关于风光互补式路灯易遭雷击的途径和保护措施的论述

姜中民 闫金海 张国斌 田咏梅

(威海市气象局，山东威海 264200)

1 引言

路灯是城市及市政公用设施中的耗电大户，由于路灯的输电线路长，不仅路灯耗电，输电线路上的耗电也很大，特别是远离电源点的市郊公路和高速公路更是耗电大户。风光互补式路灯是一个集发电、储电、供电、照明为一体的独立照明系统，属节能和环保型产品，并且具有亮度高、安装方便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点。晴天阳光充足，而阴雨天则风大，夏天阳光照射强度高，而冬天风大，并且风光互补路灯系统配有足够的储能系统，保证路灯有充足的电源，所以近年风光互补路灯系统得到了大范围的推广使用。从防雷安全角度讲，风光互补路灯系统完全暴露在LPZO区，系统中有大量电子元件和芯片其抗干扰能力又低，所以遭雷击损坏的几率大大增加，防雷系统设计安装时必须考虑的安全问题。

2 风光互补路灯系统原理及配置

2.1 风光互补路灯系统原理

风力机和太阳能电池组件通过智能控制器给蓄电池充电，然后由智能控制器控制24V直流路灯开启、关闭。如图1所示。

图1 风光互补路灯系统原理图 (一)Fig.1 The diagram of wind-solar hybrid road lanterns(Ⅰ)

风力机和太阳能电池组件通过智能控制逆变器给蓄电池充电，然后由智能控制器控制220V交流路灯开启、关闭。如图2所示。

图2 风光互补路灯系统原理图 (二)Fig.2 The diagram of wind-solar hybrid road lanterns(Ⅱ)

2.2 系统的配置

风光互补路灯系统主要由风力发电机组，太阳能电池组件，智能控制器 (或控制/逆变器)，蓄电池，灯具灯源，灯杆，电柜箱等组成。

3 风光互补路灯系统遭雷击的途径

3.1 直击雷

直击雷是带电云层 (雷云)与建筑物、其它物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象，并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏作用。直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏，电流峰值可达几十千安乃至几百千安，其之所以破坏性很强，主要原因是雷云所蕴藏的能量在极短的时间 (其持续时间通常只有几微秒到几百微秒)就释放出来，从瞬间功率来讲，是巨大的。

风光互补路灯系统多处于室外相对空旷处，从防雷角度讲处在LPZO区，易遭受直击雷破坏。

3.2 感应雷

感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。(1)静电感应雷:是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。它将产生很高的电位。(2)电磁感应雷:是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。雷电感应引起的电磁能量若不及时泄入地下，可能产生放电火花，引起火灾、爆炸或造成触电事故。

雷电活动时在风光互补路灯系统的电源和控制信号线路上由于静电感应或者电磁感应而在线路上产生一个突峰电压或突峰电流从而影响或破坏设备。

3.3 地电位反击

地电位反击通常是指:建筑物的外部防雷系统(如避雷针、避雷网等)遭受直接雷击，则在接地体的两端产生危险的过电压，此过电压由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物 (各种管道、电缆屏蔽管等)引入设备，造成设备的损坏的现象。

地电位的反击通常存在两种形式:A、雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备;B、两个地网之间，由于没有离开足够的安全距离，其中一个地网接受了雷电流，产生高电位，则向没有接受雷击的地网产生反击，使得该接地系统上带有危险的电压。

对于风光互补路灯系统的灯杆和内部发电和控制设备若接地问题设置不当，则会因雷击电流造成地电位反击，致使设备损坏。

4 防雷保护措施

4.1 直击雷防护

风光互补式路灯灯杆绝大多数是金属材料，可利用灯杆做防雷引下线直接连接到系统的地网上，灯杆顶端的金属构件则要防雷接闪器标准设置，具体高度h依据独立单支接闪杆保护范围计算公式计算，接闪器的保护范围要覆盖风机和太阳能电池板及灯罩。

式中:rx——接闪杆在 hx高度的xx'平面上的保护半径 (m)，即系统中风机、太阳能电池板、灯罩三者中离灯杆最远者的离杆间距;

hr——滚球半径，按三类防雷确定为60(m);

hx——被保护物的高度 (m);

h——接闪杆的高度 (即带接闪杆的灯杆最高点的离地高度 (m)。

4.2 接地网设置

接地是让雷电流顺利地流入大地，而不让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用。良好的接地能有效地泄放雷电流，降低引下线上的电压，避免发生反击。理论上，接地电阻越小，释放雷电流的能力越强，接触电压和跨步电压就越低，对人身和设备越安全。对于路灯而言则可直接由灯杆的基础钢筋网加辅助人工接地极的方式来做整个系统的安全接地装置。根据实际安装经验，在路灯照明系统中接地电阻应不大于4Ω。

由于路灯多安装于人行道内，所以必须考虑灯杆遭受直击雷时跨步电压对行人的危害。根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16—2008规定，其人工接地装置水平接地体局部埋深不应小于1m。在实施过程中必须严格按照规范要求施工，避免跨步电压对行人的危害。

具体做法:路灯基础钢筋笼在1.0m以下其钢筋笼表面积大于0.37m2时，可作为防雷接地体，否则应增加人工接地极。人工垂直接地极可采用热镀锌角钢，垂直接地极规格宜采用厚度为3mm(3mm×50mm×50mm)，长度为2.5m。要求人工垂直接地极与基础防雷接地体钢筋笼可靠焊接。基础防雷接地体钢筋笼的钢筋应相互焊接，并与路灯地脚螺栓可靠焊接。

4.3 等电位措施

接闪装置在遭雷击时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将导体等电位连接起来。为防止路灯遭雷击时系统各设备因电位不同产生电位差，也要采取等电位连接。

风光互补路灯系统的等电位设置方法:在灯杆内做一个接地总汇流排，将电源工作接地、设备安全保护接地等连接到此汇流排 (等电位连接排)上，汇流排再通过金属导体连接到接地网上。

4.4 过电压保护措施

风光互补路灯系统中最易遭雷击损坏的是智能控制器，其中电源和控制信号线路的过电压保护是其主要的防护对象。雷电活动时在路灯的电源和信号线路上由于雷电高电压及雷电电磁脉冲的侵入而在线路上所产生的突峰电压或突峰电流都会对智能控制器造成干扰或永久性损坏。所以防护就要从设备的进线端考虑。

系统的电源防雷可根据其进线电压和设备耐压值Uw选择相匹配的防雷产品。信号防雷可在路灯的智能控制器信号线路串联相应的信号避雷器 (信号避雷器的选择主要根据信号线路接线端口、设备工作频率及插入损耗等参数选择)，一般安装在信号线进入智能控制器前端。

5 总结

本文对风光互补式路灯的防雷技术只是进行了简单的探讨，希望通过本文能为从事此类系统设计、安装的人员带来一定的帮助。在实际操作中，应严格按照相关的标准规范结合系统自身的特点设计安装有效的防雷系统，以确保系统安全运行。

［1］赵争鸣 等.太阳能光伏发电及其应用 ［M］.北京:科学出版社，2005.

［2］徐文雷.路灯低压供电系统保护接地方式分析 ［J］.江苏科技信息2009.

［3］李祥超.防雷工程设计与实践［M］.北京:气象出版社，2010.

［4］防雷与接地安装［S］ //国家建筑标准设计图集D501-1～4.中国建筑标准设计研究院，2003.