關于風光互補式路燈易遭雷擊的途徑和保護措施的論述

姜中民 閆金海 張國斌 田詠梅

(威海市氣象局，山東威海 264200)

1 引言

路燈是城市及市政公用設施中的耗電大戶，由于路燈的輸電線路長，不僅路燈耗電，輸電線路上的耗電也很大，特別是遠離電源點的市郊公路和高速公路更是耗電大戶。風光互補式路燈是一個集發電、儲電、供電、照明為一體的獨立照明系統，屬節能和環保型產品，并且具有亮度高、安裝方便、工作穩定可靠、不敷設電纜、不消耗常規能源、使用壽命長等優點。晴天陽光充足，而陰雨天則風大，夏天陽光照射強度高，而冬天風大，并且風光互補路燈系統配有足夠的儲能系統，保證路燈有充足的電源，所以近年風光互補路燈系統得到了大范圍的推廣使用。從防雷安全角度講，風光互補路燈系統完全暴露在LPZO區，系統中有大量電子元件和芯片其抗干擾能力又低，所以遭雷擊損壞的幾率大大增加，防雷系統設計安裝時必須考慮的安全問題。

2 風光互補路燈系統原理及配置

2.1 風光互補路燈系統原理

風力機和太陽能電池組件通過智能控制器給蓄電池充電，然后由智能控制器控制24V直流路燈開啟、關閉。如圖1所示。

圖1 風光互補路燈系統原理圖 (一)Fig.1 The diagram of wind-solar hybrid road lanterns(Ⅰ)

風力機和太陽能電池組件通過智能控制逆變器給蓄電池充電，然后由智能控制器控制220V交流路燈開啟、關閉。如圖2所示。

圖2 風光互補路燈系統原理圖 (二)Fig.2 The diagram of wind-solar hybrid road lanterns(Ⅱ)

2.2 系統的配置

風光互補路燈系統主要由風力發電機組，太陽能電池組件，智能控制器 (或控制/逆變器)，蓄電池，燈具燈源，燈桿，電柜箱等組成。

3 風光互補路燈系統遭雷擊的途徑

3.1 直擊雷

直擊雷是帶電云層 (雷云)與建筑物、其它物體、大地或防雷裝置之間發生的迅猛放電現象，并由此伴隨而產生的電效應、熱效應或機械力等一系列的破壞作用。直擊雷的電壓峰值通常可達幾萬伏甚至幾百萬伏，電流峰值可達幾十千安乃至幾百千安，其之所以破壞性很強，主要原因是雷云所蘊藏的能量在極短的時間 (其持續時間通常只有幾微秒到幾百微秒)就釋放出來，從瞬間功率來講，是巨大的。

風光互補路燈系統多處于室外相對空曠處，從防雷角度講處在LPZO區，易遭受直擊雷破壞。

3.2 感應雷

感應雷也稱為雷電感應或感應過電壓。它分為靜電感應雷和電磁感應雷。(1)靜電感應雷:是由于帶電積云接近地面，在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起的。它將產生很高的電位。(2)電磁感應雷:是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產生迅速變化的強磁場引起的。這種迅速變化的磁場能在鄰近的導體上感應出很高的電動勢。雷電感應引起的電磁能量若不及時泄入地下，可能產生放電火花，引起火災、爆炸或造成觸電事故。

雷電活動時在風光互補路燈系統的電源和控制信號線路上由于靜電感應或者電磁感應而在線路上產生一個突峰電壓或突峰電流從而影響或破壞設備。

3.3 地電位反擊

地電位反擊通常是指:建筑物的外部防雷系統(如避雷針、避雷網等)遭受直接雷擊，則在接地體的兩端產生危險的過電壓，此過電壓由設備的接地線、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系統或其他自然接閃物 (各種管道、電纜屏蔽管等)引入設備，造成設備的損壞的現象。

地電位的反擊通常存在兩種形式:A、雷電流流入大地時，由于接地電阻的存在，產生較大的壓降，使地電位抬高，反向擊穿設備;B、兩個地網之間，由于沒有離開足夠的安全距離，其中一個地網接受了雷電流，產生高電位，則向沒有接受雷擊的地網產生反擊，使得該接地系統上帶有危險的電壓。

對于風光互補路燈系統的燈桿和內部發電和控制設備若接地問題設置不當，則會因雷擊電流造成地電位反擊，致使設備損壞。

4 防雷保護措施

4.1 直擊雷防護

風光互補式路燈燈桿絕大多數是金屬材料，可利用燈桿做防雷引下線直接連接到系統的地網上，燈桿頂端的金屬構件則要防雷接閃器標準設置，具體高度h依據獨立單支接閃桿保護范圍計算公式計算，接閃器的保護范圍要覆蓋風機和太陽能電池板及燈罩。

式中:rx——接閃桿在 hx高度的xx'平面上的保護半徑 (m)，即系統中風機、太陽能電池板、燈罩三者中離燈桿最遠者的離桿間距;

hr——滾球半徑，按三類防雷確定為60(m);

hx——被保護物的高度 (m);

h——接閃桿的高度 (即帶接閃桿的燈桿最高點的離地高度 (m)。

4.2 接地網設置

接地是讓雷電流順利地流入大地，而不讓雷電能量集中在防雷系統的某處對被保護物體產生破壞作用。良好的接地能有效地泄放雷電流，降低引下線上的電壓，避免發生反擊。理論上，接地電阻越小，釋放雷電流的能力越強，接觸電壓和跨步電壓就越低，對人身和設備越安全。對于路燈而言則可直接由燈桿的基礎鋼筋網加輔助人工接地極的方式來做整個系統的安全接地裝置。根據實際安裝經驗，在路燈照明系統中接地電阻應不大于4Ω。

由于路燈多安裝于人行道內，所以必須考慮燈桿遭受直擊雷時跨步電壓對行人的危害。根據《民用建筑電氣設計規范》JGJ16—2008規定，其人工接地裝置水平接地體局部埋深不應小于1m。在實施過程中必須嚴格按照規范要求施工，避免跨步電壓對行人的危害。

具體做法:路燈基礎鋼筋籠在1.0m以下其鋼筋籠表面積大于0.37m2時，可作為防雷接地體，否則應增加人工接地極。人工垂直接地極可采用熱鍍鋅角鋼，垂直接地極規格宜采用厚度為3mm(3mm×50mm×50mm)，長度為2.5m。要求人工垂直接地極與基礎防雷接地體鋼筋籠可靠焊接。基礎防雷接地體鋼筋籠的鋼筋應相互焊接，并與路燈地腳螺栓可靠焊接。

4.3 等電位措施

接閃裝置在遭雷擊時，引下線立即產生高電位，會對防雷系統周圍的尚處于地電位的導體產生旁側閃絡，并使其電位升高，進而對人員和設備構成危害。為了減少這種閃絡危險，最簡單的辦法是采用均壓環，將導體等電位連接起來。為防止路燈遭雷擊時系統各設備因電位不同產生電位差，也要采取等電位連接。

風光互補路燈系統的等電位設置方法:在燈桿內做一個接地總匯流排，將電源工作接地、設備安全保護接地等連接到此匯流排 (等電位連接排)上，匯流排再通過金屬導體連接到接地網上。

4.4 過電壓保護措施

風光互補路燈系統中最易遭雷擊損壞的是智能控制器，其中電源和控制信號線路的過電壓保護是其主要的防護對象。雷電活動時在路燈的電源和信號線路上由于雷電高電壓及雷電電磁脈沖的侵入而在線路上所產生的突峰電壓或突峰電流都會對智能控制器造成干擾或永久性損壞。所以防護就要從設備的進線端考慮。

系統的電源防雷可根據其進線電壓和設備耐壓值Uw選擇相匹配的防雷產品。信號防雷可在路燈的智能控制器信號線路串聯相應的信號避雷器 (信號避雷器的選擇主要根據信號線路接線端口、設備工作頻率及插入損耗等參數選擇)，一般安裝在信號線進入智能控制器前端。

5 總結

本文對風光互補式路燈的防雷技術只是進行了簡單的探討，希望通過本文能為從事此類系統設計、安裝的人員帶來一定的幫助。在實際操作中，應嚴格按照相關的標準規范結合系統自身的特點設計安裝有效的防雷系統，以確保系統安全運行。

［1］趙爭鳴 等.太陽能光伏發電及其應用 ［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］徐文雷.路燈低壓供電系統保護接地方式分析 ［J］.江蘇科技信息2009.

［3］李祥超.防雷工程設計與實踐［M］.北京:氣象出版社，2010.

［4］防雷與接地安裝［S］ //國家建筑標準設計圖集D501-1～4.中國建筑標準設計研究院，2003.