太陽能熱水器的防雷原理及措施

李　正　韋鵬展

摘要:太陽能熱水器因其具有無污染、節(jié)能、環(huán)保、費用低等特點正日益走進千家萬戶,成為人們的日常用品。文章闡述了太陽能熱水器防雷的一般概念與防雷原理,提出了有效的、科學的防雷措施,以保障太陽能熱水器及洗浴者的安全。

關鍵詞:太陽能熱水器;建筑物防雷;防雷措施

中圖分類號:TV822文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)27-0155-02

太陽能熱水器是利用集熱器吸收太陽光,將光能轉換成熱能,并通過儲水箱將熱水儲存。由于它具有節(jié)約能源、防止污染、使用方便和經濟實惠等特點,正日益得到廣泛的應用。 我國大部分的樓房建筑,防雷措施一般采用避雷帶、避雷針和安裝閥型避雷器等裝置。但是,將現(xiàn)行的防雷技術用于太陽能建筑,一方面,由于大面積的太陽電池板、集熱器等已占據(jù)了屋面,特別是今后與建筑材料一體化的光伏屋頂,它們的水、電循環(huán)系統(tǒng)都可以成為雷電的載體,所以,從安全角度考慮,要求有高性能的避雷技術才不致于使太陽能系統(tǒng)及人類受到侵害;另一方面,按傳統(tǒng)的避雷技術,要使整個頂面都不受雷電侵襲,必須嚴格按照技術標準安裝避雷帶、避雷針群等裝置,且對間距和高度都有很高的要求。否則,難以保證安全。因此,在發(fā)展太陽能建筑時應重視避雷問題,如何讓太陽能技術和新型避雷技術有機地結合在一起,組成實用、美觀、安全可靠的一體化系統(tǒng),是今后需要研究的課題。

一、防雷的一般概念

(一)屏蔽的原則

屏蔽是減少電磁干擾的基本措施,為減少電磁干擾的感應效應,宜在外部設置屏蔽設施,以合適的路徑敷設線路、屏蔽線路。建筑物的自然屏蔽是由建筑物的金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構件組成的,這些構件組成一個格柵形大空間屏蔽層(所有的金屬門、窗均應可靠接地)。設備的屏蔽即設備的金屬外殼可靠接地,以提高設備本身的抗浪涌、抗干擾能力。

(二)等電位連接

為了徹底消除雷電引起的毀滅性的電位差,特別實行等電位連接,在建筑物的首層、頂層和機房均應實行等電位連接。等電位連接是防止和減少電氣線路的短路、過載特別是接地故障引起的電氣火災、爆炸和生命危險。當外來導電物、電力線、通信線在不同地點進入建(構)筑物時,宜設若干連接帶,并應就近連接到環(huán)行接地體、內部環(huán)導體或建筑物內筋上。所有金屬地板、金屬門框架、設施管道、電纜橋架等大尺寸內部導電物,其等電位連接帶或其他已做了等電位連接的金屬物,各導電物之間宜附加多次互相連接。室內所有的金屬橋架、設備金屬外殼、電纜進線的外屏蔽層、靜電地板均應就近接到接地母排上,并與建筑物基礎多點連接。

(三)接地處理

科學合理的接地是電子、電氣設備系統(tǒng)正常工作的重要條件;是防雷系統(tǒng)和電氣安全技術必不可少的重要基礎,是抗干擾技術中最重要的技術措施。因此,合理接地的意義主要是:疏導雷擊能量、疏導故障電流、提供工作回路、提供參考電位(基準電位)、屏蔽電磁干擾信號、疏導靜電電荷、消除或減少雜訊干擾等。

(四)電涌保護器

電涌保護器是至少含有一個非線形電壓限制元件,用于限制暫態(tài)過電壓和分流浪涌電流的裝置。電涌保護器是由壓敏電阻(可變電阻、限壓二級管)和火花間隙(放電路徑)組成,用于保護其他電子設備和裝置,免受浪涌的危害,以及電子傳輸系統(tǒng)提供等電位連接。

(五)電位差

雷電流的泄放途徑和放電電流的大小直接關系到等電位接地系統(tǒng)內形成的電位差。當雷電擊中建筑物時,雷電流通過建筑物上的接閃器由引下線匯入接地體;同時,建筑物內的各種導體上也產生了感應電流(或電壓),通過內部的防雷設備(如電涌保護器)對地泄放。依據(jù)分流原則,高電位的大部分電流總是經接地電阻最小的途徑釋放。因此,就近接地線往往將雷電形成的高電位盡早釋放,而等電位體的總體電位變化不大。另外,雷電流泄放途徑上,在總等電位母排、接地引線的端點都會產生高電壓,即電位差,該電位差有時間短、電壓高的特點。

二、太陽能熱水器遭雷擊的方式

根據(jù)太陽能熱水器的結構、使用材料及安裝位置分析,它遭雷擊的途徑可分兩種,一是直擊雷,二是感應雷擊。

(一)直擊雷擊

當雷云通過線路或電器設備放電時稱為直擊雷。直擊雷可以形象地說就是雷云對大地上的目標(高大建筑物或高大樹木等)放電的一種過程。直擊雷可在其周圍一定范圍內的導體上感應起危險電壓,加上建筑物之間連接的各種長距離電纜可在更大的范圍內感應上雷電電磁脈沖,并幾乎無衰減地沿電纜傳入設備。

太陽能熱水器絕大多數(shù)都安裝在建筑物的制高點位置上,其接閃器一般也都低于太陽能熱水器,太陽能熱水器暴露在接閃器保護范圍之外,一旦云地放電,太陽能熱水器首當其沖,成了接閃器,雷電可以直接擊在太陽能熱水器上,直接擊壞太陽能熱水器。

(二)感應雷擊

感應雷擊是由于雷云的靜電感應或放電時的電磁感應作用,使建筑物上的金屬物件,如管道、鋼筋、電線等感應出與雷云電荷相反的電荷,造成放電。

隨著太陽能熱水器智能化的不斷提高,輔助加熱、水位、水溫自動顯示,補水、斷水的自動控制功能都應用于太陽能熱水器中,而這些功能都是通過專用電腦控制芯片、傳感裝置等電子裝置來實現(xiàn)的。電子裝置在室內,輔助加熱、傳感裝置在室外太陽能熱水器水箱中,為這些電子裝置供電的電源線,顯示及控制用的信號線、控制線都是感應雷擊的侵害途徑。太陽能熱水器招引感應雷擊的通道主要有三條:電源線路引入;信號線路引入;接地線路引入。

三、太陽能熱水器的防雷措施

太陽能熱水器的防雷,可分為樓頂部分、傳輸部分和衛(wèi)生間部分。

(一)樓頂部分的防雷

太陽能熱水器樓頂部分主要是水箱和金屬支架,要求自身所有金屬部分應有良好的電氣連接;另外,太陽能熱水器一般都高出樓頂防雷裝置,處在LPZ0A區(qū),所以必須另外安裝接閃器,并且根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057—94的附錄四,用滾球法確定接閃器的保護范圍,使太陽能熱水器處在LPZ0B區(qū)內。該接閃器直接與建筑物的防雷裝置有至少兩處的焊接,以保證可能的雷擊時泄放雷電流的可靠性。如果原建筑物已有良好的防雷措施,并且熱水器已處于防雷裝置的保護范圍之內,不用加避雷針,只需將太陽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。如果熱水器不在保護范圍之內,一般情況下可在離熱水器3米遠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。太陽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。防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成。接閃器(又稱避雷針)位于防雷裝置的頂部,其作用是利用其高出被保護物的突出地位把雷電引向自身,承接直擊雷放電。除避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶可作為接閃器外,建筑物的金屬屋面可用作第一類防雷建筑物以外的接閃器。

(二)傳輸部分的防雷

為防止水體引雷電入室,也為防止沿著墻體鋼筋向地下泄放的雷電流擊穿導線或水管,傷及室內外太陽能器械或室內洗浴人,金屬進出管道應有良好的接地,若管道為塑料管材,建議入戶處穿金屬管并在金屬管兩端做好接地。

(三)衛(wèi)生間部分防雷

衛(wèi)生間部分的防雷,主要是防止雷電流通過水箱里的水,由噴頭傳到人體。如果室外部分的防雷措施得當,雷電流就不容易順著水進入室內,所以,雷電流不可能沿著水位水溫傳感器線路的信號線和水位水溫傳感器電源線進入室內;而水位水溫控制器與戶外的電源線相連,如果雷電流沿著電源線進入室內,不僅擊壞水位水溫控制器,還有可能傷及室內的人。因此,應在電源的入戶端加裝電源電涌保護器。室內其他金屬應做好等電位連接,且等電位連接端子要與建筑物的總等電位端子連接。等電位連接是太陽能熱水器雷電防護的一個重要環(huán)節(jié)。因現(xiàn)在安裝太陽能熱水器使用的上下水管絕大多數(shù)為PVC管,雖然PVC管壁有加強金屬層,但沒有和室內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部分金屬構件的等電位連接。室外部分包括太陽能熱水器金屬支架、金屬構件、避雷針、避雷帶及線路屏蔽層等,室內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。

(四)其他防雷措施

為防止雷電波侵入室內,電源線、信號線均不得與避雷帶平行并排敷設,并宜采用屏蔽接地措施,沒有屏蔽接地措施的信號線要裝設信號電涌保護器。為防止雷擊引入高電壓的均壓措施,室內其他金屬應做等電位連接,且等電位連接端子且與建筑物總等電位端子相連?？紤]到工程質量的穩(wěn)定性,仍不建議雷雨時使用太陽能熱水器。如果物業(yè)管理部門允許,可將太陽能熱水器的真空管安裝在建筑物的南墻上,水箱放在室內高處。既有效地避免了直擊雷的發(fā)生,又不用再加裝防直擊雷措施。

四、結語

因太陽能熱水器所造成的直擊雷擊、感應雷擊事故時有發(fā)生,太陽能熱水器的雷電防護必須通過有效的直擊雷、雷電波侵入、雷電感應的防護措施,合理布線、接地、屏蔽、等電位連接、浪涌抑制等技術,以保障大眾的人身、財產安全,促進我國多源化能源事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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[3]梅衛(wèi)群,江燕如.建筑防雷工程與設計[M].北京:氣象出版社,2004.

作者簡介:李正(1977- ),男,山東菏澤人,菏澤市規(guī)劃建筑設計院工程師,研究方向:建筑電氣自動化的研究與設計;韋鵬展(1975- ),男,山東菏澤人,菏澤市規(guī)劃建筑設計院工程師,研究方向:建筑工程的研究與設計。