太阳能热水器防雷方案

太阳能热水器的防雷
3.1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。

●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。

●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。

3.2太阳能热水器防雷保护的原理及方法
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，互相配合，各尽其职，缺一不可。

因此防雷工程是一项系统工程（见图2）。

图2.防雷工程
3.2.1外部防雷
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。

●避雷针、避雷带及引下线：
由于避雷针比被保护物高出许多，又和大地直接相连，当雷云先导接近时，
它与雷云之间的电场强度最强，雷云放电又总是朝着电场强度最强的方面发展，因此避雷针具有引雷的作用，也就是使雷电流按避雷针引下线引入大地，图3、4可以形象的说明什么是避雷针、避雷针带及引下线。

●接地装置：
它是避雷针的最下部分，埋入地下。

由于它和大地中的土壤紧密接触，可使雷电流很好地泄入大地。

接地装置一般都是用角钢、扁钢或圆钢、钢管等打入地下，其接地电阻一般不能超过10Ω。

在建筑物的底部墙面上都留有检测口，以便检测它的接地电阻。

●避雷针的设计方法
避雷针到底多高才能保护到热水器呢？其实，计算避雷针的保护范围有多种方法，现行通用的计算方法叫“滚球法”（见图5）：
图5.“滚球法”
1.当避雷针高度h小于或等于h r时：
（1）距地面h r处作一平行于地面的平行线；
（2）以针尖为圆心，h r为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；
（3）以A、B为圆心，h r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h x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：r x=h(2h r-h)-h x(2h r-h x)
r0=h(2h r-h)
式中：r x──避雷针在h x高度的xx′平面上的保护半径（m）；
h r──滚球半径；
h x──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h r时，在避雷针上取高度h r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h r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。

3.2.2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。

图6.太阳能热水器防雷装置示意图
等电位连接
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（见图6）。

●太阳能热水器各种线路的屏蔽
太阳能热水器从楼顶到卫生间的线路有辅助电加热、水位、水温线，这部分线路全部都要采用屏蔽线，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。

●信号线和电源线的防雷
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。

上海巨冠电子有专对太阳能热水器控制器的防雷方案，原理图如图7所示。

图7.太阳能热水器控制器防雷原理图
1.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
2.方案简要介绍:
（1）此方案满足10/70uS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。