電梯機房系統(tǒng)防雷設(shè)計

吳 勇

(上海恒究安全技術(shù)服務(wù)有限公司, 上海 201800)

0 引 言

隨著城市的不斷發(fā)展,建筑物集成化程度越來越高,電梯設(shè)備發(fā)生雷電故障的頻率尤為突出。優(yōu)化電梯機房系統(tǒng)的防雷設(shè)計是保障電梯設(shè)備安全運行的重要因素。本文以上海某高層住宅項目為例,從防直擊雷設(shè)計、等電位設(shè)計、屏蔽設(shè)計、電源電涌保護(hù)器設(shè)計等方面,對電梯機房系統(tǒng)進(jìn)行綜合雷電防護(hù)措施,從而降低雷擊對電梯設(shè)備的危害。

1 電梯機房防雷區(qū)的劃分

以上海某高層住宅項目為例,該項目高層住宅樓的電梯機房設(shè)置在屋面,這固然方便了電梯運行,卻極大地增加了電梯機房遭雷擊的風(fēng)險。按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定,電梯機房所處位置防雷區(qū)應(yīng)被劃為LPZ1區(qū)。電梯機房所處位置LPZ1區(qū)如圖1所示。

圖1 電梯機房所處位置LPZ1區(qū)

2 電梯機房防雷保護(hù)措施

2.1 外部防雷保護(hù)

為了保障電梯機房的安全,應(yīng)該建立良好的外部防雷保護(hù)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要包括接閃裝置、引下線、接地裝置等設(shè)施,以確保電梯機房外部的雷電電勢不會對電梯機房造成損害。

接閃裝置是指在電梯機房周圍設(shè)置接閃桿或接閃帶,以便將機房周圍產(chǎn)生的雷電引向接閃桿或接閃帶上,從而避免雷電直接沖擊到機房造成損害。

外部防雷保護(hù)系統(tǒng)需要根據(jù)機房所屬建筑物的防雷分類、機房的具體位置、建筑物結(jié)構(gòu),以及環(huán)境等多方面因素來設(shè)計。

2.1.1 接閃帶

接閃帶的設(shè)置是電梯機房外部防雷中的重要環(huán)節(jié),其質(zhì)量直接關(guān)系到電梯機房內(nèi)電氣設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。在接閃帶的設(shè)計中,應(yīng)遵循以下原則。

(1) 接閃帶的材料應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的鍍鋅鋼板或銅板,其截面積應(yīng)符合要求,即不小于50 mm2。鍍鋅鋼板和銅板都具有良好的導(dǎo)電和耐腐蝕性能,能夠及時快速地傳導(dǎo)雷電流。在上海兩灣一宅飛地項目中,就選用25 mm×4 mm鍍鋅扁鋼作為接閃帶。

(2) 接閃帶的安裝應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行,接閃帶的連接應(yīng)牢固可靠,接閃帶的搭接形式采用10 cm雙面焊,敷設(shè)時保證接閃帶應(yīng)該平直,拐角處應(yīng)處理成圓弧狀,圓弧半徑不小于20 cm,以防止雷電流的電動力作用對接閃帶造成破壞,接閃帶要有一定的機械強度,能抗住一定風(fēng)力的沖擊。

(3) 在布設(shè)接閃帶時,應(yīng)注意避免接閃帶與其他管線的干擾和交叉,在接閃帶(網(wǎng))上禁止捆綁電源線或者信號線,以防雷擊時發(fā)生感應(yīng)使配電和電子信息系統(tǒng)遭受破壞。

2.1.2 引下線

現(xiàn)代智能化大樓一般都采用建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)的主筋作為引下線,向上延伸連接接閃帶,向下與基礎(chǔ)中的接地裝置相連,上海兩灣一宅飛地項目中的高層住宅樓就是這種設(shè)計。但電梯機房僅僅是建筑物屋面上的一小部分,因此,并不需要單獨設(shè)置引下線,即共用建筑物的引下線。所以在實際施工中,只需要將安裝好的接閃帶與建筑物屋面上的接閃帶相連即可完成接閃帶與接地裝置的相連。

2.1.3 接地裝置

為了保障電梯機房的安全,電梯機房防雷接地系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)符合GB 50057—2010《建筑物防雷技術(shù)規(guī)范》中的要求。接地電阻應(yīng)小于4 Ω,以確保電梯機房的接地效果良好?？紤]到電梯機房設(shè)置在大樓屋面,接地裝置與整個大樓共用,接地裝置的接地電阻要求由最小值來確定,即接地電阻不大于1 Ω(設(shè)備保護(hù)接地的電阻值要求),滿足機房的接地要求[1]。

2.2 內(nèi)部防雷保護(hù)

為了確保電梯機房內(nèi)部設(shè)備的安全運行,需要建立內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng),有效地保護(hù)設(shè)備免受雷擊的影響。這種內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)可有效地降低電梯機房受到雷擊電磁脈沖的風(fēng)險,并且可以增強設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,同時保障人身安全。內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)是電梯機房的必要措施,主要包括等電位連接、屏蔽系統(tǒng)及電源系統(tǒng)的防護(hù)。

2.2.1 等電位連接

等電位連接是內(nèi)部防雷系統(tǒng)不可或缺的一部分,其作用可以減少雷電流所引起的電位差?？紤]到電梯機房是整個智能化大樓的一小部分,因此,只需要在機房內(nèi)部設(shè)置局部等電位箱,利用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼作為等電位連接導(dǎo)體,暗敷于機房地板下,形成等電位連接網(wǎng)絡(luò),再將局部等電位接地端子與大樓總等電位相連即可。

2.2.2 屏蔽系統(tǒng)

屏蔽是指利用金屬屏蔽體隔絕雷電流產(chǎn)生的電場和磁場,是建筑物防電磁干擾的基本措施。屏蔽系統(tǒng)對電梯機房內(nèi)設(shè)備控制柜的安全和正常運行起到至關(guān)重要的作用,良好的屏蔽系統(tǒng)可以有效降低雷電電磁干擾和感應(yīng)效應(yīng)。

由于電梯機房所處環(huán)境的特殊性,一般電梯機房設(shè)在屋頂樓面(液壓式電梯除外,高層住宅樓一般都采取曳引電梯),以上海兩灣一宅飛地項目為例,屋面接閃帶離設(shè)備控制柜距離約100 cm。因此,一旦電梯機房屋面接閃帶某一點遭到雷擊,那么產(chǎn)生的電磁脈沖是非常強大的,足以摧毀電梯控制板PLC電路,特別是I/O口,工作電平為0～5 V,耐脈沖電壓為10 V。浙江瑞安、山東濟(jì)南、上海某小區(qū)等眾多雷擊電梯事故均為電梯機房PLC控制板控制變頻電機的I/O口被雷擊損壞,造成電梯運行事故。

當(dāng)雷擊建筑物或房間無屏蔽時,將產(chǎn)生無衰減磁場強度,如公式(1)所示:

H0=i0/(2πSa)

(1)

式中:H0——無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度;

i0——最大雷電流;

Sa——雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離。

雷擊點與屏蔽空間之間的最小平均距離應(yīng)按公式(2)計算。

(2)

式中:H——建筑物高度;

L——建筑物的長度;

R——滾球半徑。

從式(1)～式(2)可看出,雷擊建筑物產(chǎn)生的無屏蔽磁場強度與雷擊點的距離成反比。由于電梯機房屋面的接閃帶與控制柜之間的距離約100 cm,一旦遭受雷擊,雷擊點與機柜產(chǎn)生的電磁脈沖是十分強大的,又因大部分機房夏天考慮機柜通風(fēng)、降溫等因素,把機柜四周金屬板打開,更少了一層電磁脈沖屏蔽阻擋。因此PLC電路板I/O極易損壞。

針對上述情況提出以下措施:

(1) 有條件的情況下,在電梯機房屋面四周安裝獨立接閃桿,讓雷擊點盡量遠(yuǎn)離控制機柜。在上海兩灣一宅飛地項目中,在電梯機房四周設(shè)置了兩根獨立接閃桿,效果顯著。

(2) 機房四周墻面采取六面體網(wǎng)狀屏蔽措施。機房內(nèi)采取在混凝土地面內(nèi)設(shè)置60 mm×60 mm鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)屏蔽層,四周的墻體采用外襯60 mm×60 mm鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)屏蔽層,各個屏蔽網(wǎng)格間相互焊接連通形成閉合的六面屏蔽體。采用導(dǎo)電性能良好的防靜電地板作為機房地板,使用良好的鋁塑板作為機房墻面貼面,并使用無窗的金屬屏蔽門。進(jìn)出機房的電源線、信號線和傳輸線都要使用屏蔽層或穿金屬管,布置線纜時要盡可能減小線纜自身的感應(yīng)回路并有良好的等電位連接點,且均連接到接地基準(zhǔn)點。

(3) 考慮到雷雨季節(jié)天氣溫度過高,在采取了無窗金屬門及防靜電地板等措施后,應(yīng)在電梯機房內(nèi)安裝空調(diào)等降溫設(shè)備,用以在7～10月份雷雨季節(jié)降低機房內(nèi)溫度,保證電梯及控制設(shè)備的正常運行。

(4) 在條件許可的情況下,可以在設(shè)備控制板上安裝屏蔽盒以增強屏蔽效果。

(5) 在電梯控制板及各樓層控制板、PLC電路板I/O安裝TVS管(瞬變二極管)。

通過這些層層防護(hù),才能確保雷雨季節(jié)電梯運行的可靠安全。

2.2.3 電源系統(tǒng)的保護(hù)

大多數(shù)雷擊損壞電梯機房設(shè)備的事故是因為雷電流從供電線路侵入而破壞電子設(shè)備的,對于這種危害,最好的防護(hù)措施就是安裝浪涌保護(hù)器(SPD)。SPD的工作原理是:在電源線路無電涌時,SPD處于高阻抗?fàn)顟B(tài),不會影響線路的正常工作;當(dāng)電涌侵入線路時,SPD表現(xiàn)為低阻抗,電涌電流通過SPD泄放到大地,把電壓限制在其保護(hù)水平,同時熄滅可能出現(xiàn)的工頻續(xù)流,恢復(fù)高阻抗。

依據(jù)電梯機房的重要性、使用性質(zhì)以及價值可以判定其雷電防護(hù)等級為D級。因此,電源系統(tǒng)的一級防護(hù):第一級防護(hù)SPD的類型可以選擇限壓型、開關(guān)型或復(fù)合型SPD,以金屬氧化物壓敏電阻為核心的限壓型SPD可以達(dá)到最好的防護(hù)效果。配電房的總配電箱選用限壓型SPD,測試波形為10/350 μs,SPD的電壓保護(hù)水平Up為4 kV,最大持續(xù)運行電壓為385 V,沖擊電流參數(shù)為10 kA。在總配電箱中將選用的SPD接在L1-PEN、L2-PEN、L3-PEN線之間,在接地端使用BV-16 mm2的黃綠銅芯線接到配電箱的接地匯流排上,注意連接導(dǎo)線長度不能超過0.5 m,且盡可能保持平直。電源系統(tǒng)的二級防護(hù):由于雷電流通過第一級SPD之后,過電流得到初步抑制,能量減少,所以第二級SPD選用限壓型,測試波形為8/20 μs,電壓保護(hù)水平Up<2.5 kV,最大持續(xù)工作電壓為385 V。在其他樓層的分配電柜中將選擇的SPD接在L1-PE、L2-PE、L3-PE、N-PE之間,連接接地端子時選用BV-16 mm2黃綠銅線。電源系統(tǒng)的三級防護(hù):雷電流在通過第二級SPD后,能量進(jìn)一步衰減,在機房等的配電箱設(shè)置的第三級SPD,使用限壓型,電壓保護(hù)水平Up<1.5 kV。具體安裝位置與第二級SPD的安裝類似,連接接地端子的黃綠銅線選擇相同的BV-16 mm2。

SPD安裝示意圖如圖2所示。由圖2可知,各級SPD均并聯(lián)到線路中,并連接到相應(yīng)的等電位端子板上,同時各級SPD要與相應(yīng)的熔斷器配合使用,防止因SPD老化而造成的線路故障。SPD沖擊電流和標(biāo)稱放電電流參數(shù)值如表1所示。220/380 V三相配電中各設(shè)備的沖擊電壓額定值Uw如表2所示。SPD連接導(dǎo)線最小截面積如表3所示。SPD的相關(guān)參數(shù)均要符合表1～表3的要求。為了達(dá)到最佳的保護(hù)效果,SPD的連接導(dǎo)線必須盡可能短。在SPD的安裝過程中,要注意連接導(dǎo)線是否符合表3的要求,安裝時要盡量保持導(dǎo)線的平直,同時連接長度不能超過0.5 m,若連接長度不能符合要求,則要相應(yīng)地加粗連接導(dǎo)線。

表1 SPD沖擊電流和標(biāo)稱放電電流參數(shù)值

表2 220/380 V三相配電中各設(shè)備的沖擊電壓額定值Uw

表3 SPD連接導(dǎo)線最小截面積

圖2 SPD安裝示意圖

電梯機房內(nèi)的電源SPD屬于圖2中所示的第三級防護(hù),應(yīng)當(dāng)使用Up不大于1.5 kV的限壓型電源浪涌保護(hù)器。

3 結(jié) 語

綜上所述,電梯機房防雷設(shè)計是電梯設(shè)備安全運行的保障之一。在電梯機房防雷設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)其所處的防雷區(qū),建立外部和內(nèi)部防雷保護(hù)措施。從絕大多數(shù)的電梯雷擊事故分析得知,主要是感應(yīng)雷擊造成電梯的故障,因此,應(yīng)重點加強對感應(yīng)雷的防護(hù),綜合采取屏蔽、接地、等電位連接、安裝SPD等措施。同時,應(yīng)周期性檢查防雷系統(tǒng)是否完好,特別是在雷雨季節(jié)前要重點檢查機房內(nèi)各個電氣設(shè)備與等電位連接箱之間是否連接完好,配電箱內(nèi)浪涌保護(hù)器是否正常運行。