探析户外新能源汽车充电站场防雷要点

探析户外新能源汽车充电站场防雷要点

黄智健,张思玲,李明捷

广州市海珠区气象公共服务中心 广州市海珠区气象局 广州 510000

【摘要】：充电是目前新能源汽车补充能源的主流方式，是构成新能源车产业的重要一环。快速增长的新能源汽车市场推高了对充电桩市场的需求，特别是高压快充能够有效解决电动车里程焦虑、快速充电问题。高压快充对场地选择会有更高的要求，通常会设置在户外，雷雨天气时，人员、建（构）物、设备设施，受到雷击风险较高。因此本文主要探析在户外正在建设或已投入使用的新能源充电站场的雷电防护应对措施。

【关键词】：户外；雷击；要点

1. 引言

在全球“碳中和、碳达峰”的目标之下，新能源汽车普及率不断提升。2021年，新能源汽车产销表现远超市场预期，2021年全年，全球新能源汽车销量为650.14万辆,同比增长108%。同年，我国新能源汽车产销分别完成354.5万辆和352.1万辆，同比均增长1.6倍。2020年10月，国务院办公厅出台了《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，其中提到加快推动充换电基础设施建设，提升互联互通水平，鼓励商业模式创新，营造良好使用环境。随着新能源汽车的快速增长，作为新能源汽车配套能源补给的充电站场也如雨后春笋般拔地而起。

2. 户外新能源汽车充电站场雷电防护的重要性

   雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一，随着经济和科学技术的发展，以电力和电子为基础的现代化生活已日渐普及，电子器件和信息技术的应用越来越广范，因雷电灾害造成的经济损失也就越来越大。随着新能源电动汽车增长迅猛，在政策的扶持和市场需求的导向作用下，户外新能源汽车充电站场近年来也在持续稳定增长。户外新能源汽车充电站场主要是给新能源汽车提供快速充电的户外电能补给站场，其场地面积大小从几百到几千平方米不等，场地较为空旷，站场内主要有充电桩、变压器，部份单层建（构）筑物（如在充电桩上设有金属挡雨棚，在站场设有值班用房等）。

由于汽车充电站多是安装于室外空旷区域，且站中充电桩由金属制作，容易遭受雷电直击。当有雷电活动时，产生的静电及电磁感应会使带电状态下的充电设施受到感应而存在很高的电压，特别是充电设施中大量的微处理器和高精密度集成电路极易遭受雷击破坏，轻则击坏充电桩内部电子系统，重则导致正在充电的汽车内部一并受到牵连，引起重大灾害事故的发生。因此充电桩设施安全、人员的充电操作安全等都需要加强雷电防御。

3. 雷电对户外新能源汽车充电站场的危害方式

3.1 雷电的直击雷危害

户外新能源汽车充电站场，场地空旷，雷电直接击在站场内建（构）筑物、设备、场内充电车辆甚至直接击中场内人员的概率相对较高，它的高电压和强大电流产生的电磁效应、热效应和机械效应会对站场内设备和人员造成严重的危害。如（建（构）物倒塌、设备、车辆损坏或起火、户外的人员伤亡等。

3.2 雷电的静电感应危害

当雷雨云团靠近，由于雷云的作用，引起静电电场的剧烈变化，导致附近导体上感应出与先导通道符号相反的电荷，当雷雨云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上感应电荷得到释放，如不就近泄入大地，就会产生很高的电位，导至站场内设备损坏甚至造成火灾。

3.3 雷电的电磁感应危害

雷电发生时，雷电流在50~100微秒的时间内，从零到几十万安培，再由几十万变化到零安培，在其周围空间中产生瞬变的强电磁场，在空间变化电磁场中的物体，不论是导体还是非导体均作切割磁感线运动，产生很高的电磁感应电动势，使场所内的设备通讯传输受到干扰或造成设备的损坏。

3.4 雷电波入侵危害

雷击到电源线、信号线、金属管道后，以电波的形式沿着管线窜入，危及人身安全或造成设备损坏。

4.户外新能源汽车充电站场的雷电防护措施及要点

根据新能源汽车充电站场的实际，建议采用建（构）筑物雷电防护措施与雷电预警应急预案相结合方式进行防御。

4.1 站场的雷电防护措施

站场雷电防护主要依据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）作为设计标准，主要包括:防雷类别划分、接闪器、引下线、接地装置、等电位连接、防雷区划分、防雷击电磁脉冲。

4.1.1站场内建（构）筑物防雷装置布设的要点：

1.建（构）筑物在布置接地装置时，应至少预留两处接地预留点。

2.在建筑物的地下室或地面层处，建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统、进出建筑物的金属管线等所有金属组件通过金属螺栓、导线或SPD与防雷装置做可靠的等电位连接，并要求各部件之间连接的过渡电阻值不应大于0.2Ω，以减小电位差。

4.1.2站场内充电桩防雷装置布设要点：

1.在没有其它建（构）覆盖或保护的情况，直接裸露在外时，应在附近增加接闪器保护,考虑充电桩成排状布置，宜优先采用接闪线保护，使其处在LPZ0B区内。充电桩高度一般约为2米高，按三类防雷类别，单独设置接闪器时，独立接闪器设置高度与充电桩最大保护距离关系可参考（图1）设置：

图1

2.为使减少充电桩内电气设备受雷击电磁场影响，其金属外壳与接地装置连接点不应少于两处。为减少雷电波侵入影响，进出充电桩桩体的各类金属线路，应在进入桩体前与其金属外壳做好可靠的等电位连接；

3.进入桩体后在相应位置设置T2电涌保护器。

4.1.3站场内架空敷设线路（如照明、视频监控等）布设要点：

1. 应采用金属套管方式敷设。
2. 金属管道两端（设备终端、进入建筑物端）与接地装置做好可靠等电位连接。

4.2 站场的雷电预警措施

站场内由于比较空旷，车辆到站场充电过程中人员的人身安全，应该是考虑的防护重点。

防雷装置的拦截效率取决于雷电流的最小值和其对应的滚球半径。其电气几何公式R=10·I0.65 ,列表代入：

雷电流最小值与对应的防雷类别滚球半径（表1）

可看出，雷电流幅值越大，滚球半径越大，其拦截效率就越小；反之，拦截效率就越大。

依据《建筑物防雷设计规范》布设安装的防雷装置，是建立在数学几何模型参数上的结果，并不能完全实现对雷电流的拦截。因此为了更好的保护人身安全，当雷雨云团即将靠近时，再采取提前躲避或远离雷雨云团的措施，能更加有效地减少或避免人身伤亡。

接收雷电预报信息，是一种低成本而又有效的预防方式。建议通过下载中国雷电APP，打开中国雷电APP后可查看全国雷电实时的雷电发生情况，及获得站场所在位置的未来2小时内雷电预报信息。可依据周边雷电活动情况及预报信息，制订适应的雷电安全应急预案，在2小时内组织人员撤离、进入建筑物躲避、暂停运营等。确保在雷雨云团来临时，人员有充足时间采取相适应的防御措施，确保站场内人员的人身安全。

5. 结束语

户外新能源充电站场是新能源电动汽车快速发展配套设施的新生产物，是公共充电基础建设的一部份，随着新能源电动车使用人数将呈几何级增长，未来几年户外新能源充电站场也将呈井喷式发展建设，其雷电安全防护须得到足够重视。现阶段建议采用建（构）筑物安装防雷装置与雷电预警防范相结合的措施来对新能源充电站场进行雷电的防御，进一步做好新能源汽车充电站场安全生产工作，保障站场设备和人身安全。

【参考文献】：

【1】：Martin A.Uman 2011 防雷技术与科学/银燕等编译 北京：气象出版社 164pp.

【2】：李良福，覃彬全 2014 雷电电弧放电效应及其危害机理研究北京：气象出版社 271pp.

【3】：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）.