电动汽车充电桩的雷击风险与防护*

张世谨，仇 健，卢志红

(1.贵州省黔南自治州气象局，贵州 都匀 558000；2.广东省珠海市公共气象服务中心，广东 珠海 519000；3.广东省河源市气象局，广东 河源 517000)

1 引言

近年来，随着国家经济的快速发展，化石能源供需矛盾和环境压力日益突出，以电动汽车为代表的新能源汽车产业得到了快速发展[1-3]。同时，作为产业配套设施之一的汽车充电桩建设亦如雨后春笋般在各地涌现。根据中国汽车工业协会公布的数据显示，截至2017年底，我国已建成公共充电桩21万个，市场规模位居全球首位。当前，大多数的充电桩集中建设在一二线城市的各类露天停车场，如果其未采取有针对性的防雷措施，易遭受雷击，轻则损坏个别充电桩内部电子系统，导致充电服务中断；重则可在电网中形成干扰波动、导致多台充电设备和正在充电的汽车内部电气电子系统一并损坏，造成重大经济损失甚至人员伤亡。因此，如何确保充电桩的防雷安全，是设计单位、生产企业和广大防雷技术人员应当着重思考、解决的问题。

2 充电桩系统的结构组成、工作原理及其雷击风险

充电桩在功能上类似于汽车加油站里面的加油机，按安装方式可分为落地式和挂壁式两种，可安装于专用充电站、公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)、居民小区停车场内。其结构一般由桩体、电气模块、计量模块3部分组成[5]。

由于充电桩的安装环境、技术要求等存在差异，其在雷电影响期间可能面临着不同的雷击风险。

2.1 直击雷

目前，市场上安装的落地式充电桩一般高度均不超过2 m但桩体外壳多采用金属材质，当充电桩安装于空旷平坦的露天场地时，因其金属体良好的导电性能，更容易产生向上的先导放电，遭受直接雷击的概率将大大增加。直击雷产生的巨大雷电流可在桩体外壳与内部构件或外壳与周边人员、物体之间形成很高的电位差，同时在雷击点附近产生急剧的温升从而引发火灾，造成充电设施损毁，危及附近的人员安全。

2.2 闪电感应

安装于户外的金属充电桩体，如果桩体金属外壳未作接地处理或接地不良时因闪电感应将产生瞬间的高电位，可对桩内元器件、周边人员安全产生威胁；同时，雷云在充电桩附近产生放电时，由于雷电流的迅速变化可在闪电通道周边空间产生瞬变的强电磁场，使桩体有关构件感应出很高的电动势，对内部金属元器件或环路开口中产生危险的火花放电，常常使充电桩内部耐压水平较低的微处理器或集成电路等击穿损坏。

2.3 闪电电涌侵入

无论是落地式或壁挂式的充电桩，均有电源进线及各种通信线路(无线通信除外)与BMS系统、集中器、服务管理平台进行连接。一般充电桩的建设多以组为单位，当采用有线以太网、工业串行总线的连接通信方式时，可实现数据可靠传输，但终端连接到子站、主站的各种线路不仅连接节点多且分散、覆盖面广、通信距离长、布线复杂，这无疑为雷电流的传导提供了更多可能的入侵途径。雷电波可能沿着这些互联线路侵入充电桩，严重时可造成多台设备同时损坏，使受灾面积由点向面大大扩展，并危及人身安全。

2.4 雷击电磁脉冲

雷电流通过电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应，可导致充电桩人机交互装置及内部电气模块、计量装置、通信接口等各组件及相关线路耦合产生感应电动势，在元件开口两端产生不可承受的过电压或在环路上产生过电流，使元件击穿或线路烧毁。雷电波的频谱较宽，当雷击产生的电磁波频率与正常的无线数据信号波段重叠时，将可能导致DTU耦合接收到雷击产生的强电磁场干扰信号，甚至损坏DTU。

3 充电桩防雷措施

3.1 科学选址，合理规避雷电高风险区域

据有关研究表明，雷电活动具有明显的地域分布特征[6]；受城市下垫面形态、大气离子浓度、水汽及通风廊道等因素影响，即便在同一个城市，雷电活动也有所不同，有些局部地区的雷击要比邻近地区多得多。因此，无论是原有场地改建或是独立占地建设，都面临充电桩建设站场的选址问题。

投资建设主体在充电桩选址或编制有关建设规划方案前，应对拟建站场周边建(构)筑物防雷装置的安装情况进行调查，并应符合以下条件：一是尽可能避开高层建(构)筑物密集且年预计雷击次数相对较高的区域；二是远离高压架空电力线路走廊及其高耸的铁塔；三是所选场地周边建筑物高度相对较低或高度相差不大，且安装有防雷装置保护。当不可避免需要在上述雷电高风险区域建设充电桩时，亦可适当提高雷电防御等级，增加防护措施，以减少雷灾事故的发生。

3.2 防雷分类的确定

独立建设的充电设施应至少按文献[7]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尚应采取防闪电感应的措施。

3.3 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。当充电桩地处效区旷野独立建设时，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。该顶棚应至少按文献[7]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(LPZ0A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2 m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。

图1 单栋建筑物的直击雷保护范围示意图 图2 两栋及以上建筑物组合的直击雷保护范围示意图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0.03 Ω，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。

3.5 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。安装在户外的充电桩通常暴露在LPZ0区内，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[8]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15 m；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。

当必须采用侧进式布线和普通绝缘护套的非屏蔽线缆时，应将线缆穿金属管或金属线槽屏蔽，按上述方式做好两端接地并确保屏蔽体各部分之间具有可靠的电气贯通。

3.6 防线路电涌过电压

当充电桩采用TN系统三相电源供电时，为避免正常的负荷电流经PE线或与PE线有连接的导体流动，保障充电桩正常运行安全，给充电桩提供的低压电源应采用TN-S接地型式。

为降低设备遭受雷击过电压或过电流冲击损坏的风险，在设备的信号线路前端亦应安装与之相配套的信号SPD。对于采用金属线引入的，应在设备前端加装D1类高能量试验类型的SPD，其短路电流应不小于1.5 kA(10/350 μs)。对于采用光缆的，应安装B2类慢上升率试验类型的SPD，其短路电流应不小于75A(5/300 μs)。

除选择合适的SPD类型、参数外，SPD的安装工艺尤其重要。为降低SPD动作时产生的残压，要求SPD采用凯文接线方式，SPD两端接线总长度不应大于0.5 m。

3.7 采取共用接地系统

充电桩防雷接地、电气设备的工作接地、保护接地应共用接地系统，其接地电阻值不宜大于4 Ω。同时，应当注意共用接地装置的布置形式和尺寸。

对于在空旷场地独立建设的充电桩，当基础埋深大于0.5 m时，应充分利用其基础底部钢筋，并辅以若干人工接地体围绕桩体混合组成环型接地装置；成组制安装的各充电桩单体之间接地体应不少于两处相互连接形成闭合网格状。当与基础钢筋相连接时，埋于土壤中的人工接地体材料宜选用铜质、镀铜或不锈钢导体，以减少导体的电化学腐蚀。此外，应尽可能加大人工接地体的深埋，并同时适当缩小网格尺寸，以均衡雷电流泄放入地瞬间产生的地表电位差，减少跨步电压危险；当条件限制时，可在地表敷设5 cm厚的沥青层或15 cm厚的砾石层。

对于建在城区的露天充电桩，当附近有已安装防雷装置的建(构)筑物或充电桩与之有电气、电子系统线路连通时，应将充电桩接地装置通过不少于两处连接导体就近接入该建(构)筑物防雷接地装置。人工接地导体的安装要求同上。若充电桩安装在户内，可直接连接到经检测合格的建筑物主体防雷接地装置。

3.8 做好科学管理和日常维护

要做好充电桩的防雷工作，在管理上应予以重视。一是应将防雷设计图委托防雷专业技术部门审查合格后，方可投入施工。在防雷装置施工期间应当做好隐蔽工程的质量检测。直至竣工检测合格后，方可投入使用。二是完善运营期间的管理制度和维护措施[10]，加强日常巡检和隐患排查，一旦发现隐患应当及时整改，以策安全。三是应加强与当地气象部门的合作，及时获取充电桩站点所在区域的雷暴预警信息，提前做好防御措施，如雷雨天气临近时，可暂停充电服务。

4 结束语

充电桩是当今新能源电动汽车快速发展的配套设施产物，面临着防雷等诸多技术问题有待研究。本文从充电桩的工作原理及其遭受雷击的风险进行分析，有针对性地提出了从规划选址、防直击雷、防闪电感应、防雷电波侵入和防雷击电磁脉冲以及运营管理等多方面进行综合防雷的解决办法，以期抛砖引玉，为同行提供参考。