高大型电动游乐设备的防雷技术研究与应用

2018-04-23黄欣怡秦荣显

现代建筑电气 2018年2期

黄欣怡, 秦荣显

(1.河源市气象局, 广东河源 517000;2.连平县气象局, 广东河源 517100)

0 引言

随着人们生活水平的提高,各地陆续兴建大型户外游乐园,园区内集中安装不同类型的游乐设备,其中有不少高大型的电动游乐设备。目前在游乐设备的防雷设计上,国内尚无专业的防雷规范做技术指导。游乐园为人员密集场所,设备主体多为金属结构,同时带有精密电气要求,为保障设备和人员的安全,防雷设计须完善、可靠。

1 雷击风险评估

雷击风险评估是根据项目所在地雷电活动时空分布特征及灾害特征,结合现场情况进行分析,对雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算,从而为项目选址、功能分区布局、防雷类别(等级)与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建议性意见的一种评价方法。

游乐园为人员密集场所,园区内安装不少高大型的电动游乐设备,设备主体多为金属结构,同时带有精密电气要求。结合上述特点,防雷设计工作前建议做雷击风险评估,在综合分析项目现场地理、土壤、气象、环境及相关设计资料的基础上,可以对特殊建筑物防雷等级的划分、电子信息系统雷电防护等级的确定、排队等候区及露天座位区等人员密集区防雷保护、电源系统及信号电涌保护器(SPD)的选型及参数选择、在某些裸露金属立柱处为防止因接触和跨步电压引起人身伤害采取的防护措施等方面提供有效的科学依据。

2 室外人员密集区域防雷问题

游乐园人员密集,人体大多要与各种形式的金属物接触,为保护人身安全,在建筑物引下线附近需采取防接触电压和跨步电压的措施[1]。

防止跨步电压措施如下:敷设使地面电阻率不小于50 kΩ·m的5 cm厚沥青或15 cm厚的砾石层;设立阻止人员进入的护栏或警示牌;将接地体敷设成水平网格。

防接触电压措施如下:敷设使地面电阻率不小于50 kΩ·m的5 cm厚沥青层或15 cm厚的砾石层;外露引下线,其距地面2.7 m以下的导体用耐1.2/50 μs冲击电压100 kV的绝缘层隔离,或用至少3 mm厚的交联聚乙烯层隔离;用护栏、警告牌使接触引下线的可能性降至最低。

游乐园运营商采取的措施:在雷雨大风的极端天气条件下关闭,已入园的游客进入建筑内部,未入园的游客则劝其改日免费游览。

3 高大型游乐设备防雷问题

游乐园区内集中安装不同类型的游乐设备,其中有不少高大型的电动游乐设备,如过山车、太空梭、摩天轮等,其中有的高度达到60 m以上,这些高大的电动游乐设备尽管造型、游戏功能不同,但都有以下特点:

(1) 设备主体多为金属结构。

(2) 电力驱动或电力-空压驱动、电力-液压驱动。

(3) 采用计算机控制,安装有大量的电子传感器,如压力、速度、位置传感器。

(4) 参加游戏的人员密集,在游戏过程中人体大多要与各种形式的金属物接触。

(5) 游乐设备的场地和设备配备闭路电视监控、广播、通信等信息系统进行现场管理。

由于以上这些特点,为保证设备和人员安全,防雷和接地措施须周到、可靠。目前发生雷击伤人的情况尚没有报道,但是发生雷击损坏电气元器件的情况却常有出现。根据GB 8408—2008《游乐设施安全规范》[1]、GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[2]的要求,将从以下方面做好防雷措施。

3.1 防直击雷

高度大于15 m的游乐设施和滑索上、下站及钢丝绳等应装设避雷装置,避雷装置的接地电阻≤10 Ω。引下线宜采用圆钢或扁钢,圆钢直径不应小于8 mm,扁钢截面宽度不应小于48 mm,其厚度不应小于4 mm。当利用设备金属结构架做引下线时,截面宽度和厚度不应小于上述要求,在分段机械连接处应有可靠的电气连接。引下线宜在距地面0.3～1.8 m之间装设断接卡或连接板,并应有明显标志。避雷装置的接地电阻应不大于30 Ω。

3.2 防侧击雷

GB 50057—2010第3.0.4条规定:在平均雷暴日大于15 d/a的地区,高度在15 m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物为第二类防雷建筑物。GB 8408—2008第6.6.3条规定:高度大于15 m的游乐设施和滑索上、下站及钢丝绳等应装设避雷装置,高度超过60 m还应增加防侧向雷击的避雷装置。但游乐设备高于60 m时,考虑到抗风等因素,其一般均为钢结构,可利用金属结构作为接闪器和引下线,主要钢结构架构须可靠接地。

3.3 防雷电磁脉冲

采用低压电缆供电时,在低压电缆进户端的电缆金属外皮、金属线槽应接地,并与防雷接地装置连接。采用低压架空线供电时,在架空线进户端应装设避雷器,并应可靠接地,接地电阻≤10 Ω。为了防止雷击瞬态电磁脉冲对系统的干扰和破坏,游乐园的视频监控、消防、PLC控制系统、DCS数据采集系统等需要重点考虑。机电设备间内的电源配电箱内设置SPD,保护等级按GB 50057—2010要求设定,弱电控制系统内建议设置信号SPD。

3.4 接地系统

电动游乐设备在防雷设计时需注意如下方面:

(1) 电动游乐设备低压配电接地型式应采用 TN-S系统,所有插座回路专放接地线(PE),且均设置剩余电流保护开关[2]。电气设备中正常情况下不带电的金属外壳、金属管槽、电缆金属保护层、互感器二次回路等必须与电源线的地线可靠连接,低压配电系统保护重复接地电阻应不大于10 Ω。

(2) 电气设备、电动游乐设备正常不带电的金属外壳及金属结构等必须可靠接地。在有条件的情况下,建议设置联合接地系统。变压器中性点工作接地、防雷接地、电气设备保护接地、设备等电位联结接地、游艺设备控制系统的功能及其他电子设备的功能接地合用同一接地体,要求接地电阻≤1 Ω。

(3) 在正常情况下不带电的金属管道(包括电气设备外壳、电缆的金属外皮、风管、水管等)均须与等电位联结线可靠相连;金属构件,如金属扶手、卷帘、防火门及吊顶龙骨等,均须作等电位联结。需要特别注意的是,游客可以触碰到的接地引下线等一定要有指示牌或保护措施。

(4) 竖向敷设的金属管道及其他金属物体,在其底部、顶端与防雷装置作可靠连接。

(5) 所有电气设备用房和控制室设置总等电位联结。

接地装置的设计和施工应符合标准GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》、GB 50169—2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的规定,电压有效值大于50 V的带电回路与接地装置之间的绝缘电阻应不小于1 MΩ。

4 工程实例

河源市属雷击频发地区,年雷暴日数为81天。河源市儿童公园内集中多种高大型的电动游乐设备,由于园区范围大,电动游乐设备分布在不同处。本文仅介绍单体游乐设施太空梭组合塔的防雷设计。

4.1 基本情况

太空梭组合塔是高空滑行类的游乐设施,外形为一组高60 m的钢结构塔架,由钢筋混凝土的基座固定,基座长4 m,宽4 m。客舱位于塔的一侧,有二排座位,一次可载10余人,在塔的底部由电动-空压驱动。

太空梭组合塔安装在开阔的公园平地上,由游乐设备的高度和该地区气象情况分析,应按照第二类防雷建(构)筑物的要求设计。

4.2 防雷设计做法

太空梭组合塔外形及防雷接地做法如图1所示。

4.2.1 接闪器

该游乐设备厂商配供避雷针,安装在钢构架的顶部,使整个游乐设备包括安装在钢构架上的电气设备、传感器件等都处在保护范围之内。机电设备间距离该游乐设备钢构架较远,故在机电设备间屋顶采用φ12 mm镀锌圆钢作为避雷带。

4.2.2 引下线

利用游乐设备钢构架作为引下线,上端通过镀锌扁钢与顶部的避雷器可靠焊接,下端与游乐设备钢底座的桩基内主钢筋可靠焊接。机电设备间的引下线利用混凝土结构柱内2根φ16 mm的钢筋。顶部四角与避雷带连接,下部与设备间基础地梁内2根φ16 mm的钢筋连接。

4.2.3 接地装置做法

(1) 游乐设备钢构架、各类竖向金属管道均与其基础和地粱内的钢筋连接为一体,同时采用多组扁钢(-40 mm×4 mm)与机电设备间地梁钢筋连接,构成接地装置[3]。

(2) 游客等候区的钢护栏与接地装置连接为一体,使整个场地构成完整的等电位接地网。

(3) 在机电设备间内的墙上设置等电位接地板,用作游乐设备动力配电箱、控制箱、弱电设备(广播通信系统)接地用,并采用扁钢(-40 mm×4 mm)将进入机电设备间的电缆金属保护管、金属水管与等电位接地板连接。

(4) 采用TN-S制配电系统,PE导体与接地装置多处连接。

(5) 防雷接地、配电接地、弱电系统接地构成联合接地装置,因为各弱电系统的设备,包括检测、放大、控制各个环节的器件是有源的,故要求其接地电阻≤1 Ω。

(6) 为防止雷击瞬态电磁脉冲对控制系统以及通信、广播、闭路电视监控系统的干扰和破坏[3],机电设备间内的电源配电箱设置SPD,其通流能力按二级保护配置。在塔顶有装饰照明,灯饰也设置SPD保护。

图1 太空梭组合塔外形及防雷接地做法(mm)

5 接地网技术要求

为了节约材料、方便施工,接地体的安装选用三角形排列。靠近设备机架和控制室安装,接地耳应靠近控制室处引出地面,以方便电气控制箱的接地连接。三角形排列接地网设计如图2所示。

(1) 接地网应选择在设备附近较潮湿的粘质土壤中埋设,接地电阻≤10 Ω。

(2) 接地网在土壤中的埋设深度不应小于0.5 m,接地体应垂直于地平面。

(3) 接地网焊接要求:接地体与连接带、连接带与接地线、接地线与接地耳或设备的机架之间应采用电弧焊双面焊接,焊缝高度≥5 mm,长度≥150 mm(接地线与接地耳的焊缝长度≥60 mm)。

图2 三角形排列接地网设计

(4) 接地方法:对于允许焊接的金属机架,接地线直接焊接在机架的适当位置,并与其无分割面的附近安装一块接地接线板,再从每个接地点用4 mm2以上的黄绿相间绝缘铜芯线接引至接地接线板上;若设备的金属机架不便于焊接,可在接地线的终端焊接一个接地耳(接地耳的位置应高出地面0.3 m),再在机架或配电箱的适当位置设一个接地接线板,每个接地点用4 mm2以上的黄绿相间绝缘铜芯线引至接地接线板,最后接地接线板用一条≥6 mm2的黄绿相间绝缘铜芯线引至接地耳。

(5) 接线地点的确定:电气箱的金属外壳;绝缘破坏后可能带电的用电器(如电机等)的金属壳;金属机架。

(6) 一般的接地网由3根接地体组成。接地网接地电阻达不到要求时,可用如下方法补救:增加接地体的方法,新增的接地体与原接地体的距离≥3 m;在增加接地体也未能满足接地电阻的情况下对接地体周围的土壤进行处理,先将接地体周围的泥土自接地体顶起向下挖0.7 m,再用粘土、黑土等电阻率低的泥土或碳粉、泥煤等物质回填,以增大其电导率。