阅读提示： 通过对太阳热水器遭受雷击事故的统计，简要地分析了雷击灾害对太阳热水器控制仪表的损害；为减少雷击对太阳热水器控制仪表造成损坏，提出了既简单又可行的方法。
雷电灾害是１０种最严重的自然灾害之一。全球每天约发生８００万次雷电；我国也是雷暴活动十分频繁的国家。全国有２１个省会城市每年的雷暴日都在５０ｄ以上，最多的可达１３４ｄ。近年来，现代化的城市中一座座高楼如雨后春笋般拔地而起，使雷电击穿空气的距离缩短。由于物体遭遇雷击的概率与其高度成正比，因此往往安装在建筑物屋顶上的太阳热水系统遭受雷击的概率较大。自１９９４年，山东桑乐太阳能有限公司推出太阳热水器控制仪表以来，累计安装量已超过６０万台，每年雷雨季节，都有一定数量的控制仪表遭受雷击而损坏，导致维修工作量增加。为提高产品质量，减少消费者的麻烦，减轻经销商的负担，２００３年公司专门组织力量解决太阳热水器控制仪表遭受雷击问题。
统计与分析
雷击故障的统计
雷电危害可分成直击雷、感应雷和雷电波侵入３种类型。目前，直击雷造成的灾害已明显减少，而随着城市经济的发展，感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷，而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压，却能潜入室内危及各种电子设备。
建筑物遭雷击后，雷电波沿引下线入地。由于雷电的波峰值高、频率高，在流过引下线的过程中，在引下线周围感应出剧烈变化的磁场。每根引下线就像是一根天线，向周围散发电磁能量。在电源输电线、信号传输线和建筑物金属构件上，会形成数千伏甚至上万伏高电压冲击波，使电子设备被击坏。这种雷击称为感应雷击。感应雷击不像直击雷那样有强烈的闪光和雷鸣，常常是悄然发生，但其危害面甚广，约占总雷害事故的８０％以上。
我们对因雷击而返修的仪表进行了分析统计：除１根传感器为直击雷损坏外，其他均为感应雷和雷电波侵入损坏。故障现象如下：①成块损坏占４４％，从外表看，没有任何可见的烧毁痕迹等硬伤；②电源部分损坏占３３％，烧坏保险丝、变压器、整流二极管等；③取样回路损坏占２１％，主要是采样电阻、滤波电容烧坏；④其他损坏占２％。
雷击故障分析
一个雷电的电磁场可影响方圆几公里内的电子设备。太阳热水器控制仪表的传感器装在楼顶，都装有从楼顶到室内的１０４０ｍ长的信号线，这使太阳热水器控制仪表的传感器及仪表主机受损的几率比其他电子设备大。太阳热水器控制仪表的耐过压、耐过流和抗雷电电磁脉冲的能力都比较弱，容易在雷电中损坏。例如：ＣＭＯＳ芯片耐过电压仅为３～５Ｖ；当磁场脉冲超过０．０７Ｇ时，就会引起单片机失效；当磁场脉冲超过２．４Ｇ时，集成电路就会发生永久性损坏。
通过分析我们了解到：雷击主要通过以下几种途径损坏太阳热水器控制仪表。①电磁脉冲和过电压直接损坏楼顶传感器中的ＣＭＯＳ芯片，故障现象为水位转换电路失效；②感应过电压通过信号线传入仪表内部，将采样电路中的薄弱元件烧毁；③雷电在电网中感应出的过电压将电源部分烧毁，导致仪表不显示；④因安装不当，用铁丝将太阳能热水器与避雷线固定在一起，使高压瞬间作用在传感器上而损坏传感器。
对雷电电磁脉冲容易入侵的所有通道，如电源线、天馈线和各种信号传输线等，都要求采取措施以堵截雷电过电压。尽可能使带电金属导体实现等电位均压连接。
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采取的措施
为降低故障率，减少维修工作量，达到防雷击的目的，我们要求相关器件在雷击中能起保护作用，能耐受住瞬时过压过流，在雷击过后也能使仪表正常工作。避免雷击损坏仪表，光靠一种方法是不行的，我们根据“整体设计、全面防御”的原则，采取了以下措施。
①磁场的能量与距离的平方成反比，为减少感应雷的影响，要在安装环节使水位水温信号线接收的电磁能量尽可能少。我们重新制定了安装规范：安装太阳热水器时，使信号线尽量远离避雷针下行线，减少架空线；固定太阳热水器时，要躲开楼面的避雷线。
②减少ＣＭＯＳ芯片的使用，将楼顶水位水温传感器的转换电路由ＣＭＯＳ芯片改为军晶级晶体三极管，大大提高了电路的抗过压能力。
③防止浪涌电压从电源部分侵入，在电源输入端加装优质大电流４００Ｖ压敏电阻。
④加大信号输入电路部分的耐压强度，理论上分析，在正常情况下输入部分的耐压只要达到ＤＣｌ２Ｖ，额定功率０．２５Ｗ就可以了，为了提高抗雷击性能，全部改用耐压５００Ｖ，额定功率３Ｗ的元件。
⑤输入部分对地等电位连接。所有信号线到仪表主机的输入端与公共地之间加装过压浪涌保护元件，在有雷击发生时导通，将输入电压嵌位在１００Ｖ以内。选择保护元件时，一定要选择正规企业生产的、瞬间通过电流大、动作时间的器件，才能在雷击发生时起到保护作用。
⑥加强对芯片的屏蔽保护。现在的太阳热水器控制仪外壳均为ＡＢＳ塑料外壳，为防止感应雷的破坏，应该用金属壳屏蔽仪表主机，并要求金属外壳可靠接地。从产品成本、结构等因素考虑，为整个仪表加装金属屏蔽壳不现实，经反复论证和试验，我们决定对最怕感应雷的集成块单独加屏蔽保护。在集成块底面线路板上排布大面积铜层地线，并在集成块表面加贴金属铜箔，通过导线可靠接地，从而实现对集成块的保护。
结论
２００３年底，我们在销售安装淡季里，组织人员对已安装的、维修记录中每年易发生雷击的集体工程和安装量大的小区进行了整改，对太阳能热水器重新固定；信号线尽可能远离避雷线。２００３年下半年以后生产的仪表，全都升级为防雷型产品。经过２００４年雷雨季节的考验，雷击故障同比减少了９２％，效果非常显著。然而，雷击的侵袭是千差万别、无孔不入的，因此，防雷是一个综合性的、复杂的系统工程，需要太阳能领域的同行们不懈研究和探讨，不断地提高和完善防雷技术。
文/滕为公 马兵 王冬梅 王梅 安利娟
山东省科学院能源研究所
电话：０５３１－２６０５５８２