電動汽車充電樁的雷擊風險與防護*

張世謹，仇 健，盧志紅

(1.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2.廣東省珠海市公共氣象服務中心，廣東 珠海 519000；3.廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000)

1 引言

近年來，隨著國家經濟的快速發展，化石能源供需矛盾和環境壓力日益突出，以電動汽車為代表的新能源汽車產業得到了快速發展[1-3]。同時，作為產業配套設施之一的汽車充電樁建設亦如雨后春筍般在各地涌現。根據中國汽車工業協會公布的數據顯示，截至2017年底，我國已建成公共充電樁21萬個，市場規模位居全球首位。當前，大多數的充電樁集中建設在一二線城市的各類露天停車場，如果其未采取有針對性的防雷措施，易遭受雷擊，輕則損壞個別充電樁內部電子系統，導致充電服務中斷；重則可在電網中形成干擾波動、導致多臺充電設備和正在充電的汽車內部電氣電子系統一并損壞，造成重大經濟損失甚至人員傷亡。因此，如何確保充電樁的防雷安全，是設計單位、生產企業和廣大防雷技術人員應當著重思考、解決的問題。

2 充電樁系統的結構組成、工作原理及其雷擊風險

充電樁在功能上類似于汽車加油站里面的加油機，按安裝方式可分為落地式和掛壁式兩種，可安裝于專用充電站、公共建筑(公共樓宇、商場、公共停車場等)、居民小區停車場內。其結構一般由樁體、電氣模塊、計量模塊3部分組成[5]。

由于充電樁的安裝環境、技術要求等存在差異，其在雷電影響期間可能面臨著不同的雷擊風險。

2.1 直擊雷

目前，市場上安裝的落地式充電樁一般高度均不超過2 m但樁體外殼多采用金屬材質，當充電樁安裝于空曠平坦的露天場地時，因其金屬體良好的導電性能，更容易產生向上的先導放電，遭受直接雷擊的概率將大大增加。直擊雷產生的巨大雷電流可在樁體外殼與內部構件或外殼與周邊人員、物體之間形成很高的電位差，同時在雷擊點附近產生急劇的溫升從而引發火災，造成充電設施損毀，危及附近的人員安全。

2.2 閃電感應

安裝于戶外的金屬充電樁體，如果樁體金屬外殼未作接地處理或接地不良時因閃電感應將產生瞬間的高電位，可對樁內元器件、周邊人員安全產生威脅；同時，雷云在充電樁附近產生放電時，由于雷電流的迅速變化可在閃電通道周邊空間產生瞬變的強電磁場，使樁體有關構件感應出很高的電動勢，對內部金屬元器件或環路開口中產生危險的火花放電，常常使充電樁內部耐壓水平較低的微處理器或集成電路等擊穿損壞。

2.3 閃電電涌侵入

無論是落地式或壁掛式的充電樁，均有電源進線及各種通信線路(無線通信除外)與BMS系統、集中器、服務管理平臺進行連接。一般充電樁的建設多以組為單位，當采用有線以太網、工業串行總線的連接通信方式時，可實現數據可靠傳輸，但終端連接到子站、主站的各種線路不僅連接節點多且分散、覆蓋面廣、通信距離長、布線復雜，這無疑為雷電流的傳導提供了更多可能的入侵途徑。雷電波可能沿著這些互聯線路侵入充電樁，嚴重時可造成多臺設備同時損壞，使受災面積由點向面大大擴展，并危及人身安全。

2.4 雷擊電磁脈沖

雷電流通過電阻、電感、電容耦合產生的電磁效應，可導致充電樁人機交互裝置及內部電氣模塊、計量裝置、通信接口等各組件及相關線路耦合產生感應電動勢，在元件開口兩端產生不可承受的過電壓或在環路上產生過電流，使元件擊穿或線路燒毀。雷電波的頻譜較寬，當雷擊產生的電磁波頻率與正常的無線數據信號波段重疊時，將可能導致DTU耦合接收到雷擊產生的強電磁場干擾信號，甚至損壞DTU。

3 充電樁防雷措施

3.1 科學選址，合理規避雷電高風險區域

據有關研究表明，雷電活動具有明顯的地域分布特征[6]；受城市下墊面形態、大氣離子濃度、水汽及通風廊道等因素影響，即便在同一個城市，雷電活動也有所不同，有些局部地區的雷擊要比鄰近地區多得多。因此，無論是原有場地改建或是獨立占地建設，都面臨充電樁建設站場的選址問題。

投資建設主體在充電樁選址或編制有關建設規劃方案前，應對擬建站場周邊建(構)筑物防雷裝置的安裝情況進行調查，并應符合以下條件：一是盡可能避開高層建(構)筑物密集且年預計雷擊次數相對較高的區域；二是遠離高壓架空電力線路走廊及其高聳的鐵塔；三是所選場地周邊建筑物高度相對較低或高度相差不大，且安裝有防雷裝置保護。當不可避免需要在上述雷電高風險區域建設充電樁時，亦可適當提高雷電防御等級，增加防護措施，以減少雷災事故的發生。

3.2 防雷分類的確定

獨立建設的充電設施應至少按文獻[7]規定的三類防雷建筑物要求設計采取防雷措施。如與其他建筑物共同建設或改造時，應綜合考慮建筑物的性質并經計算確定其防雷級別。安裝于戶內的充電樁應至少防直擊雷、防閃電電涌侵入和防雷擊電磁脈沖的保護措施，安裝于戶外的充電樁尚應采取防閃電感應的措施。

3.3 直擊雷防護措施

安裝于戶外的充電樁，當不處于其他已有防雷裝置的保護范圍內時，應設計采取防直擊雷措施。當充電樁地處效區曠野獨立建設時，不宜采用露天直接安裝，而應在充電區域增設頂棚并能覆蓋所有充電樁。該頂棚應至少按文獻[7]規定的第三類防雷建筑物設計采取防直擊雷措施。如圖1、圖2所示，對于建在城區內的室外充電樁，落地式宜選擇靠近有合格防雷裝置的建(構)筑物、高桿燈或其他自然接閃裝置附近安裝，盡可能將所有充電樁置于周邊建筑物防雷裝置的保護范圍之內(LPZ0A區)；壁掛式充電樁則可直接安裝在上述建筑物距地面不高于2 m的外墻上。為防高電位反擊和強電磁干擾，充電樁的安裝位置應與建筑物防直擊雷引下線、高桿燈以及其他雷電流泄放通道保持足夠的間隔距離。

圖1 單棟建筑物的直擊雷保護范圍示意圖 圖2 兩棟及以上建筑物組合的直擊雷保護范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct lightning protection Fig.2 Schematic diagram of direct lightning protection scope of a single building area of two or more buildings

3.4 做好設備各金屬組件之間的防雷等電位連接

充電樁外殼、支架、金屬線管(槽)等所有金屬組件通過金屬螺栓、導線或SPD連接到防雷裝置上，要求各部件之間連接的直流過渡電阻不應大于0.03 Ω，以減小電位差。值得注意的是，當前不少充電樁金屬構件通過利用向充電樁提供交流電源的電纜PE線進行接地，雖可對工頻電流漏電有效保護，但當設備遭雷擊時，從雷擊點經PE線到最近的重復接地點之間的距離一般較長，PE線的雷電流通道阻抗較大，將產生很高的雷擊過電壓；由此可見，防雷等電位連接應采用符合相應截面積要求的專用導體作連接，僅通過PE線連接的方式并不值得推薦。

3.5 做好屏蔽和合理布線

屏蔽是減少雷電磁脈沖干擾的基本措施之一。安裝在戶外的充電樁通常暴露在LPZ0區內，可將充電樁金屬外殼所有組件相互連接形成良好的電氣通路，并將外殼良好接地，即可對內部電氣電子設備形成良好的電磁屏蔽作用。因此在選擇產品時，同等條件下建議優先選用金屬外殼且板材較厚、電氣電子元器件的抗擾度相對較高、電磁兼容性較好[8]的產品。

根據安裝方式的不同，充電樁的布線通常可分為下進式和側進式兩種。前者多用于落地式充電樁布線，主要是將線纜布設在埋地電纜溝內引至充電樁基礎下方進線，可在一定程度上減少雷擊電磁脈沖干擾的影響；后者多用于壁掛式充電樁布線，主要是將線纜沿墻體外立面布設引至充電樁，當線路無屏蔽措施時極易受到雷擊電磁脈沖干擾。

因此，同等條件下宜優先選擇下進式布線，并選用金屬鎧裝的屏蔽電纜直接埋地敷設引入充電樁；當采用低壓架空線路供電的，應在引入前轉為金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入，電纜地中敷設長度不宜小于15 m；對有線連接的通信線路，應優先采用無金屬光纜；當施工困難時可選用帶有金屬構件的光纜。布線時，應將充電樁電源電纜、通信電纜分開敷設，并盡可能避免與建筑物防直擊雷引下線或其他金屬管線近距離平行敷設，彼此間距應符合《綜合布線系統工程設計規范》GB50311-2016的要求。布線完畢后，應將電源電纜屏蔽層、金屬套管、支架、PE線以及帶金屬構件的光纜護套、加強芯、接頭等可導電部件在線纜兩端作接地處理。

當必須采用側進式布線和普通絕緣護套的非屏蔽線纜時，應將線纜穿金屬管或金屬線槽屏蔽，按上述方式做好兩端接地并確保屏蔽體各部分之間具有可靠的電氣貫通。

3.6 防線路電涌過電壓

當充電樁采用TN系統三相電源供電時，為避免正常的負荷電流經PE線或與PE線有連接的導體流動，保障充電樁正常運行安全，給充電樁提供的低壓電源應采用TN-S接地型式。

為降低設備遭受雷擊過電壓或過電流沖擊損壞的風險，在設備的信號線路前端亦應安裝與之相配套的信號SPD。對于采用金屬線引入的，應在設備前端加裝D1類高能量試驗類型的SPD，其短路電流應不小于1.5 kA(10/350 μs)。對于采用光纜的，應安裝B2類慢上升率試驗類型的SPD，其短路電流應不小于75A(5/300 μs)。

除選擇合適的SPD類型、參數外，SPD的安裝工藝尤其重要。為降低SPD動作時產生的殘壓，要求SPD采用凱文接線方式，SPD兩端接線總長度不應大于0.5 m。

3.7 采取共用接地系統

充電樁防雷接地、電氣設備的工作接地、保護接地應共用接地系統，其接地電阻值不宜大于4 Ω。同時，應當注意共用接地裝置的布置形式和尺寸。

對于在空曠場地獨立建設的充電樁，當基礎埋深大于0.5 m時，應充分利用其基礎底部鋼筋，并輔以若干人工接地體圍繞樁體混合組成環型接地裝置；成組制安裝的各充電樁單體之間接地體應不少于兩處相互連接形成閉合網格狀。當與基礎鋼筋相連接時，埋于土壤中的人工接地體材料宜選用銅質、鍍銅或不銹鋼導體，以減少導體的電化學腐蝕。此外，應盡可能加大人工接地體的深埋，并同時適當縮小網格尺寸，以均衡雷電流泄放入地瞬間產生的地表電位差，減少跨步電壓危險；當條件限制時，可在地表敷設5 cm厚的瀝青層或15 cm厚的礫石層。

對于建在城區的露天充電樁，當附近有已安裝防雷裝置的建(構)筑物或充電樁與之有電氣、電子系統線路連通時，應將充電樁接地裝置通過不少于兩處連接導體就近接入該建(構)筑物防雷接地裝置。人工接地導體的安裝要求同上。若充電樁安裝在戶內，可直接連接到經檢測合格的建筑物主體防雷接地裝置。

3.8 做好科學管理和日常維護

要做好充電樁的防雷工作，在管理上應予以重視。一是應將防雷設計圖委托防雷專業技術部門審查合格后，方可投入施工。在防雷裝置施工期間應當做好隱蔽工程的質量檢測。直至竣工檢測合格后，方可投入使用。二是完善運營期間的管理制度和維護措施[10]，加強日常巡檢和隱患排查，一旦發現隱患應當及時整改，以策安全。三是應加強與當地氣象部門的合作，及時獲取充電樁站點所在區域的雷暴預警信息，提前做好防御措施，如雷雨天氣臨近時，可暫停充電服務。

4 結束語

充電樁是當今新能源電動汽車快速發展的配套設施產物，面臨著防雷等諸多技術問題有待研究。本文從充電樁的工作原理及其遭受雷擊的風險進行分析，有針對性地提出了從規劃選址、防直擊雷、防閃電感應、防雷電波侵入和防雷擊電磁脈沖以及運營管理等多方面進行綜合防雷的解決辦法，以期拋磚引玉，為同行提供參考。