紧凑式家用太阳能热水器的防雷方案

来源 :安家(建筑与工程)上旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lin820306
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  摘要   针对紧凑式家用太阳能热水器应用的普遍性,由于大多数安装在屋顶易遭雷击,给热水器的使用带来不安全因素。通过分析雷击的危害性,提出一种探讨性的防雷安全方案。
  关键词 紧凑式家用太阳热水器;防雷;
  一、引言
  太阳能作为一种清洁、经济的能源广泛的被人类所利用,家用太阳能热水器因其具有无污染、节能、环保、使用费用低等特点应用越来越普遍,成为日常的家用产品。但是在楼房林立的今天,紧凑式家用太阳能热水器因其采光的需要,大多安装在楼顶等至高点处,致使雷击事故时有发生,使用户的生命和财产安全受到严重威胁,为了使用者的安全,其防雷问题至关重要。
  二、紧凑式家用太阳能热水器遭雷击的方式
  根据紧凑式家用太阳能热水器的结构、使用材料及安装位置分析,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。
  紧凑式家用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紧凑式家用太阳能热水器,致使紧凑式家用太阳能热水器暴露在接闪器保护范围之外,一旦云地放电,紧凑式家用太阳能热水器首当其冲,成了接闪器,雷电可以直接击在紧凑式家用太阳能热水器上,直接击坏紧凑式家用太阳能热水器。
  (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,造成放电所引起。
  随着紧凑式家用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产品中,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、传感装置在室外紧凑式家用太阳能热水器的水箱中,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。
  三、紧凑式家用太阳能热水器防雷原理及方法
  紧凑式家用太阳能热水器的防雷在很大程度上是依靠建筑物的防雷系统,因此建筑物防雷系统的好坏直接影响到紧凑式家用太阳能热水器防雷的效果。例如接地系统,无论是防直击雷还是防感应雷、屏蔽、等电位等措施,紧凑式家用太阳能热水器的防雷完全利用了建筑物的接地系统,如果建筑物无接地系统或接地系统不好,雷击电磁脉冲就有可能通过紧凑式家用太阳能热水器的用电线路传入整个建筑物的用电线路,损坏用户的其他用电设备。这样不仅没有保护紧凑式家用太阳能热水器的安全,还损坏了用户的其他用电设备,结果适得其反。所以在紧凑式家用太阳能热水器防雷时首先检查建筑物防雷系统,根据建筑物的防雷情况,再制定紧凑式家用太阳能热水器的防雷方案。
  紧凑式家用太阳能热水器的防雷可分为外部防雷和内部防雷两种情况,外部防雷是防直击雷,内部防雷是防感应雷。外部防雷——将绝大部分雷电流直接引入地下泄散;内部防雷——快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过压;这两道防线,相互配合,独立工作,同时又都不可或缺。雷电流泄放途径见图一。因此防雷工程是一项系统工程(图二)。
  (一)外部防雷
  紧凑式家用太阳能热水器的真空管和水箱一般设置在建筑物的至高点,这就要求与建筑物的防雷设施融合在一起。如果紧凑式家用太阳能热水器在建筑物的接闪器的保护范围之内,就将紧凑式家用太阳能熱水器的金属架和水桶壳与建筑物上的避雷设施作等电位连接。如果紧凑式家用太阳能热水器不在建筑物的接闪器的保护范围之内,那么就要为紧凑式家用太阳能热水器单独设接闪装置,其高度按滚球法进行计算,然后与建筑物的防雷设施连接,同时与凑式家用太阳能热水器的金属架和水箱外壳作等电位连接。
  1、怎样放置紧凑式家用太阳能热水器
  如果原建筑物已有良好的防雷措施,并且紧凑式家用太阳能热水器已处于防雷装置的保护范围之内,不用加避雷针,只需将紧凑式家用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。可根据“滚球法”(看下面介绍)确定避雷针能够保护的范围。
  如果紧凑式家用太阳能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。紧凑式家用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。
  2、“滚球法”是国际电工委员会推荐的接闪器保护范围设计方法之一 ,我国《建筑防雷规范》GB50057-1994(2000版)也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。
  滚球法是以hr为半径的一个球体沿需要防止雷击的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。
  滚球半径的确定按《工业与民用配电手册》,不同类别的防雷建筑物的滚球半径,如表1所示。
  3、滚球法的具体介绍
  1.当避雷针高度h小于或等于hr时:
  (1)距地面hr处作一平行于地面的平行线;
  (2)以针尖为圆心,hr为半径,作弧线交于平行线的A、B两点;
  (3)以A、B为圆心,hr为半径作弧线,该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围,是一个对称的锥体;
  (4)避雷针在hx高度的xx′平面上和在地面上的保护半径,按下列计算式确定:   式中:rx──避雷針在hx高度的xx′平面上的保护半径(m);
  hr──滚球半径;
  hx──被保护物的高度(m);
  r0──避雷针在地面上的保护半径(m)。
  2.当避雷针高度h大于hr时,在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余的做法同本款第1项。式中的h用hr代入。实际操作中,我们只要取一个近似的值就可以,太阳热水器的最高点在避雷针尖端45°角范围内即认为是有效保护范围。
  (二)内部防雷
  内部防雷系统主要是易受过电压破坏的电子设备(或室外独立电子设备)加装过压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,防雷保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。内部防雷要实现电源线路防雷和信号线路防雷。
  紧凑式家用太阳能热水器信号线宜带有屏蔽层,该屏蔽层是为了减少电磁干扰,雷电发生时也会感应雷电,为了减少电磁干扰的感应效应,宜采取以下的基本屏蔽措施:建筑物和房间外的外部设屏蔽措施,以合适的路径敷设线路,线路屏蔽,这些措施宜联合使用。为改善电磁环境,所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属件都应等电位连接在一起,并与防雷装置相连,在需要保护的空间内,当采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端并且在防雷区交接处做等电位连接,当系统要求只在一端做等电位连接时,应采用双层屏蔽,外层屏蔽按前述要求处理。
  1、等电位连接
  等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内的各金属物与各系统之间的电位差。等电位连接是宜雷电防护的一个重要环节。因现在安装紧凑式家用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(见图四)。
  2、紧凑式家用太阳能热水器各种线路的屏蔽防雷
  紧凑式家用太阳能热水器从楼顶到卫生间的线路有辅助电加热电源线、水位/水信号温线,这部分线路宜采用屏蔽线,其屏蔽层两端要做好接地。建筑物遭受雷击时,电磁感应电流可能超过电缆屏蔽层所能承受的电流,所以,这段线路再穿铁管,其铁管上端和太阳能热水器支架连接,铁管下端和楼顶避雷带就近连接,以确保线路的二次屏蔽作用。
  当非屏蔽电缆时,应敷设在金属管内并埋地引入,金属管应电气,并应在雷电防护区交界处做等电位连接并接地。其埋地长度应符合下列表达式要求,但不应小于15m。
  当建筑物之间采用屏蔽电缆互联,且电缆屏蔽层能承载可预见的雷电流时,电缆可不敷设在金属管道内。电缆电线的所有金属接头、金属挡潮层、金属加强芯等,应在入户处直接接地。
  四、紧凑式家用太阳能热水器各线路器件防雷
  对信号线和电源线的防雷要想达到可靠的防雷保护,除了采用屏蔽金属和外套铁管外,还要在每根外接线路进行防雷保护,可以在控制器线路板上增加防雷器件,这些器件在正常的工作环境下不起作用,当有雷电感应电流沿信号线或者电源线进入室内控制器时,防雷器件开始工作,把感应电流引入地线,从而保证控制器和室内电源的安全。
  在控制器电源进线端需要加压敏电阻,压敏电阻在正常情况下处于关断状态,对于电路的正常工作无影响,一旦压敏电阻两端出现高压,其阻值会急剧变化,流过其中的电流会激增,使其两端的电压急速下降,使被保护的设备免受高压冲击,当瞬间高压解除,压敏电阻又恢复高阻抗状态,电路恢复正常。
  结合防雷方案,提出一下具体电路设计方案(见图五和图六)
  主要技术参数:
  (1)传感器端口:
  差模:10KV(1.2/50uS)
  共模:10KV(1.2/50uS)
  (2)电源端口(户内供电,防护等级可稍低):
  共模:4KV(1.2/50uS)
  差模: 4KV(1.2/50uS)
  (3)传感器端口对电源端口:
  可承受几十KV的过压信号
  方案简要介绍:
  (1)此方案满足10/70 uS差模1.5KV,共模4KV雷击浪涌测试标准。
  (2)前级GDT使用4颗BF071M,旁路泻放暂态大电流;中间使用10欧姆电阻协调两级之间的防护器件,最好选用绕线插件电阻,如果使用贴片电阻,功率最好选2W;后级选用4颗BA201N泻放残余暂态电流。
  (3)此方案针对四条传感器线而组合的防护电路,一路防护电路对应一条传感线,以此类推,有几条传感线就用几路防护电路。
  (4)传感器端口和电源端口之间选用1个B5G2700和一个压敏电阻2DD561K,可承受几十KV的过压信号。电源零火线之间选用一个压敏电阻2DD561K进行泻压。
  (5)电源进线端口出现过电压时,R1击穿,使两端电压保持正常值,使用电设备受到保护。当相线或零线上引入雷电过电压时,R2和R3击穿,两端电压保持正常值,同时引起大电流以烧断熔丝,使压敏电阻不通过持续电流,从而保护压敏电阻。
  五 结语
  要做到安全使用紧凑式家用太阳能热水器,必须要严格按照上述要求安装直击雷和防雷装置。除此,用户应做好日常维护工作,每次雷雨季节前或者雷击过后都要检查防雷装置,以及时发现是否有损坏,并对发现的问题进行整改,确保雷击的时候能够起到好的防护。同时建议在雷击的时候尽量避免使用紧凑式家用太阳能热水器,并将控制器的电源切断,以确保使用的安全。
  参考文献
  [1] GB50057-2000建筑物防雷设计规范附录
  [2]李姜宏,黄树燕,彭秋平. 浅析太阳能热水器防雷设计.气象研究与应用.2009.
  [3]李桦.太阳能热水器防雷的探讨.福建建设科技.2009.
  [4] GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范
  作者简介:王力(1982.6-),男,汉,大学本科,中级工程师,金碧物业有限公司济南分公司(山东省济南市历下区文化东路63号,250100)
  金碧物业有限公司济南分公司 山东 济南 250100
  山东力诺瑞特新能源有限公司 山东 济南 250103
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