上机房电梯控制系统雷击原因分析与防护

徐书璋, 徐雯娟

(马鞍山市气象局, 安徽 马鞍山 243000)



上机房电梯控制系统雷击原因分析与防护

徐书璋, 徐雯娟

(马鞍山市气象局, 安徽 马鞍山 243000)

从地闪密度、雷电流强度、建筑物年预计雷击次数方面分析了电梯所处电磁环境,讨论了上机房电梯常遭雷击的原因。当屋面避雷网受较强雷击时,电梯控制柜所处的磁场强度大大超出电梯控制主板所能耐受的最大磁场强度,致使控制主板损坏而引起电梯故障。提出上机房电梯间屏蔽和电梯机柜两点接地应是电梯防雷的必要措施。

电梯控制柜; 电磁环境; 屏蔽; 防雷装置; 电涌保护器

0 引 言

电梯作为高速、安全的垂直运输工具,在现代高层住宅、办公楼、宾馆和饭店中得到了广泛应用。每年雷雨季节,常有电梯因雷击而受损的报道。电梯机房处于建筑物的顶部,所处电磁环境恶劣,电梯的控制系统耐电磁脉冲水平低,一旦受到雷击很容易损坏。因此,做好电梯间电磁屏蔽对电梯防雷显得尤为重要。

1 电梯所处电磁环境分析

上机房电梯控制柜处于建筑物顶部凸出位置的机房内,受直接雷击的可能性大,电磁环境恶劣。

1.1 地闪密度

根据电梯间所在经纬度及安徽省雷电监测网的检测数据(2006～2010年),使用Surfer统计项目地5 km半径范围内的平均地闪密度Ng=7.16次/(km2·a)。项目地5 km范围地闪密度如图 1所示。

1.2 雷电流强度

根据上述资料,使用同样方法统计受损电梯所在地半径5 km范围内雷电流强度,得出5 km范围内平均雷电流大小为47.67 kA。雷电流幅值在0～50 kA的概率为66.87%,在50～100 kA的概率为17.11%,在100～150 kA的概率为11.29%,在150～200 kA的概率为3.31%,在200 kA以上的概率为1.42%,在229.4 kA的概率为1%。项目地5 km范围雷电流强度如图2所示。

1.3 建筑物年预计雷击次数计算

当建筑物高度小于100 m时,建筑物雷击等效面积Ae[1]为

式中:L、W、H——建筑物长、宽、高。

图1 项目地5 km范围地闪密度

图2 项目地5 km范围雷电流强度

当L=50.1 m、W=15.8 m、H=48.6 m时,该建筑物雷击等效面积Ae=35 201.5 m2。根据安徽省雷电监测网的检测数据,该建筑物所在地平均地闪密度Ng=7.16 次/(km2·a)。由马鞍山气象台50 a(1960～2010)雷暴日统计,市区平均年雷暴日Td=29.7 d。根据地闪密度公式Ng=0.1Td,得Ng=2.97次/(km2·a)。为了获得较合理的地闪密度,对算出的地闪密度作加权处理,则Ng=(7.16×5+2.97×50)÷55=3.35次/(km2·a)。该建筑物每年预计雷击次数为

N1=KNgAe

(2)

式中:K——校正系数,一般情况取1。

根据式(2)计算,该建筑物每年预计雷击次数N1=0.118次。

2 上机房电梯常遭雷击的原因分析

本文以受雷击电梯房为例,来分析上机房电梯受雷击的原因。电梯间实际平面图如图3所示。

图3 电梯间实际平面图

2.1 雷击建筑物屋面避雷网，电梯间内磁场强度的计算

图3中,电梯间实际面积为4.9 m×4.9 m,其中摆放电梯控制柜和曳引系统的机房面积为2.2 m×2.5 m。在直击雷防护方面,沿电梯间屋面四周和屋面女儿墙上明敷避雷网,整栋建筑物共设10根引下线,其中电梯间设有2根引下线(标有JD的位置)。高层建筑一般按三类建筑物设计防雷(少部分按二类设计)。三类建筑物拦截雷电流强度为16～100 kA[2]。

以最小16 kA雷电流击于屋面避雷网来计算在电梯间内距引下线不同距离的磁场强度。根据多根引下线的分流系数,每根引下线上所分流的电流为雷电流的0.44倍,通过的雷电流i0=7.04 kA。对于框架结构的电梯间,建筑物无屏蔽时的无衰减磁场强度为

(3)

式中:Sa——雷击点与屏蔽空间之间的水平距离。

电梯间磁场强度与引下线距离的关系如图4所示。

图4 电梯间内磁场强度与引下线距离的关系

GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》第5.2.3条规定:主机房和辅助区内磁场干扰环境场强不应大于800 A/m[3]。

从图4可以看出,16 kA雷电流击于建筑物屋面避雷网时,要求电梯控制柜内磁场强度小于800 A/m,控制柜至少要离引下线1.4 m以外;如果按磁场强度不大于191 A/m的要求,则电梯控制柜至少要离引下线5.9 m以外。如果雷电流大于16 kA,则要求控制柜离引下线距离更远。

2.2 雷击建筑物顶避雷网,电梯控制柜距屏蔽层安全距离的计算

当雷击建筑物顶部避雷网时,在格栅型屏蔽内部与屏蔽体有安全距离的安全空间有效[1]。距屏蔽体的安全距离d可按下列计算:① 当SF≥10时,d=wSF/10;② 当SF<10时,d=w。其中SF为屏蔽系数,w为空间屏蔽网格宽度。以上述建筑物为例,来计算建筑物顶部避雷网被雷击后距屏蔽体的安全距离。对于框架结构的电梯间,4根立柱内的钢筋和梁内钢筋均良好连接,则该电梯的格栅形屏蔽系数为

(4)

式中:r——格栅形屏蔽网格导体的半径,m。

将w=4.9 m、r=8 mm代入式(4),则SF=3.7。从计算结果看,在LPZ1格栅形屏蔽空间内(电梯间内),供安放电子设备的安全距离应是格栅的宽度,即距墙4.9 m。

由以上分析可知,由于电梯间面积狭小,在电梯间内找不到既能满足距引下线安全距离,同时又能满足距屏蔽层安全距离的位置安放电梯控制柜。因此,当屋面避雷网受较强雷击时,电梯控制柜所处的磁场强度大大超出电梯控制主板所能耐受的最大磁场强度,使电梯控制主板烧毁,电梯损坏。

3 电梯间防雷对策

GB 50174—2008第9.1.2条规定:对环境磁场强度达不到要求的电子信息系统机房,应采取有效的电磁屏蔽措施。对上机房电梯间防雷,除采用防直击雷、防电涌、电力线屏蔽和合理布线、接地外,还应采取电磁屏蔽措施。

机房电梯间的房屋设计一般采用框架结构,设两根引下线,应改成混凝土剪力墙结构,缩小屏蔽格栅。当采用直径φ16 mm钢筋做成格栅网格为0.1 m×0.1 m时,根据式(4)计算得屏蔽系数SF=32.79,则d=0.33 m。同时,将电梯机房的所有金属门窗接地,这样在建筑物被雷击时,由于电梯间剪力墙内钢筋的屏蔽作用,电梯间内磁场强度被大大削弱,只要将电梯控制柜安装在距剪力墙0.33 m外,就能满足控制柜对安全距离的需要。

为了满足控制柜内电梯控制主板对电梯间引下线安全距离需要,可通过改变控制柜的接地方式,将电梯控制柜柜体由原来的一点接地(一点接地只能防静电,起不到屏蔽作用)改成在控制机柜四周地面敷设均压环,控制机柜底部对角处设置2根接地线,长度相差20%,分别接于均压环上。这样柜体不仅有屏蔽作用,还能防谐振。当建筑物屋面避雷带受雷击时,控制柜柜体能很好地保护控制主板不受损[4]。

4 结 语

根据上述分析计算可知,只要有较强雷暴(雷电流强度大于16 kA)雷击屋面避雷网,在电梯间不采取任何屏蔽措施、控制柜不采用两点接地的情况下,电梯间内磁场强度、安全距离均不能满足控制柜内控制主板对安全运行环境的要求。在这种环境下,运行电梯控制主板很容易损坏。多年来,根据电梯损坏的雷灾调查结果显示,很多都是控制主板损坏而引起的电梯故障,从侧面证明了上述分析的正确性。因此,上机房电梯间屏蔽和电梯机柜两点接地是电梯防雷的必要措施。

[1] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012[S].

[2] 建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

[3] 电子信息系统机房设计规范:GB 50174—2008[S].

[4] 李如箭,李京校.城市轨道交通高架站雷击时磁场空间分布模拟[J].气象科技,2015,43(6):1173-1174.

Lightning Stroke Analysis and Lightning Protection of Top-mounted Elevator Control System

XU Shuzhang, XU Wenjuan

(Maanshan Meteorological Bureau, Maanshan 243000, China)

This paper analyzed the electromagnetic environment of elevator in aspects of lightning density,lightning current intensity,and estimating lightning stroke times per year of building. The lightning stroke reasons of top-mounted elevator were discussed.The magnetic field intensity of elevator control cabinet greatly exceeded the maximum magnetic field intensity which is the tolerance value of elevator control mainboard.The damage of elevator control mainboard results in elevator accident.The shielding of top-mounted elevator and the two-point grounding of elevator cabinet are the necessary measures of lightning protection of elevator.

elevator control cabinet; electromagnetic environment; shield; lightning protection device; surge protective device

徐书璋(1962—),男,工程师,从事雷电防护方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0032-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.009

2016-06-12

徐雯娟(1991—),女,从事雷电防御方面的工作。