徐書璋, 徐雯娟

(馬鞍山市氣象局, 安徽 馬鞍山 243000)

?

上機房電梯控制系統(tǒng)雷擊原因分析與防護

徐書璋, 徐雯娟

(馬鞍山市氣象局, 安徽 馬鞍山 243000)

從地閃密度、雷電流強度、建筑物年預計雷擊次數(shù)方面分析了電梯所處電磁環(huán)境,討論了上機房電梯常遭雷擊的原因。當屋面避雷網(wǎng)受較強雷擊時,電梯控制柜所處的磁場強度大大超出電梯控制主板所能耐受的最大磁場強度,致使控制主板損壞而引起電梯故障。提出上機房電梯間屏蔽和電梯機柜兩點接地應是電梯防雷的必要措施。

電梯控制柜; 電磁環(huán)境; 屏蔽; 防雷裝置; 電涌保護器

0 引 言

電梯作為高速、安全的垂直運輸工具,在現(xiàn)代高層住宅、辦公樓、賓館和飯店中得到了廣泛應用。每年雷雨季節(jié),常有電梯因雷擊而受損的報道。電梯機房處于建筑物的頂部,所處電磁環(huán)境惡劣,電梯的控制系統(tǒng)耐電磁脈沖水平低,一旦受到雷擊很容易損壞。因此,做好電梯間電磁屏蔽對電梯防雷顯得尤為重要。

1 電梯所處電磁環(huán)境分析

上機房電梯控制柜處于建筑物頂部凸出位置的機房內(nèi),受直接雷擊的可能性大,電磁環(huán)境惡劣。

1.1 地閃密度

根據(jù)電梯間所在經(jīng)緯度及安徽省雷電監(jiān)測網(wǎng)的檢測數(shù)據(jù)(2006～2010年),使用Surfer統(tǒng)計項目地5 km半徑范圍內(nèi)的平均地閃密度Ng=7.16次/(km2·a)。項目地5 km范圍地閃密度如圖 1所示。

1.2 雷電流強度

根據(jù)上述資料,使用同樣方法統(tǒng)計受損電梯所在地半徑5 km范圍內(nèi)雷電流強度,得出5 km范圍內(nèi)平均雷電流大小為47.67 kA。雷電流幅值在0～50 kA的概率為66.87%,在50～100 kA的概率為17.11%,在100～150 kA的概率為11.29%,在150～200 kA的概率為3.31%,在200 kA以上的概率為1.42%,在229.4 kA的概率為1%。項目地5 km范圍雷電流強度如圖2所示。

1.3 建筑物年預計雷擊次數(shù)計算

當建筑物高度小于100 m時,建筑物雷擊等效面積Ae[1]為

式中:L、W、H——建筑物長、寬、高。

圖1 項目地5 km范圍地閃密度

圖2 項目地5 km范圍雷電流強度

當L=50.1 m、W=15.8 m、H=48.6 m時,該建筑物雷擊等效面積Ae=35 201.5 m2。根據(jù)安徽省雷電監(jiān)測網(wǎng)的檢測數(shù)據(jù),該建筑物所在地平均地閃密度Ng=7.16 次/(km2·a)。由馬鞍山氣象臺50 a(1960～2010)雷暴日統(tǒng)計,市區(qū)平均年雷暴日Td=29.7 d。根據(jù)地閃密度公式Ng=0.1Td,得Ng=2.97次/(km2·a)。為了獲得較合理的地閃密度,對算出的地閃密度作加權處理,則Ng=(7.16×5+2.97×50)÷55=3.35次/(km2·a)。該建筑物每年預計雷擊次數(shù)為

N1=KNgAe

(2)

式中:K——校正系數(shù),一般情況取1。

根據(jù)式(2)計算,該建筑物每年預計雷擊次數(shù)N1=0.118次。

2 上機房電梯常遭雷擊的原因分析

本文以受雷擊電梯房為例,來分析上機房電梯受雷擊的原因。電梯間實際平面圖如圖3所示。

圖3 電梯間實際平面圖

2.1 雷擊建筑物屋面避雷網(wǎng)，電梯間內(nèi)磁場強度的計算

圖3中,電梯間實際面積為4.9 m×4.9 m,其中擺放電梯控制柜和曳引系統(tǒng)的機房面積為2.2 m×2.5 m。在直擊雷防護方面,沿電梯間屋面四周和屋面女兒墻上明敷避雷網(wǎng),整棟建筑物共設10根引下線,其中電梯間設有2根引下線(標有JD的位置)。高層建筑一般按三類建筑物設計防雷(少部分按二類設計)。三類建筑物攔截雷電流強度為16～100 kA[2]。

以最小16 kA雷電流擊于屋面避雷網(wǎng)來計算在電梯間內(nèi)距引下線不同距離的磁場強度。根據(jù)多根引下線的分流系數(shù),每根引下線上所分流的電流為雷電流的0.44倍,通過的雷電流i0=7.04 kA。對于框架結構的電梯間,建筑物無屏蔽時的無衰減磁場強度為

(3)

式中:Sa——雷擊點與屏蔽空間之間的水平距離。

電梯間磁場強度與引下線距離的關系如圖4所示。

圖4 電梯間內(nèi)磁場強度與引下線距離的關系

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》第5.2.3條規(guī)定:主機房和輔助區(qū)內(nèi)磁場干擾環(huán)境場強不應大于800 A/m[3]。

從圖4可以看出,16 kA雷電流擊于建筑物屋面避雷網(wǎng)時,要求電梯控制柜內(nèi)磁場強度小于800 A/m,控制柜至少要離引下線1.4 m以外;如果按磁場強度不大于191 A/m的要求,則電梯控制柜至少要離引下線5.9 m以外。如果雷電流大于16 kA,則要求控制柜離引下線距離更遠。

2.2 雷擊建筑物頂避雷網(wǎng),電梯控制柜距屏蔽層安全距離的計算

當雷擊建筑物頂部避雷網(wǎng)時,在格柵型屏蔽內(nèi)部與屏蔽體有安全距離的安全空間有效[1]。距屏蔽體的安全距離d可按下列計算:① 當SF≥10時,d=wSF/10;② 當SF<10時,d=w。其中SF為屏蔽系數(shù),w為空間屏蔽網(wǎng)格寬度。以上述建筑物為例,來計算建筑物頂部避雷網(wǎng)被雷擊后距屏蔽體的安全距離。對于框架結構的電梯間,4根立柱內(nèi)的鋼筋和梁內(nèi)鋼筋均良好連接,則該電梯的格柵形屏蔽系數(shù)為

(4)

式中:r——格柵形屏蔽網(wǎng)格導體的半徑,m。

將w=4.9 m、r=8 mm代入式(4),則SF=3.7。從計算結果看,在LPZ1格柵形屏蔽空間內(nèi)(電梯間內(nèi)),供安放電子設備的安全距離應是格柵的寬度,即距墻4.9 m。

由以上分析可知,由于電梯間面積狹小,在電梯間內(nèi)找不到既能滿足距引下線安全距離,同時又能滿足距屏蔽層安全距離的位置安放電梯控制柜。因此,當屋面避雷網(wǎng)受較強雷擊時,電梯控制柜所處的磁場強度大大超出電梯控制主板所能耐受的最大磁場強度,使電梯控制主板燒毀,電梯損壞。

3 電梯間防雷對策

GB 50174—2008第9.1.2條規(guī)定:對環(huán)境磁場強度達不到要求的電子信息系統(tǒng)機房,應采取有效的電磁屏蔽措施。對上機房電梯間防雷,除采用防直擊雷、防電涌、電力線屏蔽和合理布線、接地外,還應采取電磁屏蔽措施。

機房電梯間的房屋設計一般采用框架結構,設兩根引下線,應改成混凝土剪力墻結構,縮小屏蔽格柵。當采用直徑φ16 mm鋼筋做成格柵網(wǎng)格為0.1 m×0.1 m時,根據(jù)式(4)計算得屏蔽系數(shù)SF=32.79,則d=0.33 m。同時,將電梯機房的所有金屬門窗接地,這樣在建筑物被雷擊時,由于電梯間剪力墻內(nèi)鋼筋的屏蔽作用,電梯間內(nèi)磁場強度被大大削弱,只要將電梯控制柜安裝在距剪力墻0.33 m外,就能滿足控制柜對安全距離的需要。

為了滿足控制柜內(nèi)電梯控制主板對電梯間引下線安全距離需要,可通過改變控制柜的接地方式,將電梯控制柜柜體由原來的一點接地(一點接地只能防靜電,起不到屏蔽作用)改成在控制機柜四周地面敷設均壓環(huán),控制機柜底部對角處設置2根接地線,長度相差20%,分別接于均壓環(huán)上。這樣柜體不僅有屏蔽作用,還能防諧振。當建筑物屋面避雷帶受雷擊時,控制柜柜體能很好地保護控制主板不受損[4]。

4 結 語

根據(jù)上述分析計算可知,只要有較強雷暴(雷電流強度大于16 kA)雷擊屋面避雷網(wǎng),在電梯間不采取任何屏蔽措施、控制柜不采用兩點接地的情況下,電梯間內(nèi)磁場強度、安全距離均不能滿足控制柜內(nèi)控制主板對安全運行環(huán)境的要求。在這種環(huán)境下,運行電梯控制主板很容易損壞。多年來,根據(jù)電梯損壞的雷災調(diào)查結果顯示,很多都是控制主板損壞而引起的電梯故障,從側面證明了上述分析的正確性。因此,上機房電梯間屏蔽和電梯機柜兩點接地是電梯防雷的必要措施。

[1] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[2] 建筑物防雷設計規(guī)范:GB 50057—2010[S].

[3] 電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范:GB 50174—2008[S].

[4] 李如箭,李京校.城市軌道交通高架站雷擊時磁場空間分布模擬[J].氣象科技,2015,43(6):1173-1174.

Lightning Stroke Analysis and Lightning Protection of Top-mounted Elevator Control System

XU Shuzhang, XU Wenjuan

(Maanshan Meteorological Bureau, Maanshan 243000, China)

This paper analyzed the electromagnetic environment of elevator in aspects of lightning density,lightning current intensity,and estimating lightning stroke times per year of building. The lightning stroke reasons of top-mounted elevator were discussed.The magnetic field intensity of elevator control cabinet greatly exceeded the maximum magnetic field intensity which is the tolerance value of elevator control mainboard.The damage of elevator control mainboard results in elevator accident.The shielding of top-mounted elevator and the two-point grounding of elevator cabinet are the necessary measures of lightning protection of elevator.

elevator control cabinet; electromagnetic environment; shield; lightning protection device; surge protective device

徐書璋(1962—),男,工程師,從事雷電防護方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0032-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.009

2016-06-12

徐雯娟(1991—),女,從事雷電防御方面的工作。