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    技術答疑

    乘用電梯有哪些防雷保護措施?

    本文敘述了乘用電梯雷電防護的設計原則,乘用電梯所在建筑物建設階段應采取的有效措施,建筑物針對電梯低壓配電系統防雷電電磁脈沖的措施。文中的闡述對建筑設計院所對乘用電梯的設計、新建建筑物圖紙審核及竣工驗收有重要指導作用。
    引言
     
    雷電是發生在大氣中的聲、光、電物理現象,其放電電流可達數十千安培,甚至數百千安培。放電瞬間,雷電流產生巨大的破壞力和很強的電磁干擾作用,雷電災害是自然界十大自然災害之一。
     
    雷云對地放電時,強大的雷電流從雷擊點注入被擊物體,能夠對地面上的建筑物和設施構成嚴重危害,其危害主要分為兩類:直接危害和間接危害。直接危害主要表現為雷電引起的熱效應、機械效應和沖擊波等。間接危害主要表現為雷電引起的靜電感應、電磁感應和暫態過電壓等。
     
    雷電流具有很高的峰值和波前上升陡度,能在所流過的路徑周圍產生很強的暫態脈沖電磁場,處在該電磁場中的導體會產生感應過電壓(流)。 乘用電梯控制設施由于敷設著各種電源線和信號線,這些線路會在設備金屬構件或建筑物內的不同空間構成環路。當設備或建筑物遭受雷擊時,雷電流沿設備金屬構件或建筑物防雷裝置中各分支導體入地,流過分支導體的雷電流會在設備自身或建筑物內部空間產生暫態脈沖電磁場,脈沖電磁場交鏈不同空間的導體回路,會在這些回路中感應出過電壓和過電流,導致設備接口損壞。雷電流產生的暫態脈沖電磁場不僅能在設備或建筑物內的導體回路中感應過電壓和過電流,而且也能在設備或建筑物之間的通信線路中感應出過電壓和過電流。
     
    雷電威脅著人類的生命安全,常使建筑、石油、電力、電子、通信、航空、航天、工業生產等諸多部門遭受嚴重破壞。隨著高新技術的迅猛發展,由雷擊引起的災害事故正呈上升趨勢。全國每年雷電造成的經濟損失高達數十億元。
     
    天津市作為北方經濟中心近年來發展迅猛,繼濱海經濟開發區列入國家經濟發展戰略之后,武清區經濟開發區、西青區經濟開發區、子牙河循環經濟開發區也相繼列入了國家級經濟開發區。本市已建、在建的高層樓宇林立,這些建筑涉及到國家機關安裝有電梯的辦公大樓,金融系統有電梯的辦公大樓,醫療衛生系統有電梯的辦公、醫療大樓,賓館、餐飲系統有電梯的樓宇,樓宇經濟系統商務寫字大樓,大型國企辦公大樓,華苑產業園區、海泰產業園區有電梯的辦公大樓,天津市高等院校裝有電梯的辦公樓、教學大樓乃至快速興建的高層、小高層居民住宅等。大量乘用電梯的防雷安全十分重要,一旦遭雷擊損壞,將對工作、生產、生活造成重大影響,甚至造成人員損傷。
     
      現僅舉一例就可看到問題的嚴重性:2008年6月23日下午七點天津市河東區六緯路萬隆大廈(24層商務公司、居民混用)遭雷擊六部電梯中的五部損壞停運,由于長時間未能修復,居民們大鬧,氣極之下將人行樓道內的照明燈多處搗毀,可見影響之大。
     
    一、乘用電梯機房、豎井防雷設計
     
    乘用電梯多安裝于高層、超高層公共建筑 ,近年來居民高層住宅也都安裝乘用電梯。電梯豎井多位于建筑物中心,電梯機房位于建筑物屋頂。 電梯機房一般是屋頂最高建筑物,首先應在其屋頂設置接閃帶(以前稱避雷帶)。由于電梯豎井在其機房下面,所以該接閃帶的接地引下線應接到大樓外墻結構柱的主鋼筋,以免當該大樓接閃帶接閃時,引下線泄流對豎井中電源線、信號線的電磁輻射而發生雷擊事故。 豎井中的導軌首尾、每隔3層與建筑物主鋼筋可靠電氣連接并做好轎廂接地。
     
    電磁屏蔽是雷電防護最重要的措施。屏蔽的機理是利用低阻金屬材料制成容器,使其內部的電力線不傳到外部,而外部的電力線也不影響內部,把電磁場經過在屏蔽殼體接地來實現。
     
    低頻磁場屏蔽(雷電波能量集中于低頻段)是指甚低頻(VLF)和極低頻(ELF)的磁場屏蔽。它是利用高導磁材料具有低磁阻的特性,使磁場盡可能通過磁阻很小的屏蔽殼體,而盡量不擴散到外部空間。屏蔽殼體對磁場起磁分路作用。其屏蔽性能主要取決于屏蔽材料的磁導率μ。
     
    電梯機房的屏蔽措施應在大樓設計階段進行,筆者建議:機房地面、屋頂、四壁均采用加密鋼筋網。網格尺寸為10㎝×10㎝,間隔60cm點焊,或采取在機房六面墻內敷設1㎝×1cm網格的鐵絲網從而形成法拉第籠。地面鋼筋網不少于四點(機房四角)與建筑物接地主鋼筋可靠電氣連接并在電梯機房四角預留接地端子。
     
    據美國研究報告(AD-722675)指出:當雷電活動時,電磁感應強度達到0.07Gs時,無屏蔽的計算機發生誤動作,當電磁感應強度超過2.4Gs時,計算機將會發生永久性損壞。上述研究成果完全適用于乘用電梯微電子控制系統。
     
    設首次短雷擊發生在距電梯機房80m處,雷電流強度150KA(按二類防雷建筑物設防)。依據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010第6.3.2條第1款:
     
    ?。?=i0/(2πsa)
     
        式中: 
     
        i0=150KA;
     
        sa=80m;
     
    經計算H0=298.8 A/m     1Gs=79.57A/m   則H0=3.76Gs
     
    此種情況下若電梯機房無屏蔽,機房內微電子控制設備將會損壞。國家標準《雷電防護 第4部分:建筑物內電氣和電子系統》GB/T21714.4-2008  附錄A  LPZ區內電磁環境評估基礎中有如下敘述:首次雷擊的磁場表征為典型頻率25kHZ, 后續雷擊的磁場表征為典型頻率1MHZ。
     
      當電梯機房以Ø8圓鋼、10×10cm網格實施屏蔽的效果:
     
      對首次雷擊特征頻率25kHz  SF=20×log[(8.5/ω)/]   
     
                             w=0.1m         屏蔽的網格寬(m);
     
                             r=0.004m       屏蔽網格導體的半徑(m);
     
                            SF=36.23dB      屏蔽系數(dB)。
     
      屏蔽電梯機房內(LPZ1區)磁場強度(H1):
     
                             H1=H0/10SF/20
     
                               H0=3.76Gs;
     
                             SF=36.23dB;
     
                          則H1=0.0645Gs 。
     
    對后續雷擊特征頻率1MHz  SF=20×log(8.5/ω)
     
                                w=0.1m;
     
                                 r=0.004m;
     
                                SF=38.59dB。
     
      電梯機房內(LPZ1區)磁場強度:
     
                             H1=H0/10SF/20
     
                              H0=3.76Gs;
     
                             SF=38.59dB;
     
                          則H1=0.0442Gs 。
     
    通過以上計算,可見對于該建筑物附近發生雷電流150kA的雷擊,此屏蔽網格可以滿足防雷安全的要求。
     
    由于電梯機房位于建筑物屋頂,則必須考慮閃電直接擊在與機房屏蔽網格相連接的接閃器上的情況。以上述 Ø8圓鋼、10×10cm屏蔽網格,依據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010第6.3.2條第4款計算電梯控制柜所在位置空間磁場強度:
     
      設電梯控制柜位于距機房內墻2米、距屏蔽頂2米以下式計算該空間磁場強度:
     
                      H1=kH · i0·w/(dw·)
     
                         形狀系數          kH =0.01(1/);
     
                       雷電流            i0=150kA;
     
                         網格寬             w=0.1m;
     
                         確定點距屏蔽壁距離 dw=2m;
     
                         確定點距屏蔽頂距離 dr=2m;
     
                         經計算 H1=0.667Gs。
     
    此計算結果表明,10㎝×10㎝屏蔽網格的屏蔽效果,在該機房建筑遭到雷電流150kA的直接雷擊時,可保障微電子設備不損壞,但不能防止其誤動作。
     
    根據筆者多年對數字化雷達機房、民航機場航向臺、下滑臺機房防雷屏蔽工程的實踐,要想達到十分可靠的屏蔽效果,則必須采取科學可靠、經濟實用的措施。 
     
    在機房六面敷設網格1㎝×1cm、直徑4mm鐵絲網構成法拉第籠并多點與建筑物接地可靠電氣連接。以此措施計算閃電直接擊在與機房屏蔽網格相連接的接閃器上的情況:
     
                          H1=kH · i0·w/(dw·)
     
                         形狀系數          KH =0.01(1/);
     
                         雷電流            i0=150kA;
     
                         網格寬            w=0.01m;
     
                         確定點距屏蔽壁距離 dw=2m;
     
                         確定點距屏蔽頂距離 dr=2m;
     
                         經計算 H1=0.0667Gs。
     
    以上計算表明,屏蔽效果主要取決于屏蔽網格的尺寸,上述設計、實施在建筑物新建階段完全可行。
     
      2009年7月29日天津濱海國際機場北航向臺發生雷擊事故后,在其北航向臺機房采取了機房五面構建4mmX4mm、直徑4mm鐵絲網屏蔽網格。依據《建筑物防雷裝置檢測技術規范》GB/T21431-2008《附錄F 磁場測量和屏蔽效率的計算》第F.2.4條,使用HP 8920 communication tester頻譜儀功能測量北航向臺機房內外電磁場強度,機房內衰減達26dB,可見屏蔽效果可觀!
     
    電梯機房的木質門、玻璃窗不能防止雷電電磁脈沖的入侵,即所謂的“空洞效應”。為保障機房的屏蔽效果應選用鐵質門、門框,鐵質門框應不少于兩點與建筑物接地系統可靠電氣連接。在玻璃窗內側構建網格為10×10cm鋼制(為美觀可選用不銹鋼方管)格柵,格柵窗不少于兩點與機房接地系統做等電位連接。
     
    雷電防護的效果與經濟投入成正比,而電磁屏蔽是防雷電電磁脈沖最可靠的措施。電梯機房的防雷屏蔽無論是建設、施工階段還是已運行電梯防雷完善改造,均可按上述意見實施。
     
     二、等電位連接
     
    等電位連接是電氣和電子系統雷電防護重要措施之一?!督ㄖ锓览自O計規范》GB50057-2010規定“一個電子系統的各種箱體、殼體、機架等金屬組件與建筑物接地系統的等電位連接網絡做功能性等電位連接,應采用S型 星 形 結 構 或M型 網形結構。”
     
     
     圖1  等電位連接
     
    “當電子系統為MHz級數字線路時應采用M型等電位連接,系統的各金屬組件不應與接地系統各組件絕緣。M型等電位連接應通過多點連接組合到等電位連接網絡中去,形成Mm型等電位連接。每臺設備的等電位連接線的長度不宜大于0.5 m,并宜設兩根等電位連接線,安裝于設備的對角處,其長度宜按相差20%考慮。”
     
    筆者意見,在電梯機房四周以30㎜×3㎜紫銅帶構建環形等電位帶,前述機房預留的接地端子以16mm2銅編織線接入等電位帶。在機房以80㎜×0.2mm紫銅帶構建0.6m×0.6m網格的M型等電位網絡。
     
    機房內所有設備的金屬外殼、防靜電地板金屬支架(如有)、SPD接地端均就近接入M型等電位網絡。
     
    三、乘用電梯供電系統防雷保護
     
    雷擊發生時所產生的強大雷電電磁脈沖沿低壓供電線路侵入電氣和電子設備,造成設備損壞,國內外大量雷擊事故證明,這是雷電損壞電氣和電子設備的主要原因。
     
    依據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010應在電梯所在建筑物總配電柜或設有獨立變壓器的低壓處總柜安裝Ⅰ級試驗(10/350µs)的電涌保護器,要求Iimp≥12.5kA、Up≤2.5kV。符合上述技術參數的電涌保護器(SPD)有三種型式:開關型、限壓型、復合型。開關型電涌保護器抗暫態過電壓(TOV)、抗老化的能力強,不易出現非雷擊而發生的燃燒現象,較限壓型電涌保護器更安全可靠。
     
    限壓型電涌保護器符合Ⅰ級防護區域(10/350µs)的應用要求存在一定局限性,滿足Iimp≥12.5kA、Up≤2.5kV技術指標要求,其核心元件(MOV—金屬氧化物變阻器)以多片并聯使用為主,通常6片并聯使用居多。MOV芯片的離散性較大,在雷電入侵時引起的暫態過電壓過電流絕大部分通過某一片或某幾片MOV芯片時,偏離較大的MOV芯片迅速劣化、甚至爆裂燃燒,最終導致SPD達不到過電壓、過電流保護作用。北京雷電防護裝置測試中心的大量實驗結果表明:僅采用靜態參數對MOV芯片配對后并聯使用存在局限性,建議采用靜態參數和動態參數同時對MOV芯片進行優選,即同時在脈沖電流(推薦8/20us)沖擊下篩選殘壓值相近的MOV芯片并聯使用。
     
    電梯機房在做好電磁屏蔽的情況下,其總配電柜(箱)可安裝Ⅱ級試驗(8/20µs)的限壓型電涌保護器,Uc=385V、In ≥20kA、Imax≥40kA、Up≤1.5kV。
     
    根據IEC61643-12《Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Part 12:selection and application principles》標準中第6.1.2節提出與防護距離有關的振蕩效應問題,必須在電梯信號控制柜供電前端安裝第三級限壓型電涌保護器,In≥5kA、Imax≥10kA、Up≤1.2kV。關于該級電涌保護器的Uc值,筆者認為,當電梯信號控制柜由交流電子穩壓器或UPS供電時,Uc值可選275V,當市電直接供電時,Uc值可選320V。
     
    結束語
     
           本文所述內容尤為適合在建筑物設計階段進行,需設計院所的建筑電氣、建筑結構設計師的密切配合。在建設時做好電梯機房的防雷保護是最經濟、最可靠的措施。本文的分析、意見也可供建筑物防雷圖紙審核部門、防雷工程設計、施工單位、防雷檢測部門參考。
     
    雷電無小事。無論電站,變電站,發電廠,信號發射塔,輸變電線路,都要時刻關注防雷要求,學習防雷知識,提高防雷技巧。避雷器發展迅速,以前是碳化硅避雷器,后來出現浙江樂清閥式避雷器,到現在廣泛使用的撫順氧化鋅避雷器。西安氧化鋅避雷器核心元器件氧化鋅電阻片具有良好的非線性特性。避雷器帶電測試,或者避雷器在線測試非常重要,也很關鍵。一定要使用氧化鋅避雷器特性測試儀,氧化鋅避雷器在線測試儀。登錄氧化鋅避雷器廠家官網獲得更多有關避雷器原理、電站型閥式避雷器、氧化鋅避雷器價格、浙江樂清避雷器、氧化鋅避雷器和跌落式避雷器、35kv避雷器、信號避雷器以及其他高壓避雷器技術要求和應用,www.exo19920506.com,同時了解河北線路避雷器型號和湖北避雷器試驗要求。避雷器廠家哪家好?重慶煤科院避雷器和浙江樂清避雷器?
     

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