高層建筑物電梯綜合雷電防護(hù)技術(shù)探討

許乾波

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福州 350008）

0 引言

2017 年8 月6 日19 時左右，福州倉山區(qū)洪塘支路園亭新村居民小區(qū)遭受雷擊，此次雷擊造成3-5 號樓內(nèi)1臺電梯控制柜內(nèi)的變頻器、開關(guān)電源、控制主板損壞，損失經(jīng)濟(jì)達(dá)10 萬元。事故說明，現(xiàn)代電梯除具有傳統(tǒng)的電力拖動功能外，還具智能化控制功能，智能電梯系統(tǒng)由計算機(jī)、通信設(shè)備、處理設(shè)備、控制設(shè)備、人機(jī)互動等智能化電子設(shè)備構(gòu)成，也需要具備防雷要求［1-3］。防雷要求應(yīng)符合現(xiàn)代智能化建筑物電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》要求［4-5］。但是目前電梯機(jī)房及井道的空間結(jié)構(gòu)位置無法滿足《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的“電子信息系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房宜選擇在建筑物底層中心部位，其設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離外墻結(jié)構(gòu)柱”要求。電梯機(jī)房突出建筑物屋面，易遭受雷擊，雷電流經(jīng)機(jī)房屋頂?shù)拿鞣蠼娱W帶、機(jī)房柱內(nèi)鋼筋及井道柱內(nèi)鋼筋分流入地時產(chǎn)生的高電位會對機(jī)房及井道內(nèi)的電子系統(tǒng)設(shè)備或線路產(chǎn)生閃落和反擊危害。

20 世紀(jì)90 年代隨著國際電工委員會IEC62305 雷電防護(hù)系列標(biāo)準(zhǔn)的引入，國家住建部出臺了首部雷電防護(hù)技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了建筑物遭受直接雷擊的外部防雷措施。并于2000 年進(jìn)行第一次修訂，于2010 年重新修訂實施，增加了防閃電電涌侵入措施、防閃電感應(yīng)措施和防雷擊電磁脈沖措施。后來隨著現(xiàn)代智能化建筑物的普及，于是國家住建部于2004 年出臺了針對現(xiàn)代智能化建筑物電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)GB50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，并于2012 年重新修訂實施，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通信接入網(wǎng)和電話交換系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、建筑物設(shè)備管理系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)、移動通信基站、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等電子信息系統(tǒng)的防雷技術(shù)規(guī)范要求，很遺憾此次修訂仍沒有現(xiàn)代智能化電梯控制系統(tǒng)的防雷技術(shù)規(guī)范要求。

隨著近年來城市高層住宅的增加，高層電梯遭受雷電災(zāi)害案例也逐年增加，電梯的雷電防護(hù)概念才引起了相關(guān)行業(yè)的專家學(xué)者們的重視，開始研究雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用于電梯。目前，國內(nèi)地方氣象部門也開始進(jìn)行電梯雷電防護(hù)技術(shù)研究，如湖南省氣象局出臺了《電梯防雷技術(shù)規(guī)范》DB43/T1085—2015、福建省氣象局出臺了《民用建筑物加裝電梯防雷保護(hù)技術(shù)規(guī)范》DB35/T1606—2016、廣西省氣象局出臺了《電梯防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》（DB45/T 1693—2018），由于氣象部門不是電梯安全監(jiān)管部門，其出臺的電梯防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只能作為參考。然而，由于國內(nèi)電梯制造安裝安全監(jiān)督檢驗行業(yè)專家學(xué)者們對電梯雷電防護(hù)技術(shù)的還未形成一個統(tǒng)一的共識，導(dǎo)致目前電梯從制造安裝均沒有采取雷電防護(hù)措施，如國內(nèi)電梯行業(yè)的制造安裝、監(jiān)督檢驗管理部門出臺的GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》（含第1、2 號修改單）、GB 50310-2002《電梯工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則-曳引與強(qiáng)制驅(qū)動電梯》（含第1、2 號修改單）等電梯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍沒有涉及電梯雷電防護(hù)技術(shù)規(guī)定，無法為電梯制造安裝及監(jiān)督檢驗單位提供技術(shù)支持依據(jù)。

本文基于電梯雷擊災(zāi)害調(diào)查及防護(hù)技術(shù)的研究，分析電梯可能存在的雷擊風(fēng)險，為了保障完善電梯綜合雷電防護(hù)功能，提出從設(shè)計原則和在機(jī)房和井道內(nèi)的加強(qiáng)防雷措施，保障電梯在雷雨季節(jié)惡劣氣象條件下仍能安全可靠運行。

1 設(shè)計原則

現(xiàn)代建筑物綜合防雷措施包括建筑物外部防雷措施和建筑物內(nèi)部防雷措施。外部防雷措施由接閃器、引下線、接地裝置組成，內(nèi)部防雷措施由防雷等電位連接和與外部防雷裝置的間隔距離及電涌保護(hù)組成［6-7］。

根據(jù)近年來電梯雷擊事故案例分析，雷擊電磁脈沖是造成電梯電氣和電子系統(tǒng)設(shè)備雷擊事故的主要原因［8-9］。因此，安裝有電梯的高層建筑物的綜合防雷設(shè)施應(yīng)增加電梯防雷擊電磁脈沖措施［10］。高層電梯綜合防雷系統(tǒng)應(yīng)包括建筑物外部防雷措施和內(nèi)部電梯防雷措施，由建筑物主體結(jié)構(gòu)的接閃器、引下線、接地裝置、電梯空間屏蔽、設(shè)備屏蔽、安全隔離、等電位連接、合理布線、浪涌保護(hù)等措施構(gòu)成高層電梯綜合防雷系統(tǒng)（圖1）。

圖1 高層電梯綜合防雷系統(tǒng)

2 電梯機(jī)房及井道外部防雷措施

2.1 接閃器

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057—2010）規(guī)定突出建筑物頂層屋面的電梯機(jī)房（無機(jī)房井道）屋面應(yīng)設(shè)接閃桿、接閃帶（網(wǎng)）保護(hù)，接閃帶等接閃器應(yīng)沿機(jī)房屋面周邊明敷布置，并與建筑物頂層屋面接閃帶等明敷接閃器連接。電梯機(jī)房（或無機(jī)房電梯井道）屋面明敷接閃器禁止與機(jī)房及無機(jī)房井道的鋼筋混泥土墻體內(nèi)梁柱內(nèi)鋼筋焊接［11-13］。

為了減低雷擊電磁脈沖對電梯機(jī)房井道內(nèi)電氣電子設(shè)備危害，機(jī)房及井道的外部防雷措施應(yīng)增加空間屏蔽措施，對于超高層建筑物為保護(hù)突出建筑物屋面的電梯機(jī)房或井道不會遭受直擊雷（即不會成為閃擊點），應(yīng)在建筑物屋面設(shè)置獨立接閃桿（俗稱避雷針）保護(hù)突出屋面的電梯機(jī)房或井道，獨立接閃桿與機(jī)房最近外墻水平距離不得小于1 m，且獨立接閃桿的接地連接線應(yīng)與建筑物主體結(jié)構(gòu)外墻屋面接閃帶連接，不得與電梯機(jī)房屋面接閃帶及墻體結(jié)構(gòu)梁柱及剪力墻鋼筋連接（即不讓雷電流通過電梯機(jī)房及井道結(jié)構(gòu)墻體鋼筋流入泄放入地）。

2.2 引下線

電梯機(jī)房及井道墻體內(nèi)的結(jié)構(gòu)梁（或柱）內(nèi)鋼筋不得作為專用防雷引下線。機(jī)房屋面敷設(shè)明敷接閃器（接閃桿或接閃帶）不得與機(jī)房及井道內(nèi)結(jié)構(gòu)梁（或柱）及剪力墻內(nèi)鋼筋連接。

2.3 接地裝置

利用建筑物接地裝置。建筑物接地裝置就是利用建筑物地基埋地的豎直樁基、水平地梁內(nèi)鋼筋焊接等組成基礎(chǔ)接地網(wǎng)。

2.4 空間屏蔽

機(jī)房和井道建筑結(jié)構(gòu)空間屏蔽措施。應(yīng)利用暗敷建筑混泥土結(jié)構(gòu)柱梁、樓板及剪力墻內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等自然金屬部件與防雷裝置連接構(gòu)成格柵型屏蔽空間，形成一個法拉第立體格柵屏蔽空間（圖2），能對外部侵入的雷電電磁脈沖形成初級屏蔽，使之受到一定程度的衰減，從而有助于減緩對機(jī)房內(nèi)部控制柜屏蔽要求的壓力［14-15］。電梯機(jī)房空間屏蔽格柵網(wǎng)格寬度越小，屏蔽效果越好，控制柜與墻體屏蔽體安全距離越小。經(jīng)計算，建筑結(jié)構(gòu)剪力墻鋼筋網(wǎng)格格柵寬度不大于0.15 m時，電梯控制柜與剪力墻的安全距離應(yīng)大于等于0.53 m。

圖2 機(jī)房空間立體格柵屏蔽

2.5 空間屏蔽

電梯作為建筑物內(nèi)貫通底層至頂層的垂直機(jī)電設(shè)備，需要將防雷接地、低壓配電保護(hù)線接地、等電位連接帶接地、電氣設(shè)備保護(hù)接地、屏蔽體接地、電子系統(tǒng)功能性接地等連接到建筑物接地裝置一起構(gòu)成共用接地系統(tǒng)。

3 電梯機(jī)房及井道內(nèi)部防雷措施

3.1 設(shè)備屏蔽

（1）綜合屏蔽措施。為減少雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的浪涌，應(yīng)綜合使用“機(jī)房和井道建筑結(jié)構(gòu)空間屏蔽、設(shè)備屏蔽、線纜屏蔽”等措施。

（2）機(jī)房和井道建筑結(jié)構(gòu)空間屏蔽措施。應(yīng)利用其暗敷建筑混泥土結(jié)構(gòu)柱梁、頂板和底板及剪力墻內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等自然金屬部件與防雷裝置連接構(gòu)成格柵型大空間屏蔽。

（3）設(shè)備屏蔽措施?？刂乒竦入娮有畔⒃O(shè)備應(yīng)利用其金屬柜體做屏蔽體，安裝位置宜安裝在機(jī)房中心位置，遠(yuǎn)離機(jī)房及井道建筑結(jié)構(gòu)柱及剪力外墻。

（4）線纜屏蔽。連接控制柜與轎廂的信號隨行電纜應(yīng)采用屏蔽線纜，連接控制柜與各層站外召控制板的信號線纜應(yīng)敷設(shè)在金屬線槽或采用屏蔽線纜。金屬線槽內(nèi)應(yīng)將強(qiáng)弱電線路分槽敷設(shè)，線纜兩端金屬屏蔽層應(yīng)就近與連接設(shè)備的金屬體連接。

3.2 安全隔離

控制柜安裝位置宜安裝在機(jī)房中心位置，或遠(yuǎn)離機(jī)房及井道建筑結(jié)構(gòu)柱及剪力外墻?？刂乒衿帘误w與機(jī)房空間格柵型屏蔽墻距離dw和屋頂距離dr的最小安全距離值安全距離（見表1）。

表1 控制柜屏蔽體與機(jī)房空間格柵型屏蔽墻距離dw和屋頂距離dr的最小安全距離值

可見，當(dāng)機(jī)房空間屏蔽網(wǎng)格為剪力墻網(wǎng)格寬度W≤0.15 m時，機(jī)房內(nèi)控制柜與機(jī)房剪力墻安全距離dw≥0.53 m，控制柜與機(jī)房頂板安全距離dr≥1.724 m；機(jī)房空間屏蔽網(wǎng)格為剪力墻網(wǎng)格寬度w越小，控制柜與機(jī)房空間格柵型屏蔽墻和頂板安全距離越小。

3.3 等電位連接

（1）機(jī)房和井道內(nèi)電氣和電子設(shè)備應(yīng)采用S 型星形等電位連接結(jié)構(gòu)作等電位連接，S 型星形等電位連接結(jié)構(gòu)：即是機(jī)房及井道內(nèi)所有設(shè)備的接地點都連接到同一接地基準(zhǔn)點（即將機(jī)房內(nèi)的電梯驅(qū)動主機(jī)及其支持金屬架和井道內(nèi)所有豎直金屬導(dǎo)軌之間電氣連接作為機(jī)房和井道的等電位連接結(jié)構(gòu)的接地基準(zhǔn)點，所有導(dǎo)軌底端應(yīng)與電梯井道底坑預(yù)留接地點連接）；

（2）機(jī)房內(nèi)驅(qū)動主機(jī)機(jī)架、控制柜柜體、電源總配電箱箱體、電梯主開關(guān)箱箱體、屏蔽線纜線槽金屬外層、電子設(shè)備防靜電接地端、安全保護(hù)接地端、功能性接地端、浪涌保護(hù)器接地端等均應(yīng)以最短距離與S 型結(jié)構(gòu)的接地基準(zhǔn)點連接。

（3）井道內(nèi)各層站的層門金屬體、外召按鈕板金屬外殼、電子設(shè)備防靜電接地端、安全保護(hù)接地端、功能性接地端、浪涌保護(hù)器接地端、底坑限速器張緊輪等均應(yīng)以最短距離與S型結(jié)構(gòu)的接地基準(zhǔn)點連接。

（4）機(jī)房等電位連接材料規(guī)格要求：

①局部等電位端子板（排）與總等電位連接的連接導(dǎo)體（機(jī)房專用垂直接地干線）的材料規(guī)格：多股銅芯導(dǎo)線或銅帶，截面積≥50 mm2；

②局部等電位端子板（排）的材料規(guī)格：銅帶，截面積≥50 mm2；（3）設(shè)備與局部等電位端子板（排）的連接導(dǎo)體的材料規(guī)格：多股銅芯導(dǎo)線，截面積≥6 mm2；

（5）井道等電位連接材料規(guī)格要求：

①井道局部等電位垂直接地排與井道底坑預(yù)留接地排連接的連接導(dǎo)體的材料規(guī)格：多股銅芯導(dǎo)線或銅帶，截面積≥50 mm2；

②局部等電位端子板（排）的材料規(guī)格：銅帶，截面積≥50 mm2；

③設(shè)備與局部等電位垂直接地排的連接導(dǎo)體的材料規(guī)格：多股銅芯導(dǎo)線，截面積≥6 mm2；

3.4 合理布線

（1）線纜敷設(shè)。電子信息系統(tǒng)線纜宜敷設(shè)在金屬線槽與金屬管道內(nèi)，宜靠近等電位連接金屬部件敷設(shè)，不宜貼近機(jī)房及井道的空間屏蔽建筑結(jié)構(gòu)的外墻。

（2）線纜電磁感應(yīng)環(huán)路面積。應(yīng)盡量減小線纜敷設(shè)的電源線和信號線形成的電磁感應(yīng)環(huán)路面積。

（3）電子信息線纜與防雷引下線（或機(jī)房井道空間建筑結(jié)構(gòu)柱梁及剪力墻的暗敷鋼筋）安全距離。最小平行凈距1 000 mm，最小交叉凈距300 mm。

（4）電子信息線纜與保護(hù)地下線安全距離。最小平行凈距50 mm，最小交叉凈距20 mm。

（5）電子信息線纜與380 V 電力電纜安全距離。平行敷設(shè)最小間距130 mm，有一方在接地的金屬線槽或鋼管中最小間距70 mm，雙方都在接地的不同金屬線槽或鋼管（同一線槽應(yīng)有金屬板隔開）中最小間距10 mm。

3.5 浪涌保護(hù)

（1）電源電涌保護(hù)器的選型。

①最大持續(xù)工作電壓UC：相線與N 線（PE 線）間應(yīng)不小于1.15U0（U0為220 V），N線與PE線間應(yīng)不小于1.15U0；

②電壓保護(hù)水平Up和標(biāo)稱放電電流In。

（a）電梯建筑物入戶電源總配電箱處應(yīng)設(shè)置：I類試驗T1，Up≤6.0 kV，Iimp≥12.5 KA；或II 類試驗Up≤6.0 kV，In≥50 kA的電涌保護(hù)器；

（b）電梯機(jī)房配電箱的前端分配箱處應(yīng)設(shè)置：II 類試驗T2，Up≤4.0 kV，In≥20 kA的電涌保護(hù)器；

（c）機(jī)房配電箱處應(yīng)設(shè)置：II 類試驗T2，Up≤2.5 kV，In≥3 kA的電涌保護(hù)器；

（d）在控制柜的電源入口端宜設(shè)置：II 類試驗T2，Up≤1.5 kV，In≥3 kA的電涌保護(hù)器。

（2）電源浪涌保護(hù)器的安裝。

①機(jī)房電源總配電箱與控制柜的電源線路長度小于5 m時，兩級浪涌保護(hù)器之間（在控制柜電源入口端）應(yīng)加裝退耦裝置；

②浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線應(yīng)短直。進(jìn)出連接線總長度不宜大于0.5 m；安裝在機(jī)房電源總配電箱內(nèi)浪涌保護(hù)器的相線和N線的銅導(dǎo)線截面積≥4 mm2，PE 線的銅導(dǎo)線截面積≥6 mm2；安裝在控制柜電源入口端的浪涌保護(hù)器的相線和N線的銅導(dǎo)線截面積≥2.5 mm2，PE 線的銅導(dǎo)線截面積≥4 mm2；

（3）電源浪涌保護(hù)器的過電流保護(hù)裝置和劣化顯示功能。電涌保護(hù)器前端應(yīng)安裝過電流保護(hù)裝置防止浪涌保護(hù)器老化損壞出現(xiàn)短路；浪涌保護(hù)器模塊應(yīng)有劣化顯示功能，當(dāng)損壞時顯示提醒用戶更換（一般浪涌保護(hù)器每個模塊劣化顯示：綠色或白色為正常，紅色為損壞）；

（4）信號浪涌保護(hù)器安裝。連接控制柜與轎廂的隨行電纜宜在隨行電纜兩端信號線路接口安裝信號浪涌保護(hù)器，連接控制柜與各層站外召信號線纜宜在兩端信號線路接口安裝信號浪涌保護(hù)器。由于電梯信號控制線路均在機(jī)房和井道內(nèi)，且電梯有完善的綜合防雷系統(tǒng)，控制和信號線路上的閃電感應(yīng)浪涌電壓及電流不會擊穿電子元件，線路上無須安裝信號浪涌保護(hù)器。

4 結(jié)束語

本研究課題立足于提高高層建筑物電梯雷電防護(hù)能力，從電梯機(jī)房及井道的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計施工、電梯供電電源的設(shè)計施工，到電梯產(chǎn)品的設(shè)計、現(xiàn)場安裝，建立一整套完善的高層建筑物電梯綜合防雷設(shè)計方案，在源頭上完善電梯的雷電防護(hù)措施，保障電梯在惡劣雷電氣象條件下能夠安全可靠運行。同時，本研究課題有助于GB 75888—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》（含第1、2 號修改單）、GB 50310—2002《電梯工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》等電梯相關(guān)技術(shù)規(guī)范的起草單位能重視電梯雷電防護(hù)要求，在修訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時，增加電梯雷電防護(hù)技術(shù)要求。