高大型電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備的防雷技術(shù)研究與應(yīng)用

黃欣怡, 秦榮顯

(1.河源市氣象局, 廣東 河源 517000;2.連平縣氣象局, 廣東 河源 517100)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高,各地陸續(xù)興建大型戶外游樂(lè)園,園區(qū)內(nèi)集中安裝不同類型的游樂(lè)設(shè)備,其中有不少高大型的電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備。目前在游樂(lè)設(shè)備的防雷設(shè)計(jì)上,國(guó)內(nèi)尚無(wú)專業(yè)的防雷規(guī)范做技術(shù)指導(dǎo)。游樂(lè)園為人員密集場(chǎng)所,設(shè)備主體多為金屬結(jié)構(gòu),同時(shí)帶有精密電氣要求,為保障設(shè)備和人員的安全,防雷設(shè)計(jì)須完善、可靠。

1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征及災(zāi)害特征,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析,對(duì)雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算,從而為項(xiàng)目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別(等級(jí))與防雷措施確定、雷災(zāi)事故應(yīng)急方案等提出建議性意見(jiàn)的一種評(píng)價(jià)方法。

游樂(lè)園為人員密集場(chǎng)所,園區(qū)內(nèi)安裝不少高大型的電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備,設(shè)備主體多為金屬結(jié)構(gòu),同時(shí)帶有精密電氣要求。結(jié)合上述特點(diǎn),防雷設(shè)計(jì)工作前建議做雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,在綜合分析項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地理、土壤、氣象、環(huán)境及相關(guān)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上,可以對(duì)特殊建筑物防雷等級(jí)的劃分、電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)的確定、排隊(duì)等候區(qū)及露天座位區(qū)等人員密集區(qū)防雷保護(hù)、電源系統(tǒng)及信號(hào)電涌保護(hù)器(SPD)的選型及參數(shù)選擇、在某些裸露金屬立柱處為防止因接觸和跨步電壓引起人身傷害采取的防護(hù)措施等方面提供有效的科學(xué)依據(jù)。

2 室外人員密集區(qū)域防雷問(wèn)題

游樂(lè)園人員密集,人體大多要與各種形式的金屬物接觸,為保護(hù)人身安全,在建筑物引下線附近需采取防接觸電壓和跨步電壓的措施[1]。

防止跨步電壓措施如下:敷設(shè)使地面電阻率不小于50 kΩ·m的5 cm厚瀝青或15 cm厚的礫石層;設(shè)立阻止人員進(jìn)入的護(hù)欄或警示牌;將接地體敷設(shè)成水平網(wǎng)格。

防接觸電壓措施如下:敷設(shè)使地面電阻率不小于50 kΩ·m的5 cm厚瀝青層或15 cm厚的礫石層;外露引下線,其距地面2.7 m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50 μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離,或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離;用護(hù)欄、警告牌使接觸引下線的可能性降至最低。

游樂(lè)園運(yùn)營(yíng)商采取的措施:在雷雨大風(fēng)的極端天氣條件下關(guān)閉,已入園的游客進(jìn)入建筑內(nèi)部,未入園的游客則勸其改日免費(fèi)游覽。

3 高大型游樂(lè)設(shè)備防雷問(wèn)題

游樂(lè)園區(qū)內(nèi)集中安裝不同類型的游樂(lè)設(shè)備,其中有不少高大型的電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備,如過(guò)山車、太空梭、摩天輪等,其中有的高度達(dá)到60 m以上,這些高大的電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備盡管造型、游戲功能不同,但都有以下特點(diǎn):

(1) 設(shè)備主體多為金屬結(jié)構(gòu)。

(2) 電力驅(qū)動(dòng)或電力-空壓驅(qū)動(dòng)、電力-液壓驅(qū)動(dòng)。

(3) 采用計(jì)算機(jī)控制,安裝有大量的電子傳感器,如壓力、速度、位置傳感器。

(4) 參加游戲的人員密集,在游戲過(guò)程中人體大多要與各種形式的金屬物接觸。

(5) 游樂(lè)設(shè)備的場(chǎng)地和設(shè)備配備閉路電視監(jiān)控、廣播、通信等信息系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理。

由于以上這些特點(diǎn),為保證設(shè)備和人員安全,防雷和接地措施須周到、可靠。目前發(fā)生雷擊傷人的情況尚沒(méi)有報(bào)道,但是發(fā)生雷擊損壞電氣元器件的情況卻常有出現(xiàn)。根據(jù)GB 8408—2008《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》[1]、GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的要求,將從以下方面做好防雷措施。

3.1 防直擊雷

高度大于15 m的游樂(lè)設(shè)施和滑索上、下站及鋼絲繩等應(yīng)裝設(shè)避雷裝置,避雷裝置的接地電阻≤10 Ω。引下線宜采用圓鋼或扁鋼,圓鋼直徑不應(yīng)小于8 mm,扁鋼截面寬度不應(yīng)小于48 mm,其厚度不應(yīng)小于4 mm。當(dāng)利用設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)架做引下線時(shí),截面寬度和厚度不應(yīng)小于上述要求,在分段機(jī)械連接處應(yīng)有可靠的電氣連接。引下線宜在距地面0.3～1.8 m之間裝設(shè)斷接卡或連接板,并應(yīng)有明顯標(biāo)志。避雷裝置的接地電阻應(yīng)不大于30 Ω。

3.2 防側(cè)擊雷

GB 50057—2010第3.0.4條規(guī)定:在平均雷暴日大于15 d/a的地區(qū),高度在15 m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物為第二類防雷建筑物。GB 8408—2008第6.6.3條規(guī)定:高度大于15 m的游樂(lè)設(shè)施和滑索上、下站及鋼絲繩等應(yīng)裝設(shè)避雷裝置,高度超過(guò)60 m還應(yīng)增加防側(cè)向雷擊的避雷裝置。但游樂(lè)設(shè)備高于60 m時(shí),考慮到抗風(fēng)等因素,其一般均為鋼結(jié)構(gòu),可利用金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器和引下線,主要鋼結(jié)構(gòu)架構(gòu)須可靠接地。

3.3 防雷電磁脈沖

采用低壓電纜供電時(shí),在低壓電纜進(jìn)戶端的電纜金屬外皮、金屬線槽應(yīng)接地,并與防雷接地裝置連接。采用低壓架空線供電時(shí),在架空線進(jìn)戶端應(yīng)裝設(shè)避雷器,并應(yīng)可靠接地,接地電阻≤10 Ω。為了防止雷擊瞬態(tài)電磁脈沖對(duì)系統(tǒng)的干擾和破壞,游樂(lè)園的視頻監(jiān)控、消防、PLC控制系統(tǒng)、DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等需要重點(diǎn)考慮。機(jī)電設(shè)備間內(nèi)的電源配電箱內(nèi)設(shè)置SPD,保護(hù)等級(jí)按GB 50057—2010要求設(shè)定,弱電控制系統(tǒng)內(nèi)建議設(shè)置信號(hào)SPD。

3.4 接地系統(tǒng)

電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備在防雷設(shè)計(jì)時(shí)需注意如下方面:

(1) 電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備低壓配電接地型式應(yīng)采用 TN-S系統(tǒng),所有插座回路專放接地線(PE),且均設(shè)置剩余電流保護(hù)開關(guān)[2]。電氣設(shè)備中正常情況下不帶電的金屬外殼、金屬管槽、電纜金屬保護(hù)層、互感器二次回路等必須與電源線的地線可靠連接,低壓配電系統(tǒng)保護(hù)重復(fù)接地電阻應(yīng)不大于10 Ω。

(2) 電氣設(shè)備、電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備正常不帶電的金屬外殼及金屬結(jié)構(gòu)等必須可靠接地。在有條件的情況下,建議設(shè)置聯(lián)合接地系統(tǒng)。變壓器中性點(diǎn)工作接地、防雷接地、電氣設(shè)備保護(hù)接地、設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)接地、游藝設(shè)備控制系統(tǒng)的功能及其他電子設(shè)備的功能接地合用同一接地體,要求接地電阻≤1 Ω。

(3) 在正常情況下不帶電的金屬管道(包括電氣設(shè)備外殼、電纜的金屬外皮、風(fēng)管、水管等)均須與等電位聯(lián)結(jié)線可靠相連;金屬構(gòu)件,如金屬扶手、卷簾、防火門及吊頂龍骨等,均須作等電位聯(lián)結(jié)。需要特別注意的是,游客可以觸碰到的接地引下線等一定要有指示牌或保護(hù)措施。

(4) 豎向敷設(shè)的金屬管道及其他金屬物體,在其底部、頂端與防雷裝置作可靠連接。

(5) 所有電氣設(shè)備用房和控制室設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)。

接地裝置的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定,電壓有效值大于50 V的帶電回路與接地裝置之間的絕緣電阻應(yīng)不小于1 MΩ。

4 工程實(shí)例

河源市屬雷擊頻發(fā)地區(qū),年雷暴日數(shù)為81天。河源市兒童公園內(nèi)集中多種高大型的電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備,由于園區(qū)范圍大,電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備分布在不同處。本文僅介紹單體游樂(lè)設(shè)施太空梭組合塔的防雷設(shè)計(jì)。

4.1 基本情況

太空梭組合塔是高空滑行類的游樂(lè)設(shè)施,外形為一組高60 m的鋼結(jié)構(gòu)塔架,由鋼筋混凝土的基座固定,基座長(zhǎng)4 m,寬4 m?？团撐挥谒囊粋?cè),有二排座位,一次可載10余人,在塔的底部由電動(dòng)-空壓驅(qū)動(dòng)。

太空梭組合塔安裝在開闊的公園平地上,由游樂(lè)設(shè)備的高度和該地區(qū)氣象情況分析,應(yīng)按照第二類防雷建(構(gòu))筑物的要求設(shè)計(jì)。

4.2 防雷設(shè)計(jì)做法

太空梭組合塔外形及防雷接地做法如圖1所示。

4.2.1 接閃器

該游樂(lè)設(shè)備廠商配供避雷針,安裝在鋼構(gòu)架的頂部,使整個(gè)游樂(lè)設(shè)備包括安裝在鋼構(gòu)架上的電氣設(shè)備、傳感器件等都處在保護(hù)范圍之內(nèi)。機(jī)電設(shè)備間距離該游樂(lè)設(shè)備鋼構(gòu)架較遠(yuǎn),故在機(jī)電設(shè)備間屋頂采用φ12 mm鍍鋅圓鋼作為避雷帶。

4.2.2 引下線

利用游樂(lè)設(shè)備鋼構(gòu)架作為引下線,上端通過(guò)鍍鋅扁鋼與頂部的避雷器可靠焊接,下端與游樂(lè)設(shè)備鋼底座的樁基內(nèi)主鋼筋可靠焊接。機(jī)電設(shè)備間的引下線利用混凝土結(jié)構(gòu)柱內(nèi)2根φ16 mm的鋼筋。頂部四角與避雷帶連接,下部與設(shè)備間基礎(chǔ)地梁內(nèi)2根φ16 mm的鋼筋連接。

4.2.3 接地裝置做法

(1) 游樂(lè)設(shè)備鋼構(gòu)架、各類豎向金屬管道均與其基礎(chǔ)和地粱內(nèi)的鋼筋連接為一體,同時(shí)采用多組扁鋼(-40 mm×4 mm)與機(jī)電設(shè)備間地梁鋼筋連接,構(gòu)成接地裝置[3]。

(2) 游客等候區(qū)的鋼護(hù)欄與接地裝置連接為一體,使整個(gè)場(chǎng)地構(gòu)成完整的等電位接地網(wǎng)。

(3) 在機(jī)電設(shè)備間內(nèi)的墻上設(shè)置等電位接地板,用作游樂(lè)設(shè)備動(dòng)力配電箱、控制箱、弱電設(shè)備(廣播通信系統(tǒng))接地用,并采用扁鋼(-40 mm×4 mm)將進(jìn)入機(jī)電設(shè)備間的電纜金屬保護(hù)管、金屬水管與等電位接地板連接。

(4) 采用TN-S制配電系統(tǒng),PE導(dǎo)體與接地裝置多處連接。

(5) 防雷接地、配電接地、弱電系統(tǒng)接地構(gòu)成聯(lián)合接地裝置,因?yàn)楦魅蹼娤到y(tǒng)的設(shè)備,包括檢測(cè)、放大、控制各個(gè)環(huán)節(jié)的器件是有源的,故要求其接地電阻≤1 Ω。

(6) 為防止雷擊瞬態(tài)電磁脈沖對(duì)控制系統(tǒng)以及通信、廣播、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的干擾和破壞[3],機(jī)電設(shè)備間內(nèi)的電源配電箱設(shè)置SPD,其通流能力按二級(jí)保護(hù)配置。在塔頂有裝飾照明,燈飾也設(shè)置SPD保護(hù)。

圖1 太空梭組合塔外形及防雷接地做法(mm)

5 接地網(wǎng)技術(shù)要求

為了節(jié)約材料、方便施工,接地體的安裝選用三角形排列?？拷O(shè)備機(jī)架和控制室安裝,接地耳應(yīng)靠近控制室處引出地面,以方便電氣控制箱的接地連接。三角形排列接地網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

(1) 接地網(wǎng)應(yīng)選擇在設(shè)備附近較潮濕的粘質(zhì)土壤中埋設(shè),接地電阻≤10 Ω。

(2) 接地網(wǎng)在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5 m,接地體應(yīng)垂直于地平面。

(3) 接地網(wǎng)焊接要求:接地體與連接帶、連接帶與接地線、接地線與接地耳或設(shè)備的機(jī)架之間應(yīng)采用電弧焊雙面焊接,焊縫高度≥5 mm,長(zhǎng)度≥150 mm(接地線與接地耳的焊縫長(zhǎng)度≥60 mm)。

圖2 三角形排列接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

(4) 接地方法:對(duì)于允許焊接的金屬機(jī)架,接地線直接焊接在機(jī)架的適當(dāng)位置,并與其無(wú)分割面的附近安裝一塊接地接線板,再?gòu)拿總€(gè)接地點(diǎn)用4 mm2以上的黃綠相間絕緣銅芯線接引至接地接線板上;若設(shè)備的金屬機(jī)架不便于焊接,可在接地線的終端焊接一個(gè)接地耳(接地耳的位置應(yīng)高出地面0.3 m),再在機(jī)架或配電箱的適當(dāng)位置設(shè)一個(gè)接地接線板,每個(gè)接地點(diǎn)用4 mm2以上的黃綠相間絕緣銅芯線引至接地接線板,最后接地接線板用一條≥6 mm2的黃綠相間絕緣銅芯線引至接地耳。

(5) 接線地點(diǎn)的確定:電氣箱的金屬外殼;絕緣破壞后可能帶電的用電器(如電機(jī)等)的金屬殼;金屬機(jī)架。

(6) 一般的接地網(wǎng)由3根接地體組成。接地網(wǎng)接地電阻達(dá)不到要求時(shí),可用如下方法補(bǔ)救:增加接地體的方法,新增的接地體與原接地體的距離≥3 m;在增加接地體也未能滿足接地電阻的情況下對(duì)接地體周圍的土壤進(jìn)行處理,先將接地體周圍的泥土自接地體頂起向下挖0.7 m,再用粘土、黑土等電阻率低的泥土或碳粉、泥煤等物質(zhì)回填,以增大其電導(dǎo)率。

6 結(jié) 語(yǔ)

雷擊發(fā)生前,及時(shí)關(guān)閉高大型電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備是必要的預(yù)防措施,但也避免不了雷擊對(duì)設(shè)備的損害。電動(dòng)游樂(lè)設(shè)備場(chǎng)地人員密集,外露金屬物多,防雷接地與電氣安全接地須綜合考慮,因此必須重視防雷設(shè)計(jì),并且合理施工,才能保障游客的人身安全。

[1]游樂(lè)設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn):GB8408—2008[S].

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50057—2010[S].

[3]吳桐,高立權(quán).淺談?dòng)螛?lè)場(chǎng)防雷設(shè)計(jì)[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊,2015(16):439.