗浪涌、抗干扰能力。

(二)等电位连接

为了彻底消除雷电引起的毁灭性的电位差,特别实行等电位连接,在建筑物的首层、顶层和机房均应实行等电位连接。等电位连接是防止和减少电气线路的短路、过载特别是接地故障引起的电气火灾、爆炸和生命危险。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建(构)筑物时,宜设若干连接带,并应就近连接到环行接地体、内部环导体或建筑物内筋上。所有金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架等大尺寸内部导电物,其等电位连接带或其他已做了等电位连接的金属物,各导电物之间宜附加多次互相连接。室内所有的金属桥架、设备金属外壳、电缆进线的外屏蔽层、静电地板均应就近接到接地母排上,并与建筑物基础多点连接。

(三)接地处理

科学合理的接地是电子、电气设备系统正常工作的重要条件;是防雷系统和电气安全技术必不可少的重要基础,是抗干扰技术中最重要的技术措施。因此,合理接地的意义主要是:疏导雷击能量、疏导故障电流、提供工作回路、提供参考电位(基准电位)、屏蔽电磁干扰信号、疏导静电电荷、消除或减少杂讯干扰等。

(四)电涌保护器

电涌保护器是至少含有一个非线形电压限制元件,用于限制暂态过电压和分流浪涌电流的装置。电涌保护器是由压敏电阻(可变电阻、限压二级管)和火花间隙(放电路径)组成,用于保护其他电子设备和装置,免受浪涌的危害,以及电子传输系统提供等电位连接。

(五)电位差

雷电流的泄放途径和放电电流的大小直接关系到等电位接地系统内形成的电位差。当雷电击中建筑物时,雷电流通过建筑物上的接闪器由引下线汇入接地体;同时,建筑物内的各种导体上也产生了感应电流(或电压),通过内部的防雷设备(如电涌保护器)对地泄放。依据分流原则,高电位的大部分电流总是经接地电阻最小的途径释放。因此,就近接地线往往将雷电形成的高电位尽早释放,而等电位体的总体电位变化不大。另外,雷电流泄放途径上,在总等电位母排、接地引线的端点都会产生高电压,即电位差,该电位差有时间短、电压高的特点。

二、太阳能热水器遭雷击的方式

根据太阳能热水器的结构、使用材料及安装位置分析,它遭雷击的途径可分两种,一是直击雷,二是感应雷击。

(一)直击雷击

当雷云通过线路或电器设备放电时称为直击雷。直击雷可以形象地说就是雷云对大地上的目标(高大建筑物或高大树木等)放电的一种过程。直击雷可在其周围一定范围内的导体上感应起危险电压,加上建筑物之间连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲,并几乎无衰减地沿电缆传入设备。

太阳能热水器绝大多数都安装在建筑物的制高点位置上,其接闪器一般也都低于太阳能热水器,太阳能热水器暴露在接闪器保护范围之外,一旦云地放电,太阳能热水器首当其冲,成了接闪器,雷电可以直接击在太阳能热水器上,直接击坏太阳能热水器。

(二)感应雷击

感应雷击是由于雷云的静电感应或放电时的电磁感应作用,使建筑物上的金属物件,如管道、钢筋、电线等感应出与雷云电荷相反的电荷,造成放电。

随着太阳能热水器智能化的不断提高,辅助加热、水位、水温自动显示,补水、断水的自动控制功能都应用于太阳能热水器中,而这些功能都是通过专用电脑控制芯片、传感装置等电子装置来实现的。电子装置在室内,辅助加热、传感装置在室外太阳能热水器水箱中,为这些电子装置供电的电源线,显示及控制用的信号线、控制线都是感应雷击的侵害途径。太阳能热水器招引感应雷击的通道主要有三条:电源线路引入;信号线路引入;接地线路引入。

三、太阳能热水器的防雷措施

太阳能热水器的防雷,可分为楼顶部分、传输部分和卫生间部分。

(一)楼顶部分的防雷

太阳能热水器楼顶部分主要是水箱和金属支架,要求自身所有金属部分应有良好的电气连接;另外,太阳能热水器一般都高出楼顶防雷装置,处在LPZ0A区,所以必须另外安装接闪器,并且根据《建筑物防雷设计规范》GB50057—94的附录四,用滚球法确定接闪器的保护范围,使太阳能热水器处在LPZ0B区内。该接闪器直接与建筑物的防雷装置有至少两处的焊接,以保证可能的雷击时泄放雷电流的可靠性。如果原建筑物已有良好的防雷措施,并且热水器已处于防雷装置的保护范围之内,不用加避雷针,只需将太阳能热水器的金属底脚用扁钢或圆钢就近焊接到屋面避雷带或引下线上。如果热水器不在保护范围之内,一般情况下可在离热水器3米远的地方加装高出热水器顶部1.5米的避雷针,并做好接地工作。太阳能热水器各金属支架要等电位连接,不要直接连接到避雷针上。防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成。接闪器(又称避雷针)位于防雷装置的顶部,其作用是利用其高出被保护物的突出地位把雷电引向自身,承接直击雷放电。除避雷针、避雷线、避雷网、避雷带可作为接闪器外,建筑物的金属屋面可用作第一类防雷建筑物以外的接闪器。

(二)传输部分的防雷

为防止水体引雷电入室,也为防止沿着墙体钢筋向地下泄放的雷电流击穿导线或水管,伤及室内外太阳能器械或室内洗浴人,金属进出管道应有良好的接地,若管道为塑料管材,建议入户处穿金属管并在金属管两端做好接地。

(三)卫生间部分防雷

卫生间部分的防雷,主要是防止雷电流通过水箱里的水,由喷头传到人体。如果室外部分的防雷措施得当,雷电流就不容易顺着水进入室内,所以,雷电流不可能沿着水位水温传感器线路的信号线和水位水温传感器电源线进入室内;而水位水温控制器与户外的电源线相连,如果雷电流沿着电源线进入室内,不仅击坏水位水温控制器,还有可能伤及室内的人。因此,应在电源的入户端加装电源电涌保护器。室内其他金属应做好等电位连接,且等电位连接端子要与建筑物的总等电位端子连接。等电位连接是太阳能热水器雷电防护的一个重要环节。因现在安装太阳能热水器使用的上下水管绝大多数为PVC管,虽然PVC管壁有加强金属层,但没有和室内电磁阀组合阀及室外水箱做到金属连接,所以,等电位连接分为室外部分和室内部分金属构件的等电位连接。室外部分包括太阳能热水器金属支架、金属构件、避雷针、避雷带及线路屏蔽层等,室内部分包括线路屏蔽层、SPD接地及其他金属管道的等电位连接。

(四)其他防雷措施

为防止雷电波侵入室内,电源线、信号线均不得与避雷带平行并排敷设,并宜采用屏蔽接地措施,没有屏蔽接地措施的信号线要装设信号电涌保护器。为防止雷击引入高电压的均压措施,室内其他金属应做等电位连接,且等电位连接端子且与建筑物总等电位端子相连。考虑到工程质量的稳定性,仍不建议雷雨时使用太阳能热水器。如果物业管理部门允许,可将太阳能热水器的真空管安装在建筑物的南墙上,水箱放在室内高处。既有效地避免了直击雷的发生,又不用再加装防直击雷措施。

四、结语

因太阳能热水器所造成的直击雷击、感应雷击事故时有发生,太阳能热水器的雷电防护必须通过有效的直击雷、雷电波侵入、雷电感应的防护措施,合理布线、接地、屏蔽、等电位连接、浪涌抑制等技术,以保障大众的人身、财产安全,促进我国多源化能源事业的发展。

参考文献

[1]林维勇.建筑物防雷设计规范[M].北京:中国计划出版社,2001.

[2]中国建筑标准研究所.利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装[M].1986.

[3]梅卫群,江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京:气象出版社,2004.

作者简介:李正(1977- ),男,山东菏泽人,菏泽市规划建筑设计院工程师,研究方向:建筑电气自动化的研究与设计;韦鹏展(1975- ),男,山东菏泽人,菏泽市规划建筑设计院工程师,研究方向:建筑工程的研究与设计。