电梯的雷电防护技术研究

陆明明,薛风国,杨 军,周长明,齐海超,严 肃,陈 亮

(1.黑龙江省气象灾害防御技术中心,黑龙江 哈尔滨 150030;2.黑龙江省气象数据中心,黑龙江 哈尔滨 150030;3.伊春市气象局,黑龙江 伊春 153000)

1 引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，电梯作为高效率的垂直起降运输工具，越来越普及。电梯一般由楼顶电梯机房、运输井道、轿厢、地坑以及楼层站组成，属于比较复杂的综合机电产品[1-2]。雷电灾害作为常见的自然灾害，在夏秋季节极其频发[3]。因此雷雨季节极易发生因雷击造成的电梯故障，包括控制系统故障、零件损坏等，存在较大安全隐患。

研究电梯的防雷技术需要结合电梯技术和防雷技术两个完全不同的领域，因此国内防雷专家在电梯方面的研究较少。许乾波等研究了一起高层电梯雷击灾害事故的根源，通过安装电涌保护器等措施提高了电梯雷电防护能力[4]。俞利信等分析了建筑上机房电梯的雷击原因，提出一系列防雷措施[5]。黄永坚等将防雷标准和电梯结合，总结了雷击损害电梯的方式[6]。高绍忠针对近年来老旧小区加装电梯的现象，归纳出加装电梯的各项防雷措施[7]。

本文旨在分析雷电对电梯造成损害的原因以及损害的形式，针对性的提出相应的雷电防护措施，并借此引起人们对电梯防雷领域的重视，提高电梯的雷电防护水平，进而尽量降低雷电灾害对电梯造成的损坏和安全隐患。

2 电梯易受雷击损害的原因

通过分析电梯遭受雷击损坏的各种案例，从电梯的构成元件、布局位置等方面总结出以下几个原因：

(1)电梯的组成系统较为复杂，尤其控制系统是电子信息系统集成化程度较高的设备，耐受雷击能力较低。雷击后产生的过电流和过电压侵入后，脆弱的电子元件设施极易损坏。

(2)电梯机房绝大多数设置在高层建筑的顶层，受直接雷击概率较高，且极易遭受雷电电磁脉冲的影响，因此电磁环境较差。

(3)公众对电梯防雷的重视不够，电梯防雷措施不完善，尤其近些年老旧小区加装外设电梯的防雷设施不到位。

3 电梯遭雷击的损害形式

3.1 直接雷击

电梯位于楼顶的机房设施直接被雷电击中称为直接雷击。此时，被雷电击中的机房设施被瞬间注入巨大电流，并产生过电压。直击雷造成的热效应和机械效应会使得机房设备产生极高温度，损坏或烧毁机房内的机柜、配电箱、电机等设备，甚至引发火灾。

3.2 闪电电涌侵入

雷电击中电梯附近的架空线路、金属管道等设备，闪电电涌通过线路或管道进入电梯设备称为闪电电涌侵入。闪电电涌电压可达千伏级别，远高于电梯设施的耐压值，导致其因过电压损坏。同时千安级别的雷电过电流通过电梯内部线路，传输到电梯机房的控制系统设备以及各种电子元器件，造成设备的严重损坏。

3.3 雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲是指雷电击中电梯建筑物附近，形成强烈变化的电磁场，电梯的金属线路和管道上受到雷电电场的辐射电磁脉冲现象。电梯的机房控制设备和井道金属缆绳等被雷电电磁场严重干扰，导致控制系统损坏，信号传输中断，容易出现显示器乱码，甚至轿厢停止运行的后果。

3.4 反击

雷电直接击中建筑物楼顶接闪带时，建筑物引下线会瞬间通过强大的雷电流脉冲，通过建筑接地装置泄放入地，此时接地装置中产生上百千伏的瞬时过电压。如果电梯线路和管道金属导体的接地电阻不符合规范要求，可能在接地装置和电梯的各种供电线路和通信线路上发生闪络现象，形成雷电反击，进而造成电梯设施的损坏。

4 电梯的雷电防护技术

通过分析电梯遭雷击的多种损害形式，应采取针对性的措施进行有效防护，才能切实降低雷击电梯造成的损失。

4.1 直击雷防护措施

电梯机房一般设置在高层建筑的顶层，作为建筑物的组成部分，其直击雷的防护应与建筑物本身的直击雷防护措施统筹考虑。建筑物天面安装的接闪带应与电梯机房顶端的接闪带有效连接，形成接闪网络。接闪带的选型应为直径＞15 mm的热镀锌圆钢，在机房顶部明敷设置，并每隔1 m设置支架。机房的引下线可利用建筑物内钢筋，与建筑物引下线做好连接。机房的接地装置与建筑物共用自然接地体，将电梯机房设备融入建筑物，形成完整统一的防直击雷综合体。

4.2 等电位连接措施

将电梯的金属轿厢、导轨、设备金属外壳、电缆屏蔽层、金属门等所有金属设备和金属导体，与接地系统做良好电气连接，形成等电位连接网络。当产生雷电感应或者发生闪电电涌侵入时，等电位连接系统会使得各金属部件之间的电位差较低，从而减小雷电流对电梯设备的损害。

4.3 屏蔽措施

如图1所示，电梯机房一般位于建筑顶层，在接闪器的保护范围之内，按照防雷区划分规范应划分为LPZ0B区，该区域一般易遭受直接雷击，但容易受到雷击电磁脉冲辐射的影响。对电梯采取屏蔽措施可有效衰减雷电产生的雷击电磁脉冲，减轻强电磁场造成的影响。可以利用建筑物本身的钢筋结构作为电梯机房和电梯井的初级屏蔽，有条件的情况下在电梯机房外墙敷设防电磁材料。采用可反射、甚至能吸收电磁波的屏蔽材料制作敏感设备的金属柜，并将电梯的控制柜等金属柜体设置在机房中心部位，远离墙壁和引下线的位置。供电线路和信号线路分开布设，保障安全距离，合理布局，并尽量敷设在金属管线槽内。同时将金属线槽和电缆的金属屏蔽层等在入户处做好等电位连接，首尾处两端接地。通过多种屏蔽措施相结合，减小电磁强度，有效降低感应雷和雷击电磁脉冲对电梯设备造成的干扰。

图1 电梯机房的防雷区示意图

4.4 限制过电压措施

电梯的交流供电线路是其产生动力的来源，信号线路是电梯控制系统网络。限制过电压的保护措施主要是在电源线路和信号线路安装浪涌保护器（SPD），使得线路上的浪涌过电流通过SPD迅速泄放入地，从而将线路上的电压控制在设备耐受安全范围内。SPD的设置应按照图2所示进行三级安装。

图2 电梯的三级SPD安装示意图

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343—2012），可在建筑物总配电箱处安装10/350 μs波形的Ⅰ类试验SPD或者8/20μs波形的Ⅱ类试验大电流SPD作为第一级防护。在电梯配电箱前端设置一组8/20μs波形的Ⅱ类试验SPD作为第二级防护。做好两级防护的电源线路可对电梯的电机、轿厢开闭门设备等进行供电。在电梯的控制系统、通信系统等重要电子元件设备的前端仍需设置第三级SPD作精细化保护。同时在通信线路上加装信号电涌保护器，保护通信系统。做好SPD的合理选型，综合考量其接地线线径、导线长度以及被保护物的设备耐受电压额定值等因素，最大化地实现各级SPD之间的能量配合。有条件的情况下，可安装带有在线监测功能的SPD，可随时远程监控SPD的劣化状态，便于日后的维护保养，及时更换。

4.5 定时开展防雷检测

通过新媒体等途径加强雷电灾害科普宣传，提高公众对雷击造成电梯损害的重视程度。使用单位应提高对雷电电梯设备危害的认识，建立健全管理和应急制度，加强电梯防雷设施的管理和日常维护。在每年的雷雨季节来临之前，联系专业的防雷检测机构，定期开展建筑物及电梯设备的防雷检测，及时查找存在的雷灾安全隐患，并进行相应的整改，完善防雷措施。

5 总结

综上所述，雷电灾害对电梯造成的损害是多方面的，公众应该提高重视程度。做好电梯的雷电防护，需要针对雷电灾害的表现形式，通过将直击雷防护、等电位连接、屏蔽、限制过电压、定时开展防雷检测等措施有机结合，层层设防、互相补充，与建筑物构成完整的防雷综合体，才能有效提高电梯防雷技术，降低雷电灾害对电梯造成的损失和影响。