浅议民用建筑太阳能防雷系统的设计

摘要：雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的自然灾害之一。而安全有效的防雷系统设计是降低雷电灾害对人和建筑物损害的有效对策。本文主要论述了民用建筑太阳能防雷系统设计时的几个关键步骤，并对其中一些节点进行了分析研究。

关键词：民用建筑；防雷系统；风险评估；设计

Abstract: The thunder and lightning disaster is “United Nations International Disaster ten years “published one of the most serious natural disasters. Safety effective lightning protection system design is to reduce the lightning disaster to people and damage to structures and effective countermeasures. This paper mainly discusses the civil solar lightning protection system design of several key steps, and some of the nodes are analyzed.

Key words: civil construction; lightning protection system; risk assessment; design

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

夏季雷电高发，雷击灾害时有发生，多发的是雷电直接击中人体、动物、建筑物等承载体，很容易造成恶性灾害事故。说起避雷防雷设施，人们首先联想到的就是高高地竖立在屋顶的避雷针。其实雷电防护分为外部防护和内部防护两大类。外部防雷具体的措施主要包括避雷针、避雷带、避雷网、引下线、接地装置、屏蔽、共用接地系统等。内部防雷具体的措施主要包括共用接地系统等电位连接、屏蔽（隔离）、合理布线、安装电涌保护器（SPD）等，可谓名目繁多。目前，民用建筑使用太阳能越来越普及，而雷击灾害的概率也越来越大，如何做好防雷系统的设计，直接关系着建筑物以及居民在雷电季节的安全。做为一个系统防范工程，做好建筑物太阳能的防雷系统设计非常重要。防雷设计应该在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点等基础上，详细研究防雷装置的形式极其布置，严格按照国家标准进行，同时将防雷维护纳入日常管理。

一、建筑物太阳能防雷系统设计的风险评估

1．掌握地区雷电活动的规律

（1）雷暴日：在一天内只要测站听到雷声则为一个雷暴日，而不论雷暴次数和持续时间。雷暴日反映局部地区的雷电活动情况。（2）、地区雷暴日等级划分（年平均雷暴日Td) 少雷区：Td ≤20天；多雷区：20 ＜Td ≤ 40天； 高雷区：40＜Td ≤ 60天； 强雷区：＞60天； 我国西北地区一般在15天以下；长江以北大部分地区在15～40天；长江以南地区在40天以上；北纬23°以南地区超过80天。掌握本地区雷电活动的规律是进行雷电风险评估的基础内容，也是防雷系统设计考虑的基础因素。

2．掌握雷击与防雷建筑物周边环境的关系

雷击的程度与土壤的电阻率直接相关，一般河床、盐场附近土壤电阻率较小，一些地区的土壤电阻率还会发生突变，在一些建筑物密集区域，地下常会埋有各类金属管理线，还有一些地面设施有利于雷云与大地建立放电通道而易受雷击。建筑物结构材料所能积蓄电荷的多少影响接闪的频率，以及建筑物内金属设备多少都会影响防雷系统的设计[1]。这些雷击防护的参数和影响因素必须经过详细调查，做为防雷系统设计的风险评估数据。

3．做好雷击灾害的类型评估

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的自然灾害之一。雷电流的高温热效应；雷电流的冲击波效应；“激波”产生冲击作用；次声波雷电流的电动力效应。雷电引起的静电感应、电磁感应以及雷电波侵入都会或多或少的引发对建筑物的损害。强大的电流、极高的电压、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场和强烈的电磁辐射等物理效应。很容易造成火灾、伤亡、雷击建（构）筑物、雷击供电系统、雷击弱电电子设备等。防雷系统设计前必须详细评估本地区雷电灾害的类型以此做为防雷系统设计针对性方案制订的条件。

二、民用建筑物防雷系统设计分析

1．确定雷电保护区域(LPZ)

上图是雷电防护区域设计图，

LPZ0A：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；电磁场强度没有衰减。LPZ0B：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，电磁场强度没有衰减。 LPZ1：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0A和LPZ0B要小；电磁场强度可能衰减。SPD应该安装在LPZOA 和 LPZ1 之间的界面处，阻止或泄放雷电冲击电流通过线路进入。正常情况下，SPD对应用系统没有任何影响。它在线路中起开路作用和保持相与地之间的绝缘[2]。当电涌发生时，SPD将瞬间（纳秒级）降低其阻抗，同时传导电涌电流。当电涌发生后，SPD恢复高阻抗和起开路作用。LPZ2：本区内流经各导体的电流比LPZ1更小，电磁场强度会进一步衰减。SPD安装在LPZ1和LPZ2之间的界面处，用于泄放剩余电涌电流和限制过电压。LPZ3：与LPZ2相比，装有灵敏设备的区域由振荡效应产生的过电压、电磁场强度和操作过电压被减少。

2．太阳能防雷系统的告警设计

当侦测到10-25公里内有较强的雷云，且电场强度达到3 KV/M时，系统发出警示；电脑主页面显示警示；并在事件日志内进行记录保存；这时，自动升降避雷针处于待命状态。

当系统侦测到8-10公里内有较强的雷云，且电场强度达到7 KV/M时，给自动升降式提前预放电避雷针一个升起信号，避雷针升起。电脑主页面显示告警；并在事件日志内进行记录保存；户外报警器开始报警。当雷电预警系统侦测到，在监测范围内，无高电场（3 KV/M以上），或近电场，雷电预警系统，在设定的时间内（如10分钟）解除警报，给预放电避雷针发出一个下降的信号，预放电避雷针下降；电脑显示，警报解除；户外，报警器发出警报解除的信号。

雷电流大小的确定

表1雷电发生概率及其电流数据

全部雷电流I的50%流入雷电保护系统的接地装置。剩余的50%雷电流分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线。

4．太阳能防雷设计的接地系统

（1）直流侧防雷措施

电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。 （2）交流侧防雷措施每台逆变器的交流输出经交流防雷柜（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。

三、太阳能防雷系统设计注意事项

太阳能电池板四周铝合金框架与支架导通连接 ，所有支架均采用等电位连接接地。感应雷可沿直流输入线和交流输出线传入，要做好室内防雷。对直流输入线感应雷的保护，要在控制器输入端侧的正极对地 、负极对地、正极对负极间安装过电压保护器，进行一级防雷保护[3]；对交流输出线感应雷的保护则要在逆变器输出端即相线与地间、零线 与地间 、相线与零线间安装过电压保护器。

对所有引入机房的电缆线 应将电缆线金属外皮进行可靠接地处理 以削减雷电波侵入的幅值。室内接地线 光伏接地线采用等电位连接，同时将控制器、逆变器的外壳可靠接地。

安装接地体太阳能热水器金属构件较多，且安装位置普遍高于楼顶避雷针及避雷带的高度，如无有效的防雷措施，很容易成为雷击的首要目标。轻则热水器爆炸烧毁，重则直接电击伤人。如果自行对太阳能热水器进行防雷处理，应离热水器1米远处加装高出热水器顶部不少于0.8米的避雷针，避雷针应有良好接地，热水器的金属外壳不宜与避雷针相连；如无法加装避雷针，热电器得不到防雷保护，从减少雷击损失的角度考虑，应将热水器与屋顶原有避雷装置相连，建议在打雷时最好不要使用太阳能热水器，并拔掉电源插头。

参考文献：

[1] 梁宏文,苏志聪,温耀美等.防雷检测中出现的问题及解决方法[J].科学之友,2011,(15):41-42.

[2] 孟锦.污水处理厂的防雷设计方案[J].科技创新导报,2010,(27):56-57,59.

[3] 叶文锋.10kV配电网供电可靠性研究[J].科学之友,2011,(15):42-43.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。