电梯机房系统防雷设计

吴 勇

(上海恒究安全技术服务有限公司, 上海 201800)

0 引 言

随着城市的不断发展,建筑物集成化程度越来越高,电梯设备发生雷电故障的频率尤为突出。优化电梯机房系统的防雷设计是保障电梯设备安全运行的重要因素。本文以上海某高层住宅项目为例,从防直击雷设计、等电位设计、屏蔽设计、电源电涌保护器设计等方面,对电梯机房系统进行综合雷电防护措施,从而降低雷击对电梯设备的危害。

1 电梯机房防雷区的划分

以上海某高层住宅项目为例,该项目高层住宅楼的电梯机房设置在屋面,这固然方便了电梯运行,却极大地增加了电梯机房遭雷击的风险。按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]规定,电梯机房所处位置防雷区应被划为LPZ1区。电梯机房所处位置LPZ1区如图1所示。

图1 电梯机房所处位置LPZ1区

2 电梯机房防雷保护措施

2.1 外部防雷保护

为了保障电梯机房的安全,应该建立良好的外部防雷保护系统。这些系统主要包括接闪装置、引下线、接地装置等设施,以确保电梯机房外部的雷电电势不会对电梯机房造成损害。

接闪装置是指在电梯机房周围设置接闪杆或接闪带,以便将机房周围产生的雷电引向接闪杆或接闪带上,从而避免雷电直接冲击到机房造成损害。

外部防雷保护系统需要根据机房所属建筑物的防雷分类、机房的具体位置、建筑物结构,以及环境等多方面因素来设计。

2.1.1 接闪带

接闪带的设置是电梯机房外部防雷中的重要环节,其质量直接关系到电梯机房内电气设备的安全性和稳定性。在接闪带的设计中,应遵循以下原则。

(1) 接闪带的材料应选用优质的镀锌钢板或铜板,其截面积应符合要求,即不小于50 mm2。镀锌钢板和铜板都具有良好的导电和耐腐蚀性能,能够及时快速地传导雷电流。在上海两湾一宅飞地项目中,就选用25 mm×4 mm镀锌扁钢作为接闪带。

(2) 接闪带的安装应严格按照设计要求进行,接闪带的连接应牢固可靠,接闪带的搭接形式采用10 cm双面焊,敷设时保证接闪带应该平直,拐角处应处理成圆弧状,圆弧半径不小于20 cm,以防止雷电流的电动力作用对接闪带造成破坏,接闪带要有一定的机械强度,能抗住一定风力的冲击。

(3) 在布设接闪带时,应注意避免接闪带与其他管线的干扰和交叉,在接闪带(网)上禁止捆绑电源线或者信号线,以防雷击时发生感应使配电和电子信息系统遭受破坏。

2.1.2 引下线

现代智能化大楼一般都采用建筑物结构内的主筋作为引下线,向上延伸连接接闪带,向下与基础中的接地装置相连,上海两湾一宅飞地项目中的高层住宅楼就是这种设计。但电梯机房仅仅是建筑物屋面上的一小部分,因此,并不需要单独设置引下线,即共用建筑物的引下线。所以在实际施工中,只需要将安装好的接闪带与建筑物屋面上的接闪带相连即可完成接闪带与接地装置的相连。

2.1.3 接地装置

为了保障电梯机房的安全,电梯机房防雷接地系统在设计时应符合GB 50057—2010《建筑物防雷技术规范》中的要求。接地电阻应小于4 Ω,以确保电梯机房的接地效果良好。考虑到电梯机房设置在大楼屋面,接地装置与整个大楼共用,接地装置的接地电阻要求由最小值来确定,即接地电阻不大于1 Ω(设备保护接地的电阻值要求),满足机房的接地要求[1]。

2.2 内部防雷保护

为了确保电梯机房内部设备的安全运行,需要建立内部防雷保护系统,有效地保护设备免受雷击的影响。这种内部防雷保护系统可有效地降低电梯机房受到雷击电磁脉冲的风险,并且可以增强设备的稳定性和可靠性,同时保障人身安全。内部防雷保护系统是电梯机房的必要措施,主要包括等电位连接、屏蔽系统及电源系统的防护。

2.2.1 等电位连接

等电位连接是内部防雷系统不可或缺的一部分,其作用可以减少雷电流所引起的电位差。考虑到电梯机房是整个智能化大楼的一小部分,因此,只需要在机房内部设置局部等电位箱,利用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为等电位连接导体,暗敷于机房地板下,形成等电位连接网络,再将局部等电位接地端子与大楼总等电位相连即可。

2.2.2 屏蔽系统

屏蔽是指利用金属屏蔽体隔绝雷电流产生的电场和磁场,是建筑物防电磁干扰的基本措施。屏蔽系统对电梯机房内设备控制柜的安全和正常运行起到至关重要的作用,良好的屏蔽系统可以有效降低雷电电磁干扰和感应效应。

由于电梯机房所处环境的特殊性,一般电梯机房设在屋顶楼面(液压式电梯除外,高层住宅楼一般都采取曳引电梯),以上海两湾一宅飞地项目为例,屋面接闪带离设备控制柜距离约100 cm。因此,一旦电梯机房屋面接闪带某一点遭到雷击,那么产生的电磁脉冲是非常强大的,足以摧毁电梯控制板PLC电路,特别是I/O口,工作电平为0～5 V,耐脉冲电压为10 V。浙江瑞安、山东济南、上海某小区等众多雷击电梯事故均为电梯机房PLC控制板控制变频电机的I/O口被雷击损坏,造成电梯运行事故。

当雷击建筑物或房间无屏蔽时,将产生无衰减磁场强度,如公式(1)所示:

H0=i0/(2πSa)

(1)

式中:H0——无屏蔽时产生的无衰减磁场强度;

i0——最大雷电流;

Sa——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离。

雷击点与屏蔽空间之间的最小平均距离应按公式(2)计算。

(2)

式中:H——建筑物高度;

L——建筑物的长度;

R——滚球半径。

从式(1)～式(2)可看出,雷击建筑物产生的无屏蔽磁场强度与雷击点的距离成反比。由于电梯机房屋面的接闪带与控制柜之间的距离约100 cm,一旦遭受雷击,雷击点与机柜产生的电磁脉冲是十分强大的,又因大部分机房夏天考虑机柜通风、降温等因素,把机柜四周金属板打开,更少了一层电磁脉冲屏蔽阻挡。因此PLC电路板I/O极易损坏。

针对上述情况提出以下措施:

(1) 有条件的情况下,在电梯机房屋面四周安装独立接闪杆,让雷击点尽量远离控制机柜。在上海两湾一宅飞地项目中,在电梯机房四周设置了两根独立接闪杆,效果显著。

(2) 机房四周墙面采取六面体网状屏蔽措施。机房内采取在混凝土地面内设置60 mm×60 mm镀锌焊接钢丝网屏蔽层,四周的墙体采用外衬60 mm×60 mm镀锌焊接钢丝网屏蔽层,各个屏蔽网格间相互焊接连通形成闭合的六面屏蔽体。采用导电性能良好的防静电地板作为机房地板,使用良好的铝塑板作为机房墙面贴面,并使用无窗的金属屏蔽门。进出机房的电源线、信号线和传输线都要使用屏蔽层或穿金属管,布置线缆时要尽可能减小线缆自身的感应回路并有良好的等电位连接点,且均连接到接地基准点。

(3) 考虑到雷雨季节天气温度过高,在采取了无窗金属门及防静电地板等措施后,应在电梯机房内安装空调等降温设备,用以在7～10月份雷雨季节降低机房内温度,保证电梯及控制设备的正常运行。

(4) 在条件许可的情况下,可以在设备控制板上安装屏蔽盒以增强屏蔽效果。

(5) 在电梯控制板及各楼层控制板、PLC电路板I/O安装TVS管(瞬变二极管)。

通过这些层层防护,才能确保雷雨季节电梯运行的可靠安全。

2.2.3 电源系统的保护

大多数雷击损坏电梯机房设备的事故是因为雷电流从供电线路侵入而破坏电子设备的,对于这种危害,最好的防护措施就是安装浪涌保护器(SPD)。SPD的工作原理是:在电源线路无电涌时,SPD处于高阻抗状态,不会影响线路的正常工作;当电涌侵入线路时,SPD表现为低阻抗,电涌电流通过SPD泄放到大地,把电压限制在其保护水平,同时熄灭可能出现的工频续流,恢复高阻抗。

依据电梯机房的重要性、使用性质以及价值可以判定其雷电防护等级为D级。因此,电源系统的一级防护:第一级防护SPD的类型可以选择限压型、开关型或复合型SPD,以金属氧化物压敏电阻为核心的限压型SPD可以达到最好的防护效果。配电房的总配电箱选用限压型SPD,测试波形为10/350 μs,SPD的电压保护水平Up为4 kV,最大持续运行电压为385 V,冲击电流参数为10 kA。在总配电箱中将选用的SPD接在L1-PEN、L2-PEN、L3-PEN线之间,在接地端使用BV-16 mm2的黄绿铜芯线接到配电箱的接地汇流排上,注意连接导线长度不能超过0.5 m,且尽可能保持平直。电源系统的二级防护:由于雷电流通过第一级SPD之后,过电流得到初步抑制,能量减少,所以第二级SPD选用限压型,测试波形为8/20 μs,电压保护水平Up<2.5 kV,最大持续工作电压为385 V。在其他楼层的分配电柜中将选择的SPD接在L1-PE、L2-PE、L3-PE、N-PE之间,连接接地端子时选用BV-16 mm2黄绿铜线。电源系统的三级防护:雷电流在通过第二级SPD后,能量进一步衰减,在机房等的配电箱设置的第三级SPD,使用限压型,电压保护水平Up<1.5 kV。具体安装位置与第二级SPD的安装类似,连接接地端子的黄绿铜线选择相同的BV-16 mm2。

SPD安装示意图如图2所示。由图2可知,各级SPD均并联到线路中,并连接到相应的等电位端子板上,同时各级SPD要与相应的熔断器配合使用,防止因SPD老化而造成的线路故障。SPD冲击电流和标称放电电流参数值如表1所示。220/380 V三相配电中各设备的冲击电压额定值Uw如表2所示。SPD连接导线最小截面积如表3所示。SPD的相关参数均要符合表1～表3的要求。为了达到最佳的保护效果,SPD的连接导线必须尽可能短。在SPD的安装过程中,要注意连接导线是否符合表3的要求,安装时要尽量保持导线的平直,同时连接长度不能超过0.5 m,若连接长度不能符合要求,则要相应地加粗连接导线。

表1 SPD冲击电流和标称放电电流参数值

表2 220/380 V三相配电中各设备的冲击电压额定值Uw

表3 SPD连接导线最小截面积

图2 SPD安装示意图

电梯机房内的电源SPD属于图2中所示的第三级防护,应当使用Up不大于1.5 kV的限压型电源浪涌保护器。

3 结 语

综上所述,电梯机房防雷设计是电梯设备安全运行的保障之一。在电梯机房防雷设计中,应根据其所处的防雷区,建立外部和内部防雷保护措施。从绝大多数的电梯雷击事故分析得知,主要是感应雷击造成电梯的故障,因此,应重点加强对感应雷的防护,综合采取屏蔽、接地、等电位连接、安装SPD等措施。同时,应周期性检查防雷系统是否完好,特别是在雷雨季节前要重点检查机房内各个电气设备与等电位连接箱之间是否连接完好,配电箱内浪涌保护器是否正常运行。