高层建筑物电梯综合雷电防护技术探讨

许乾波

（福建省特种设备检验研究院，福州 350008）

0 引言

2017 年8 月6 日19 时左右，福州仓山区洪塘支路园亭新村居民小区遭受雷击，此次雷击造成3-5 号楼内1台电梯控制柜内的变频器、开关电源、控制主板损坏，损失经济达10 万元。事故说明，现代电梯除具有传统的电力拖动功能外，还具智能化控制功能，智能电梯系统由计算机、通信设备、处理设备、控制设备、人机互动等智能化电子设备构成，也需要具备防雷要求［1-3］。防雷要求应符合现代智能化建筑物电子信息系统的雷电防护标准《建筑物防雷设计规范》、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》要求［4-5］。但是目前电梯机房及井道的空间结构位置无法满足《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的“电子信息系统设备机房宜选择在建筑物底层中心部位，其设备应远离外墙结构柱”要求。电梯机房突出建筑物屋面，易遭受雷击，雷电流经机房屋顶的明敷接闪带、机房柱内钢筋及井道柱内钢筋分流入地时产生的高电位会对机房及井道内的电子系统设备或线路产生闪落和反击危害。

20 世纪90 年代随着国际电工委员会IEC62305 雷电防护系列标准的引入，国家住建部出台了首部雷电防护技术的国家标准GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》，标准规定了建筑物遭受直接雷击的外部防雷措施。并于2000 年进行第一次修订，于2010 年重新修订实施，增加了防闪电电涌侵入措施、防闪电感应措施和防雷击电磁脉冲措施。后来随着现代智能化建筑物的普及，于是国家住建部于2004 年出台了针对现代智能化建筑物电子信息系统的雷电防护标准GB50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，并于2012 年重新修订实施，标准规定了通信接入网和电话交换系统、信息网络系统、安全防范系统、火灾自动报警及消防联动控制系统、建筑物设备管理系统、有线电视系统、移动通信基站、卫星通信系统等电子信息系统的防雷技术规范要求，很遗憾此次修订仍没有现代智能化电梯控制系统的防雷技术规范要求。

随着近年来城市高层住宅的增加，高层电梯遭受雷电灾害案例也逐年增加，电梯的雷电防护概念才引起了相关行业的专家学者们的重视，开始研究雷电防护技术应用于电梯。目前，国内地方气象部门也开始进行电梯雷电防护技术研究，如湖南省气象局出台了《电梯防雷技术规范》DB43/T1085—2015、福建省气象局出台了《民用建筑物加装电梯防雷保护技术规范》DB35/T1606—2016、广西省气象局出台了《电梯防雷装置检测技术规范》（DB45/T 1693—2018），由于气象部门不是电梯安全监管部门，其出台的电梯防雷技术标准只能作为参考。然而，由于国内电梯制造安装安全监督检验行业专家学者们对电梯雷电防护技术的还未形成一个统一的共识，导致目前电梯从制造安装均没有采取雷电防护措施，如国内电梯行业的制造安装、监督检验管理部门出台的GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》（含第1、2 号修改单）、GB 50310-2002《电梯工程施工质量验收规范》、TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则-曳引与强制驱动电梯》（含第1、2 号修改单）等电梯技术标准仍没有涉及电梯雷电防护技术规定，无法为电梯制造安装及监督检验单位提供技术支持依据。

本文基于电梯雷击灾害调查及防护技术的研究，分析电梯可能存在的雷击风险，为了保障完善电梯综合雷电防护功能，提出从设计原则和在机房和井道内的加强防雷措施，保障电梯在雷雨季节恶劣气象条件下仍能安全可靠运行。

1 设计原则

现代建筑物综合防雷措施包括建筑物外部防雷措施和建筑物内部防雷措施。外部防雷措施由接闪器、引下线、接地装置组成，内部防雷措施由防雷等电位连接和与外部防雷装置的间隔距离及电涌保护组成［6-7］。

根据近年来电梯雷击事故案例分析，雷击电磁脉冲是造成电梯电气和电子系统设备雷击事故的主要原因［8-9］。因此，安装有电梯的高层建筑物的综合防雷设施应增加电梯防雷击电磁脉冲措施［10］。高层电梯综合防雷系统应包括建筑物外部防雷措施和内部电梯防雷措施，由建筑物主体结构的接闪器、引下线、接地装置、电梯空间屏蔽、设备屏蔽、安全隔离、等电位连接、合理布线、浪涌保护等措施构成高层电梯综合防雷系统（图1）。

图1 高层电梯综合防雷系统

2 电梯机房及井道外部防雷措施

2.1 接闪器

根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）规定突出建筑物顶层屋面的电梯机房（无机房井道）屋面应设接闪杆、接闪带（网）保护，接闪带等接闪器应沿机房屋面周边明敷布置，并与建筑物顶层屋面接闪带等明敷接闪器连接。电梯机房（或无机房电梯井道）屋面明敷接闪器禁止与机房及无机房井道的钢筋混泥土墙体内梁柱内钢筋焊接［11-13］。

为了减低雷击电磁脉冲对电梯机房井道内电气电子设备危害，机房及井道的外部防雷措施应增加空间屏蔽措施，对于超高层建筑物为保护突出建筑物屋面的电梯机房或井道不会遭受直击雷（即不会成为闪击点），应在建筑物屋面设置独立接闪杆（俗称避雷针）保护突出屋面的电梯机房或井道，独立接闪杆与机房最近外墙水平距离不得小于1 m，且独立接闪杆的接地连接线应与建筑物主体结构外墙屋面接闪带连接，不得与电梯机房屋面接闪带及墙体结构梁柱及剪力墙钢筋连接（即不让雷电流通过电梯机房及井道结构墙体钢筋流入泄放入地）。

2.2 引下线

电梯机房及井道墙体内的结构梁（或柱）内钢筋不得作为专用防雷引下线。机房屋面敷设明敷接闪器（接闪杆或接闪带）不得与机房及井道内结构梁（或柱）及剪力墙内钢筋连接。

2.3 接地装置

利用建筑物接地装置。建筑物接地装置就是利用建筑物地基埋地的竖直桩基、水平地梁内钢筋焊接等组成基础接地网。

2.4 空间屏蔽

机房和井道建筑结构空间屏蔽措施。应利用暗敷建筑混泥土结构柱梁、楼板及剪力墙内的钢筋、金属门窗等自然金属部件与防雷装置连接构成格栅型屏蔽空间，形成一个法拉第立体格栅屏蔽空间（图2），能对外部侵入的雷电电磁脉冲形成初级屏蔽，使之受到一定程度的衰减，从而有助于减缓对机房内部控制柜屏蔽要求的压力［14-15］。电梯机房空间屏蔽格栅网格宽度越小，屏蔽效果越好，控制柜与墙体屏蔽体安全距离越小。经计算，建筑结构剪力墙钢筋网格格栅宽度不大于0.15 m时，电梯控制柜与剪力墙的安全距离应大于等于0.53 m。

图2 机房空间立体格栅屏蔽

2.5 空间屏蔽

电梯作为建筑物内贯通底层至顶层的垂直机电设备，需要将防雷接地、低压配电保护线接地、等电位连接带接地、电气设备保护接地、屏蔽体接地、电子系统功能性接地等连接到建筑物接地装置一起构成共用接地系统。

3 电梯机房及井道内部防雷措施

3.1 设备屏蔽

（1）综合屏蔽措施。为减少雷击电磁脉冲产生的浪涌，应综合使用“机房和井道建筑结构空间屏蔽、设备屏蔽、线缆屏蔽”等措施。

（2）机房和井道建筑结构空间屏蔽措施。应利用其暗敷建筑混泥土结构柱梁、顶板和底板及剪力墙内的钢筋、金属门窗等自然金属部件与防雷装置连接构成格栅型大空间屏蔽。

（3）设备屏蔽措施。控制柜等电子信息设备应利用其金属柜体做屏蔽体，安装位置宜安装在机房中心位置，远离机房及井道建筑结构柱及剪力外墙。

（4）线缆屏蔽。连接控制柜与轿厢的信号随行电缆应采用屏蔽线缆，连接控制柜与各层站外召控制板的信号线缆应敷设在金属线槽或采用屏蔽线缆。金属线槽内应将强弱电线路分槽敷设，线缆两端金属屏蔽层应就近与连接设备的金属体连接。

3.2 安全隔离

控制柜安装位置宜安装在机房中心位置，或远离机房及井道建筑结构柱及剪力外墙。控制柜屏蔽体与机房空间格栅型屏蔽墙距离dw和屋顶距离dr的最小安全距离值安全距离（见表1）。

表1 控制柜屏蔽体与机房空间格栅型屏蔽墙距离dw和屋顶距离dr的最小安全距离值

可见，当机房空间屏蔽网格为剪力墙网格宽度W≤0.15 m时，机房内控制柜与机房剪力墙安全距离dw≥0.53 m，控制柜与机房顶板安全距离dr≥1.724 m；机房空间屏蔽网格为剪力墙网格宽度w越小，控制柜与机房空间格栅型屏蔽墙和顶板安全距离越小。

3.3 等电位连接

（1）机房和井道内电气和电子设备应采用S 型星形等电位连接结构作等电位连接，S 型星形等电位连接结构：即是机房及井道内所有设备的接地点都连接到同一接地基准点（即将机房内的电梯驱动主机及其支持金属架和井道内所有竖直金属导轨之间电气连接作为机房和井道的等电位连接结构的接地基准点，所有导轨底端应与电梯井道底坑预留接地点连接）；

（2）机房内驱动主机机架、控制柜柜体、电源总配电箱箱体、电梯主开关箱箱体、屏蔽线缆线槽金属外层、电子设备防静电接地端、安全保护接地端、功能性接地端、浪涌保护器接地端等均应以最短距离与S 型结构的接地基准点连接。

（3）井道内各层站的层门金属体、外召按钮板金属外壳、电子设备防静电接地端、安全保护接地端、功能性接地端、浪涌保护器接地端、底坑限速器张紧轮等均应以最短距离与S型结构的接地基准点连接。

（4）机房等电位连接材料规格要求：

①局部等电位端子板（排）与总等电位连接的连接导体（机房专用垂直接地干线）的材料规格：多股铜芯导线或铜带，截面积≥50 mm2；

②局部等电位端子板（排）的材料规格：铜带，截面积≥50 mm2；（3）设备与局部等电位端子板（排）的连接导体的材料规格：多股铜芯导线，截面积≥6 mm2；

（5）井道等电位连接材料规格要求：

①井道局部等电位垂直接地排与井道底坑预留接地排连接的连接导体的材料规格：多股铜芯导线或铜带，截面积≥50 mm2；

②局部等电位端子板（排）的材料规格：铜带，截面积≥50 mm2；

③设备与局部等电位垂直接地排的连接导体的材料规格：多股铜芯导线，截面积≥6 mm2；

3.4 合理布线

（1）线缆敷设。电子信息系统线缆宜敷设在金属线槽与金属管道内，宜靠近等电位连接金属部件敷设，不宜贴近机房及井道的空间屏蔽建筑结构的外墙。

（2）线缆电磁感应环路面积。应尽量减小线缆敷设的电源线和信号线形成的电磁感应环路面积。

（3）电子信息线缆与防雷引下线（或机房井道空间建筑结构柱梁及剪力墙的暗敷钢筋）安全距离。最小平行净距1 000 mm，最小交叉净距300 mm。

（4）电子信息线缆与保护地下线安全距离。最小平行净距50 mm，最小交叉净距20 mm。

（5）电子信息线缆与380 V 电力电缆安全距离。平行敷设最小间距130 mm，有一方在接地的金属线槽或钢管中最小间距70 mm，双方都在接地的不同金属线槽或钢管（同一线槽应有金属板隔开）中最小间距10 mm。

3.5 浪涌保护

（1）电源电涌保护器的选型。

①最大持续工作电压UC：相线与N 线（PE 线）间应不小于1.15U0（U0为220 V），N线与PE线间应不小于1.15U0；

②电压保护水平Up和标称放电电流In。

（a）电梯建筑物入户电源总配电箱处应设置：I类试验T1，Up≤6.0 kV，Iimp≥12.5 KA；或II 类试验Up≤6.0 kV，In≥50 kA的电涌保护器；

（b）电梯机房配电箱的前端分配箱处应设置：II 类试验T2，Up≤4.0 kV，In≥20 kA的电涌保护器；

（c）机房配电箱处应设置：II 类试验T2，Up≤2.5 kV，In≥3 kA的电涌保护器；

（d）在控制柜的电源入口端宜设置：II 类试验T2，Up≤1.5 kV，In≥3 kA的电涌保护器。

（2）电源浪涌保护器的安装。

①机房电源总配电箱与控制柜的电源线路长度小于5 m时，两级浪涌保护器之间（在控制柜电源入口端）应加装退耦装置；

②浪涌保护器连接导线应短直。进出连接线总长度不宜大于0.5 m；安装在机房电源总配电箱内浪涌保护器的相线和N线的铜导线截面积≥4 mm2，PE 线的铜导线截面积≥6 mm2；安装在控制柜电源入口端的浪涌保护器的相线和N线的铜导线截面积≥2.5 mm2，PE 线的铜导线截面积≥4 mm2；

（3）电源浪涌保护器的过电流保护装置和劣化显示功能。电涌保护器前端应安装过电流保护装置防止浪涌保护器老化损坏出现短路；浪涌保护器模块应有劣化显示功能，当损坏时显示提醒用户更换（一般浪涌保护器每个模块劣化显示：绿色或白色为正常，红色为损坏）；

（4）信号浪涌保护器安装。连接控制柜与轿厢的随行电缆宜在随行电缆两端信号线路接口安装信号浪涌保护器，连接控制柜与各层站外召信号线缆宜在两端信号线路接口安装信号浪涌保护器。由于电梯信号控制线路均在机房和井道内，且电梯有完善的综合防雷系统，控制和信号线路上的闪电感应浪涌电压及电流不会击穿电子元件，线路上无须安装信号浪涌保护器。

4 结束语

本研究课题立足于提高高层建筑物电梯雷电防护能力，从电梯机房及井道的土建结构设计施工、电梯供电电源的设计施工，到电梯产品的设计、现场安装，建立一整套完善的高层建筑物电梯综合防雷设计方案，在源头上完善电梯的雷电防护措施，保障电梯在恶劣雷电气象条件下能够安全可靠运行。同时，本研究课题有助于GB 75888—2003《电梯制造与安装安全规范》（含第1、2 号修改单）、GB 50310—2002《电梯工程施工质量验收规范》等电梯相关技术规范的起草单位能重视电梯雷电防护要求，在修订技术标准规范时，增加电梯雷电防护技术要求。