高层建筑电梯防雷工程

2016-12-17黄冠军

现代建筑电气 2016年11期

关键词：配电箱屏蔽雷电

陈刚, 黄冠军

(1.湖南省气象局, 湖南武汉 410125;2.湖南省郴州市气象局, 湖南郴州 426100)

高层建筑电梯防雷工程

陈刚1, 黄冠军2

(1.湖南省气象局, 湖南武汉 410125;2.湖南省郴州市气象局, 湖南郴州 426100)

介绍了高层建筑中电梯防雷的特点,从防直击雷、屏蔽及布线、共用接地、等电位联结、合理安装电涌保护器等方面探讨了电梯防雷的主要措施,阐述了电梯运行维护的注意事项。提出电梯机房操控柜内的PLC电路板是高层建筑中电梯防雷设计的重点,要依据实际工程项目情况,选择适配的电涌保护器。

高层建筑; 电梯; 防雷措施; 等电位联结

0 引言

随着现代高层建筑的迅速发展,电梯已成为人们日常生活中必不可少的垂直交通工具。在电梯设备智能化水平迅速提高的同时,电梯的雷击事故呈上升趋势。在雷暴季节,电梯遭受雷击而发生故障停机的情况经常发生,其中不乏伴随出现烧毁电路板的情况,且通常烧毁的大部分是电梯控制箱内的主微机板或信号处理板。出现此类故障会造成电梯的紧急制动停止,并有可能对电梯乘客造成恐慌甚至受伤。因而,对高层建筑的电梯防雷工程应给予高度重视和强化落实。

1 电梯防雷特点

1.1 电梯结构特点

电梯主要由曳引机、控制柜、轿厢、门、导轨、限速器、缓冲器、对重装置、随行电缆和曳引机钢丝绳等部件组成,而电源系统、控制系统、通信系统及动力系统共同控制电梯的正常运行。电梯按照其位置,可分为电梯机房、井道、轿厢、层站,机房一般位于电梯井道的顶部,电梯的控制和动力系统均安装在此。机房防雷是电梯防雷的重点。

1.2 电梯电路特点

目前,电梯设备的功能化和智能化程度有了很大提升,交流变频调速、PLC控制单元、智能网络等技术的应用越来越普遍。这些高精密的电子、电力设备具有大量的半导体集成电路和敏感器件,其耐受瞬间过电压能力极低。同时由于高层建筑的雷击概率比较高,电梯设备的安装位置一般在建筑物的顶层或者比较暴露的部位,电梯井也往往被利用为电力或通信线路的走线通道,因此在雷暴季节,电梯遭受雷击而发生故障停梯的情况经常发生。

1.3 雷电入侵电梯的主要途径

雷电入侵建筑物和弱电设备的途径较多,主要有雷电直击电涌侵入、地电位反击、雷电感应3种途径。现代智能建筑都有较好的外部防雷装置和良好的接地系统,危害建筑物弱电设备最常见的途径是地电位反击和雷电感应。地电位反击是因为强大的雷电流在接地电阻和引下线上造成很高的电阻和感应电压降,使无雷击时处于低电位的接地装置或与之相连的金属物体出现很高的电位,使设备发生击穿。雷电感应是指雷电直接击在建筑物上或附近,雷电流通道的电磁场对建筑物外部和内部都会产生空间感应。如果建筑物、电梯机房和管线无屏蔽在建筑物和设备的某些部位上感应很高的电动势,则危害电梯设备。雷电感应往往通过弱电设备的电源线、信号线进入,出现过电压,继而击穿设备敏感的微电子器件,从而设备电源中断、通信中断、元件模块烧毁等,直接造成电梯主板的损坏。

2 电梯防雷的主要措施

2.1 电梯机房直击雷防护

电梯机房位于建筑物顶层,其直击雷防护应与整个建筑物的直击雷防护结合起来,机房顶应设接闪杆、接闪带(网)维护。接闪带应沿机房顶周边设置,接闪网可运用顶板内的钢筋,网格尺度应符合对本类防雷修建的需求。接闪杆与接闪带(网)应相互连接,并经过修建布局柱内或剪力墙内的钢筋,与修建接地装置连接。

2.2 屏蔽措施

电梯机房、电梯井的方位应选在建筑物中心部位,不宜选在靠外墙部位,这样能运用建筑物钢筋之间的等电位联结,构成初级屏蔽。应对电梯机房内部电磁场环境进行验证核算,以断定是不是需要对机房采取附加的外部屏蔽措施。

当机房顶遭直接雷击时,按照GB 50174—2008《电子计算机机房设计规范》要求,机房内的磁场强度应不大于800 A/m,雷电流取值应符合本类防雷建筑物的需求,如二类防雷建筑物取150 kA,三类防雷建筑物取100 kA,也可依据地闪观测材料,取特定区域内的最大观测值。依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]第6.3.2条第4款、第5款,核算屏蔽网格的宽度和安全间隔值。

通常框架布局的建筑物,机房地板、顶板内都有纵横交错的钢筋网,网格尺度较小,能够运用板内钢筋构成屏蔽网格。附近墙面除四角柱子处有钢筋外,墙面内无钢筋,需依据核算的网格宽度值,选用扁钢或圆钢设置屏蔽网格,并与机房地板、顶板、柱子内的钢筋做好等电位联结,构成法拉第笼式屏蔽[2]。

除了机房屏蔽,设备也应屏蔽。对于操控箱,应与机房内设置的等电位接地端子板连接。机房内部等电位接地端子板经过布局柱内钢筋接地。操控箱的外部金属盖板应盖好,不得打开。机房内部电源线、操控线等应穿金属管或金属线槽敷设,金属管、金属线槽断开处也应进行跨接。

2.3 防雷接地

电梯轨迹上下两头应接地,在电梯井道内设置接地主干线,接地主干线上下两头应接地,中间每三层与楼板内钢筋做等电位联结。电梯轨迹上下两头与接地主干线连接。机房法拉第笼式屏蔽网应多点接地。机房内的配电箱PE线、电梯操控箱、起重机、金属管(线槽)、金属门窗、电源电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)、信号SPD等均应与机房内的等电位接地端子板联结。

2.4 等电位联结

电梯机房内的金属组件,如电梯操控箱、起重机、金属穿线管(线槽)、配电箱、金属门窗等均应与等电位接地端子板联结,并组成S型等电位联结网络。金属管、金属线槽与设备的衔接处应进行跨接,金属管、金属线槽断开处也应跨接。

2.5 电源和操控线路防雷措施

电源和操控线路除了做好屏蔽外,还应分级设置SPD,避免闪电电涌和雷电感应过电压沿线路传递到设备端而损坏设备,是避免雷电损坏电子设备的首选方式。

在电梯的电源线路上分级设置电源SPD。电源进线的总配电箱(柜)处或变压器的低压出线处应装置第一级SPD。第一级SPD应选用I级分类试验的SPD,电压保护水平不大于2.5 kV。因第一级SPD沿线路间隔电梯机房都比较长,且第一级SPD电压保护水平加上线路上的感应电压,超越电梯操控箱的耐压水平,因而应设多级SPD。通常电梯机房内的配电箱是与总配电箱(柜)或变压器的低压出线端直接连接,中心无分配电箱,因而通常第二级SPD应装置在电梯机房内的配电箱内。第二级SPD应选用Ⅱ级或Ⅲ级试验的SPD,其电压保护水平加上两头引线的感应电压值应小于电梯操控箱的耐压水平。电梯操控箱应尽量接近机房配电箱,以缩短连接线路的长度,减小感应电压[3-4]。

电梯微机电源或信号收集板大都为低压回路,接受瞬时高电压冲击的能力不强。如果电梯微机电源或信号收集板损坏,致使电梯呈现瞬间失控,故有必要结合PLC电路板上有集成的电涌保护元件作为第三级SPD,对操控体系中的重要电路板进行保护,以有效避免因PLC电子板损坏而形成的电梯瞬间失控。

电梯控制系统主要由调速部分和逻辑控制部分构成。通过对变频器参数的合理设置,不仅使电梯在运行超速和缺相等方面具备了保护功能,而且使电梯的起动、低速运行和停止更加平稳舒适。变频器自身的起动、停止和电机给定速度选择都由逻辑控制部分完成,因此逻辑控制部分是电梯安全、可靠运行的关键,是电梯防雷的重点[5]。

电梯专用的电子板品种繁复,各PLC电子板之间线路和关联电气功能有较大区别,而且每种电子板上存在不一样电压等级的电源回路及信号回路。需依照维护的目标进行剖析,选择合适的SPD保护电子板。对电子板的作业电压和操控电路电压中的各等级供电线路进行SPD保护,而且SPD的额定电压要与被保护的回路电压等级相匹配。大部分受雷击的电子板都是顶层电梯机房操控柜内的PLC电子板。

在电梯操控体系中,通常选用4芯式的通信电缆:2根传输电源,2根传输CAN-bus信号。SPD装置在以下方位:① 操控柜内计算机主微机板处;② PLC电源输入/输出及信号处置通信板I/O操控线路处;③ 操控柜内继电器板各低压回路的汇总板线路处;④ 对讲机电源线路及4芯信号处。

3 电梯运行维护

防雷工程施工单位须按设计要求施工,工程建设管理部门应有专人负责监督。避雷器安装之后,应检查所有接线是否正确安装,然后运行测试,查看系统和设备是否正常工作及有无异常情况。如发现问题,应及时处理,直至整个系统正常运作。

按照《气象法》的要求和SPD产品运行维护需要,电梯应进行定期的检查。

(1) 每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固、接触是否良好、接地引下线有无锈蚀、接地体附近地面有无异常,必要时应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况,如果发现问题应及时处理。

(2) 接地系统的接地电阻应每年进行一次测量,保证达到防雷、防电涌的接地要求。

(3) 每年雷雨季节前和雷雨季节后应对运行中的SPD进行检查。如果SPD产品指示异常,应及时进行更换。雷雨季节要加强外观巡视,发现异常应尽快处理。

4 结语

综上所述,电梯的雷电防护是较复杂的系统工程。从雷击电梯事件来看,大多是雷电感应造成电梯故障,因而应着重加强对感应雷击的防护,采取屏蔽、接地、等电位联结、装设SPD等措施。电梯机房操控柜内的PLC电路板是防雷设计的重点,要依据具体状况选择适配的SPD。

[1] 建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2004[S].

[3] 虞昊.现代防雷技术基础[M].北京:清华大学出版社,1995.

[4] 刘越屿,邢燕娜.超高层建筑雷电电磁感应[J].建筑电气,2013,32(7):437-440.

[5] 张鹃,林卓宏,严金芳.超高层电梯机房防雷区磁场强度分析及防御技术[J].气象科技,2014,42(5):918-921.

Lightning Protection Engineering of Elevator in High-rise Building

CHEN Gang, HUANG Guanjun

(1.Hunan Meteorological Bureau, Changsha 410125, China; 2.Chenzhou Meteorological Bureau, Chenzhou 426100, China)

This paper introduced the characteristics of elevator lightning protection in high-rise building.The main measures of elevator lightning protection were discussed in aspects of protection against direct lightning stroke,shielding and wiring,equipotential bonding,reasonable installation of surge protective device,etc.The matters need attentions of elevator maintenance were elaborated.It is pointed out that the PLC circuit board is the key of the elevator lightning protection design in high-rise building,which selects the suitable surge protective device according to the actual engineering project.

high-rise building; elevator; lightning protection measures; equipotential bonding