电动汽车充电桩的雷击风险与防护

电动汽车充电桩的雷击风险与防护

朱卉

四川弘建电力工程有限公司，四川成都610000

摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，化石能源供需与环境压力的矛盾日益突出，以电动汽车为代表的新能源汽车产业发展迅速。作为行业配套设施之一的充电桩产业也如雨后春笋般遍地开花。据中国汽车工业协会发布的数据显示，截至2017年底，我国已建成公共充电桩21万座，市场规模居世界首位。而电动汽车充电桩因雷击带来的安全隐患不容忽视，所以其风险与防护的讨论分析、并应用到实际中至关重要。

关键词：电动汽车；充电桩；雷击风险；防护

一、雷击风险

1.直击雷

目前，市场上安装的地板充电桩一般高度不超过2m，但由于充电桩的壳体多为金属材料，而充电桩一般安装在露天或者半露天的环境，由于金属本体导电性好，很容易产生向上的引线放电，直接雷击的概率大大增加。直击雷产生的巨大电流会在桩壳与内部构件之间，桩壳与周围人员、物体之间形成较大的电势差，引起重大灾害事故，损坏充电设施，危及附近人员的安全。

2.闪电感应

由于充电桩安装在户外，在闪电发生时，在充电桩金属外壳上产生的静电感应和电磁感应，可能使充电桩内部的元器件之间产生电火花，从而破坏充电桩。

3.闪电电涌侵入

无论是落地式充电桩还是壁式充电桩，都有供电线路和各种通信线路(无线通信除外)与BMS系统、集中器和服务管理平台相连。通常收费桩的建设作为一个整体单元,使用串行总线时,采用工业以太网电缆连接,实现可靠的数据传输,而终端连接到车站,各种连接线不仅有很多连接节点，并且覆盖面较宽,这无疑对雷电流传导提供了更多可能的入侵途径。当闪电发生时，架空导线上感应产生过电压波后，过压波向导线的两侧传播，侵入这些相互连接的线路上的充电桩，同时对多个设备造成损害，使灾区从点向面大大扩大，危及人身安全。

4.雷击电磁脉冲

当充电桩受雷击时，雷电流沿充电桩防雷装置中各分支导体入地，流过分支导体的雷电流会在充电桩内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交连不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在充电桩内的导体回路中感应过电压和过电流，而且也能在充电桩与后台之间的通信线路中感应出过电压和过电流，可能导致内部电气模块,人机交互设备和充电桩计量装置、通信接口和其他组件故障或火灾。

二、充电桩防雷措施

1.科学选址，合理规避雷电高风险区域

相关研究表明，雷电活动具有明显的区域分布特征;受垫面形状、大气离子浓度、水汽和通风等因素的影响，即使在同一城市，闪电活动也不尽相同，局部地区的雷击次数远多于邻近地区。因此，无论是原址改造还是独立占用土地建设，都面临着充电桩建设站选址问题。在选择充电桩的选址或者编制有关建设规划方案前，投资建设单位和建设单位应当对拟建站场周围建筑物(构筑物)防雷装置的安装情况进行调查。应满足以下条件:第一，尽量避开高层建筑(构筑物)密集、预期雷击频率较高的区域；二是远离高压架空电力线走廊及其高耸的塔楼；三是所选场地周围建筑物高度相对较低或高差不大，并装有防雷装置。当不可避免地要在雷电高发区建立充电桩时，可以适当提高防雷水平，增加防护措施，减少雷电灾害的发生。

2.防雷分类的确定

独立建设的充电设施应至少按规定的三类防雷建筑物要求设计采取防雷措施。如与其他建筑物共同建设或改造时，应综合考虑建筑物的性质并经计算确定其防雷级别。安装于户内的充电桩，应至少采取防直击雷、防闪电电涌侵入和防雷击电磁脉冲的保护措施，安装于户外的充电桩还应采取防闪电感应的措施。

3.直击雷防护措施

安装于户外的充电桩，当不处于其他已有防雷装置的保护范围内时，应设计采取防直击雷措施。当充电桩处于效区独立建设时，不宜采用露天直接安装，而应在充电区域增设顶棚并能覆盖所有充电桩。该顶棚应至少按规定的第三类防雷建筑物设计采取防直击雷措施。如图1、图2所示，对于建在城区内的室外充电桩，落地式宜选择靠近有合格防雷装置的建(构)筑物、高杆灯或其他自然接闪装置附近安装，尽可能将所有充电桩置于周边建筑物防雷装置的保护范围之内(LPZ0B区)；壁挂式充电桩则可直接安装在上述建筑物距地面不高于2m的外墙上。为防高电位反击和强电磁干扰，充电桩的安装位置应与建筑物防直击雷引下线、高杆灯以及其他雷电流泄放通道保持足够的间隔距离。

4.做好设备各金属组件之间的防雷等电位连接

充电桩外壳、支架、金属线管(槽)等所有金属组件通过金属螺栓、导线或SPD连接到防雷装置上，要求各部件之间连接的直流过渡电阻不应大于0.03Ω，以减小电位差。值得注意的是，当前不少充电桩金属构件通过利用向充电桩提供交流电源的电缆PE线进行接地，虽可对工频电流漏电有效保护，但当设备遭雷击时，从雷击点经PE线到最近的重复接地点之间的距离一般较长，PE线的雷电流通道阻抗较大，将产生很高的雷击过电压;由此可见，防雷等电位连接应采用符合相应截面积要求的专用导体作连接，仅通过PE线连接的方式并不值得推荐。

5.做好屏蔽和合理布线

屏蔽是减少雷电磁脉冲干扰的基本措施之一。安装在户外可将充电桩金属外壳所有组件相互连接形成良好的电气通路，并将外壳良好接地，即可对内部电气电子设备形成良好的电磁屏蔽作用。因此在选择产品时，同等条件下建议优先选用金属外壳且板材较厚、电气电子元器件的抗扰度相对较高、电磁兼容性较好的产品。根据安装方式的不同，充电桩的布线通常可分为下进式和侧进式两种。前者多用于落地式充电桩布线，主要是将线缆布设在埋地电缆沟内引至充电桩基础下方进线，可在一定程度上减少雷击电磁脉冲干扰的影响;后者多用于壁挂式充电桩布线，主要是将线缆沿墙体外立面布设引至充电桩。当线路无屏蔽措施时极易受到雷击电磁脉冲干扰，因此，同等条件下宜优先选择下进式布线，并选用金属铠装的屏蔽电缆直接埋地敷设引入充电桩;当采用低压架空线路供电的，应在引入前转为金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，电缆地中敷设长度不宜小于15m;对有线连接的通信线路，应优先采用无金属光缆;当施工困难时可选用带有金属构件的光缆。布线时，应将充电桩电源电缆、通信电缆分开敷设，并尽可能避免与建筑物防直击雷引下线或其他金属管线近距离平行敷设，彼此间距应符合《综合布线系统工程设计规范》GB50311－2016的要求。布线完毕后，应将电源电缆屏蔽层、金属套管、支架、PE线以及带金属构件的光缆护套、加强芯、接头等可导电部件在线缆两端作接地处理。

6、浪涌保护器的选择

电源防雷器应适用于TN-S三相五线制电源系统，应具备以下几个特点：低残压，响应速度快，具有超低电压保护水平，在安装过程中，必须有可靠的PE接地。

结束语：

充电桩是新能源电动汽车快速发展配套设施的产物。基于充电桩的工作原理和雷击的风险分析,从规划和选址,提出了防止直接雷击,闪电感应,防雷电波侵入和雷电电磁脉冲和操作管理方面的综合防雷方案为同行提供参考。

参考文献：

［1］范军，袁泉．我国电动汽车的发展现状和前景分析［J］．黑龙江科技信息，2016(36)．

［2］李向军．电动汽车交流充电桩系统设计分析［J］．科技传播，2016(18):223－252．