利用絕緣原理降低太陽能熱水器遭雷擊幾率的新思路

湖南省岳陽市氣象局 ■ 聶武夫 向佳 向濤

0 引言

近年來，隨著人們節能減排意識的增強，太陽能熱水器以其省電、節能、環保的優勢正日益受到市民的青睞。

為了使太陽能熱水器能充分吸收太陽光的能量，通常情況下，絕大多數太陽能熱水器安裝于屋脊上或天面上，但未有有效的防雷措施，易成雷擊的首要目標；一旦遭受雷擊，雷電流沿金屬水管和水流進入浴室，若此時有人在沐浴，后果不堪設想。那么太陽能熱水器應當如何防雷呢？

一般采取的防雷措施是：降低太陽能熱水器的安裝高度，加高避雷針的高度。熱水器頂部應至少低于最高避雷針或避雷帶60 cm，并與針、帶保持約1 m的安全距離。如果原有的針、帶高度不能滿足要求，則應加高避雷針，并與原有針、帶進行雙面焊接，焊接長度不小于連接鋼筋直徑的6倍，加裝避雷針的規格不小于原有針、帶的規格。如果安裝空間受限無法滿足安全距離的要求，可考慮將熱水器金屬支架與避雷帶相連。雷雨時最好不要使用太陽能熱水器并拔掉電源插頭。

但實際上大多數用戶防雷意識淡薄，對太陽能熱水器需安裝防雷裝置的要求不以為然，多數用戶不知道有引雷入室的隱患存在；而且安裝防雷裝置需要收取一定的額外費用，許多用戶在購買時很少提此要求。

一些生產廠家和商家不僅缺乏防雷意識或未考慮到防雷需要，且許多產品說明書里根本未注明防雷的具體注意事項，其安裝人員也未經過有關防雷知識技術培訓。這種忽略太陽能熱水器觸電的現象在很多地方普遍存在。

夏季是使用太陽能熱水器的高峰時期，同時也是太陽能熱水器雷擊事故頻發季節。那么太陽能熱水器為什么會遭到雷擊呢？要了解這一點，我們首先要從太陽能熱水器的結構開始了解。

1 利用絕緣原理降低太陽能熱水器遭雷擊幾率

太陽能熱水器一般由集熱部件、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成(見圖1)。其中集熱器是系統中的集熱元件，目前中國市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管，其材質一般采用高硼硅特硬玻璃；保溫水箱是儲存熱水的容器，其外殼一般采用彩鋼板、鍍鋁鋅板或不銹鋼板；支架材質一般采用不銹鋼、鋁合金或鋼材噴塑。

圖1 太陽能熱水器結構圖

在了解了太陽能熱水器的結構以后，我們就可分析其遭受直擊雷的發生機理了。當雷雨云移動接近太陽能熱水器時，由于靜電感應的原因，使熱水器水箱外殼及支架表面產生異性電荷；當先導發生時，熱水器表面的電荷沒有泄放通路，就會發生擊穿放電，危害人員生命和損壞設備。

那么有沒有可能從雷擊的源頭入手來減少太陽能熱水器遭受雷擊的可能性呢？本文就從絕緣原理的角度來分析實現該設想的可能性。

近年來對于絕緣防雷的問題，引起了不少人的興趣，甚至還有人希望迅速將其應用于建筑物防雷的實踐中去。贊成這一舉措的人，無外乎基于以下一些依據：

1) 在我國一些古建筑(如山西應縣木塔、浙江寧波的天童禪寺等)經歷了數百上千年的雷雨考驗，從未遭受過雷擊，據實地考察這些建筑的構件均是采用絕緣良好的材料(如木結構)。

2) 從各國積累的資料來看，雷擊有較明顯的選擇性，統計數據表明，絕大部分的雷擊均是發生在入地電阻較小的地方。

3)從理論上分析，贊成絕緣防雷的人認為，在采用絕緣防雷的措施后，雷云來臨時能阻止地面感應電荷通過絕緣材料形成上行先導，從而達到避免雷擊的目的。

多少年來，盡管人們對雷電進行了大量的研究和探索，但對雷電的形成機理及雷擊活動規律仍然存在不少疑問。所以在防雷領域里，形成了不同的學派，學派間的一些觀點不盡相同甚至對立，也就不足為奇了。但有一點是大家公認的，即雷擊在自然界是遵循統計規律的。世界上只要有雷電活動的地方，每處均有遭受雷擊的可能，其差異只是遭受雷擊概率的大小不同而已。

當然在一般情況下，雷擊是有選擇性規律的。正因為如此，人們才有可能科學而正確地采取各種有效的防雷措施，使雷擊造成的損失減小到最低限度。但由于雷擊本身固有的不確定性，以絕緣材料去阻止雷云活動時地面上感應先導的形成是難以實現的。因為通常情況下，雷云的活動范圍是幾十甚至上百公里，在這一范圍內，雷擊點除了多半選擇地面電阻小的地點外，還和當時的風向、地形地貌及溫濕度環境因素有關(包括附近有空氣污染、空中出現導電煙塵等)。地面電阻小不是雷擊點的唯一條件，只能說是重要條件。

要達到絕緣避雷有兩個條件必須滿足：一是絕緣材料必須有很高的耐壓，能承受住雷電來臨時加在它兩端的高電壓；二是加了絕緣材料后，該通道的電阻必須遠大于雷雨來臨時周圍空氣或其他物體通道的電阻。

對于第一個條件，不少人會有疑問：雷電電壓高達數千萬伏以下，現在有這種絕緣材料嗎？需要搞清楚的是：數千萬伏的電壓是加在云、地之間，并不是加在被保護的人或物與地之間。那加在人或物與地之間的電壓究竟是多少呢？中國科學院大氣物理所孫景群編著的《大氣電學手冊》提供了大量資料：晴天大氣電場的平均值約為130 V/m。雷電來臨前，大氣電場會急劇升高，當電場升高到1 kV/m時，地面的青草、莊稼、大樹，甚至突出的巖石、房屋等都會出現電暈現象即尖端放電，使空氣電離。當云端電場為負時，電離的空氣是正極性，形成對地面的數十米以上的屏蔽層，阻止了近地面層的電位升高。據實測，雷雨來臨前，地面的大氣電場最高一般不超過20 kV/m；而由于水面尖端放電較少，近水面的大氣電場也不超過130 kV/m。

對目前的絕緣材料來說，是完全可能承受這種電壓的。

對于第二個條件，關鍵在于大氣的電阻。晴天的大氣電阻很高，據實測，晴天大氣電阻率平均為3×1013Ωm，但是在雷電來臨前，由于空氣電離，其電阻會急劇下降。根據我們在廣西南寧地凱公司120萬V雷云板下做的試驗，當濕度50%、電壓加至543 kV時，1.05 m的空氣被擊穿，在這之前出現電暈電流為1.3 mA；當空氣濕度79%(有小雨)、電壓加至331 kV時，1.05 m的空氣被擊穿，此前的電暈電流為1 mA。這時的空氣電阻比一般絕緣物的電阻小得多。因此覆蓋了絕緣材料，就可能滿足絕緣避雷的兩個條件。

那么是否存在這種適合制作太陽能熱水器水箱及支架的絕緣材料呢？在這里我首先為大家介紹一種名為ABS樹脂的絕緣材料。

ABS樹脂是5大合成樹脂之一，是一種目前產量最大、應用最廣泛的熱塑性工程塑料。它具有以下特性：

1) 一般性能：是一種綜合性能十分良好的樹脂，在比較寬廣的溫度范圍內具有較高的沖擊強度和表面硬度，熱變形溫度比PA、PVC高，尺寸穩定性好。

2) 熱學性能：屬于無定形聚合物，無明顯熔點，可在-4～85 ℃的溫度范圍內長期使用。

3) 電學性能：電絕緣性較好，并且幾乎不受溫度、濕度和頻率的影響，可在大多數環境下使用。

4)環境性能：不受水、無機鹽、堿醇類和烴類溶劑及多種酸的影響。

但僅具備以上優良性能尚不能使之成為理想的材料。由于ABS含有不飽和雙鍵的丁二烯部分易受紫外線作用，引發分子鏈中雙鍵斷裂產生自由基，加速材料的老化進程，因此選擇耐候性更好的ABS樹脂成為關鍵。目前國內采用的改善ABS樹脂耐候性的技術主要有兩種：一是加入助劑、光穩定劑、抗氧劑等；二是改變橡膠的組成。另外，經實驗表明，添加碳黑或在表面涂上一層適宜的清漆或薄膜可有效改善ABS樹脂的耐候性。趙偉于2010年發表的《PVC/ABS合金的研究》一文表明，ABS與PVC共混改性得到的PVC/ABS合金樹脂兼具兩者的優點，材料的耐候性能大幅提高，且PVC/ABS體系具有“海島”結構，材料的抗沖性能也得到提高。此外，ABS樹脂的制備原料苯乙烯、丙烯腈和丁二烯都是基礎石油化工原料，具有原料易得、價廉等優點，這也是其優勢所在。

2 總結

綜合所述，ABS樹脂的熱學、電學、環境等諸多特性都很適合制作太陽能熱水器的水箱外殼及支架；理論上，其絕緣效果能有效降低太陽能熱水器遭受直擊雷擊的幾率。在此需要聲明的是，絕緣避雷僅對直擊雷的防護有效果，對于雷電感應的危害則無能為力，太陽能熱水器仍須按照規范要求做好雷電感應和雷電波侵入措施。