利用绝缘原理降低太阳能热水器遭雷击几率的新思路

湖南省岳阳市气象局 ■ 聂武夫 向佳 向涛

0 引言

近年来，随着人们节能减排意识的增强，太阳能热水器以其省电、节能、环保的优势正日益受到市民的青睐。

为了使太阳能热水器能充分吸收太阳光的能量，通常情况下，绝大多数太阳能热水器安装于屋脊上或天面上，但未有有效的防雷措施，易成雷击的首要目标；一旦遭受雷击，雷电流沿金属水管和水流进入浴室，若此时有人在沐浴，后果不堪设想。那么太阳能热水器应当如何防雷呢？

一般采取的防雷措施是：降低太阳能热水器的安装高度，加高避雷针的高度。热水器顶部应至少低于最高避雷针或避雷带60 cm，并与针、带保持约1 m的安全距离。如果原有的针、带高度不能满足要求，则应加高避雷针，并与原有针、带进行双面焊接，焊接长度不小于连接钢筋直径的6倍，加装避雷针的规格不小于原有针、带的规格。如果安装空间受限无法满足安全距离的要求，可考虑将热水器金属支架与避雷带相连。雷雨时最好不要使用太阳能热水器并拔掉电源插头。

但实际上大多数用户防雷意识淡薄，对太阳能热水器需安装防雷装置的要求不以为然，多数用户不知道有引雷入室的隐患存在；而且安装防雷装置需要收取一定的额外费用，许多用户在购买时很少提此要求。

一些生产厂家和商家不仅缺乏防雷意识或未考虑到防雷需要，且许多产品说明书里根本未注明防雷的具体注意事项，其安装人员也未经过有关防雷知识技术培训。这种忽略太阳能热水器触电的现象在很多地方普遍存在。

夏季是使用太阳能热水器的高峰时期，同时也是太阳能热水器雷击事故频发季节。那么太阳能热水器为什么会遭到雷击呢？要了解这一点，我们首先要从太阳能热水器的结构开始了解。

1 利用绝缘原理降低太阳能热水器遭雷击几率

太阳能热水器一般由集热部件、保温水箱、支架、连接管道、控制部件等组成(见图1)。其中集热器是系统中的集热元件，目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管，其材质一般采用高硼硅特硬玻璃；保温水箱是储存热水的容器，其外壳一般采用彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板；支架材质一般采用不锈钢、铝合金或钢材喷塑。

图1 太阳能热水器结构图

在了解了太阳能热水器的结构以后，我们就可分析其遭受直击雷的发生机理了。当雷雨云移动接近太阳能热水器时，由于静电感应的原因，使热水器水箱外壳及支架表面产生异性电荷；当先导发生时，热水器表面的电荷没有泄放通路，就会发生击穿放电，危害人员生命和损坏设备。

那么有没有可能从雷击的源头入手来减少太阳能热水器遭受雷击的可能性呢？本文就从绝缘原理的角度来分析实现该设想的可能性。

近年来对于绝缘防雷的问题，引起了不少人的兴趣，甚至还有人希望迅速将其应用于建筑物防雷的实践中去。赞成这一举措的人，无外乎基于以下一些依据：

1) 在我国一些古建筑(如山西应县木塔、浙江宁波的天童禅寺等)经历了数百上千年的雷雨考验，从未遭受过雷击，据实地考察这些建筑的构件均是采用绝缘良好的材料(如木结构)。

2) 从各国积累的资料来看，雷击有较明显的选择性，统计数据表明，绝大部分的雷击均是发生在入地电阻较小的地方。

3)从理论上分析，赞成绝缘防雷的人认为，在采用绝缘防雷的措施后，雷云来临时能阻止地面感应电荷通过绝缘材料形成上行先导，从而达到避免雷击的目的。

多少年来，尽管人们对雷电进行了大量的研究和探索，但对雷电的形成机理及雷击活动规律仍然存在不少疑问。所以在防雷领域里，形成了不同的学派，学派间的一些观点不尽相同甚至对立，也就不足为奇了。但有一点是大家公认的，即雷击在自然界是遵循统计规律的。世界上只要有雷电活动的地方，每处均有遭受雷击的可能，其差异只是遭受雷击概率的大小不同而已。

当然在一般情况下，雷击是有选择性规律的。正因为如此，人们才有可能科学而正确地采取各种有效的防雷措施，使雷击造成的损失减小到最低限度。但由于雷击本身固有的不确定性，以绝缘材料去阻止雷云活动时地面上感应先导的形成是难以实现的。因为通常情况下，雷云的活动范围是几十甚至上百公里，在这一范围内，雷击点除了多半选择地面电阻小的地点外，还和当时的风向、地形地貌及温湿度环境因素有关(包括附近有空气污染、空中出现导电烟尘等)。地面电阻小不是雷击点的唯一条件，只能说是重要条件。

要达到绝缘避雷有两个条件必须满足：一是绝缘材料必须有很高的耐压，能承受住雷电来临时加在它两端的高电压；二是加了绝缘材料后，该通道的电阻必须远大于雷雨来临时周围空气或其他物体通道的电阻。

对于第一个条件，不少人会有疑问：雷电电压高达数千万伏以下，现在有这种绝缘材料吗？需要搞清楚的是：数千万伏的电压是加在云、地之间，并不是加在被保护的人或物与地之间。那加在人或物与地之间的电压究竟是多少呢？中国科学院大气物理所孙景群编著的《大气电学手册》提供了大量资料：晴天大气电场的平均值约为130 V/m。雷电来临前，大气电场会急剧升高，当电场升高到1 kV/m时，地面的青草、庄稼、大树，甚至突出的岩石、房屋等都会出现电晕现象即尖端放电，使空气电离。当云端电场为负时，电离的空气是正极性，形成对地面的数十米以上的屏蔽层，阻止了近地面层的电位升高。据实测，雷雨来临前，地面的大气电场最高一般不超过20 kV/m；而由于水面尖端放电较少，近水面的大气电场也不超过130 kV/m。

对目前的绝缘材料来说，是完全可能承受这种电压的。

对于第二个条件，关键在于大气的电阻。晴天的大气电阻很高，据实测，晴天大气电阻率平均为3×1013Ωm，但是在雷电来临前，由于空气电离，其电阻会急剧下降。根据我们在广西南宁地凯公司120万V雷云板下做的试验，当湿度50%、电压加至543 kV时，1.05 m的空气被击穿，在这之前出现电晕电流为1.3 mA；当空气湿度79%(有小雨)、电压加至331 kV时，1.05 m的空气被击穿，此前的电晕电流为1 mA。这时的空气电阻比一般绝缘物的电阻小得多。因此覆盖了绝缘材料，就可能满足绝缘避雷的两个条件。

那么是否存在这种适合制作太阳能热水器水箱及支架的绝缘材料呢？在这里我首先为大家介绍一种名为ABS树脂的绝缘材料。

ABS树脂是5大合成树脂之一，是一种目前产量最大、应用最广泛的热塑性工程塑料。它具有以下特性：

1) 一般性能：是一种综合性能十分良好的树脂，在比较宽广的温度范围内具有较高的冲击强度和表面硬度，热变形温度比PA、PVC高，尺寸稳定性好。

2) 热学性能：属于无定形聚合物，无明显熔点，可在-4～85 ℃的温度范围内长期使用。

3) 电学性能：电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。

4)环境性能：不受水、无机盐、碱醇类和烃类溶剂及多种酸的影响。

但仅具备以上优良性能尚不能使之成为理想的材料。由于ABS含有不饱和双键的丁二烯部分易受紫外线作用，引发分子链中双键断裂产生自由基，加速材料的老化进程，因此选择耐候性更好的ABS树脂成为关键。目前国内采用的改善ABS树脂耐候性的技术主要有两种：一是加入助剂、光稳定剂、抗氧剂等；二是改变橡胶的组成。另外，经实验表明，添加碳黑或在表面涂上一层适宜的清漆或薄膜可有效改善ABS树脂的耐候性。赵伟于2010年发表的《PVC/ABS合金的研究》一文表明，ABS与PVC共混改性得到的PVC/ABS合金树脂兼具两者的优点，材料的耐候性能大幅提高，且PVC/ABS体系具有“海岛”结构，材料的抗冲性能也得到提高。此外，ABS树脂的制备原料苯乙烯、丙烯腈和丁二烯都是基础石油化工原料，具有原料易得、价廉等优点，这也是其优势所在。

2 总结

综合所述，ABS树脂的热学、电学、环境等诸多特性都很适合制作太阳能热水器的水箱外壳及支架；理论上，其绝缘效果能有效降低太阳能热水器遭受直击雷击的几率。在此需要声明的是，绝缘避雷仅对直击雷的防护有效果，对于雷电感应的危害则无能为力，太阳能热水器仍须按照规范要求做好雷电感应和雷电波侵入措施。