電梯的雷電防護技術研究

陸明明,薛風國,楊 軍,周長明,齊海超,嚴 肅,陳 亮

(1.黑龍江省氣象災害防御技術中心,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象數據中心,黑龍江 哈爾濱 150030;3.伊春市氣象局,黑龍江 伊春 153000)

1 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，電梯作為高效率的垂直起降運輸工具，越來越普及。電梯一般由樓頂電梯機房、運輸井道、轎廂、地坑以及樓層站組成，屬于比較復雜的綜合機電產品[1-2]。雷電災害作為常見的自然災害，在夏秋季節極其頻發[3]。因此雷雨季節極易發生因雷擊造成的電梯故障，包括控制系統故障、零件損壞等，存在較大安全隱患。

研究電梯的防雷技術需要結合電梯技術和防雷技術兩個完全不同的領域，因此國內防雷專家在電梯方面的研究較少。許乾波等研究了一起高層電梯雷擊災害事故的根源，通過安裝電涌保護器等措施提高了電梯雷電防護能力[4]。俞利信等分析了建筑上機房電梯的雷擊原因，提出一系列防雷措施[5]。黃永堅等將防雷標準和電梯結合，總結了雷擊損害電梯的方式[6]。高紹忠針對近年來老舊小區加裝電梯的現象，歸納出加裝電梯的各項防雷措施[7]。

本文旨在分析雷電對電梯造成損害的原因以及損害的形式，針對性的提出相應的雷電防護措施，并借此引起人們對電梯防雷領域的重視，提高電梯的雷電防護水平，進而盡量降低雷電災害對電梯造成的損壞和安全隱患。

2 電梯易受雷擊損害的原因

通過分析電梯遭受雷擊損壞的各種案例，從電梯的構成元件、布局位置等方面總結出以下幾個原因：

(1)電梯的組成系統較為復雜，尤其控制系統是電子信息系統集成化程度較高的設備，耐受雷擊能力較低。雷擊后產生的過電流和過電壓侵入后，脆弱的電子元件設施極易損壞。

(2)電梯機房絕大多數設置在高層建筑的頂層，受直接雷擊概率較高，且極易遭受雷電電磁脈沖的影響，因此電磁環境較差。

(3)公眾對電梯防雷的重視不夠，電梯防雷措施不完善，尤其近些年老舊小區加裝外設電梯的防雷設施不到位。

3 電梯遭雷擊的損害形式

3.1 直接雷擊

電梯位于樓頂的機房設施直接被雷電擊中稱為直接雷擊。此時，被雷電擊中的機房設施被瞬間注入巨大電流，并產生過電壓。直擊雷造成的熱效應和機械效應會使得機房設備產生極高溫度，損壞或燒毀機房內的機柜、配電箱、電機等設備，甚至引發火災。

3.2 閃電電涌侵入

雷電擊中電梯附近的架空線路、金屬管道等設備，閃電電涌通過線路或管道進入電梯設備稱為閃電電涌侵入。閃電電涌電壓可達千伏級別，遠高于電梯設施的耐壓值，導致其因過電壓損壞。同時千安級別的雷電過電流通過電梯內部線路，傳輸到電梯機房的控制系統設備以及各種電子元器件，造成設備的嚴重損壞。

3.3 雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖是指雷電擊中電梯建筑物附近，形成強烈變化的電磁場，電梯的金屬線路和管道上受到雷電電場的輻射電磁脈沖現象。電梯的機房控制設備和井道金屬纜繩等被雷電電磁場嚴重干擾，導致控制系統損壞，信號傳輸中斷，容易出現顯示器亂碼，甚至轎廂停止運行的后果。

3.4 反擊

雷電直接擊中建筑物樓頂接閃帶時，建筑物引下線會瞬間通過強大的雷電流脈沖，通過建筑接地裝置泄放入地，此時接地裝置中產生上百千伏的瞬時過電壓。如果電梯線路和管道金屬導體的接地電阻不符合規范要求，可能在接地裝置和電梯的各種供電線路和通信線路上發生閃絡現象，形成雷電反擊，進而造成電梯設施的損壞。

4 電梯的雷電防護技術

通過分析電梯遭雷擊的多種損害形式，應采取針對性的措施進行有效防護，才能切實降低雷擊電梯造成的損失。

4.1 直擊雷防護措施

電梯機房一般設置在高層建筑的頂層，作為建筑物的組成部分，其直擊雷的防護應與建筑物本身的直擊雷防護措施統籌考慮。建筑物天面安裝的接閃帶應與電梯機房頂端的接閃帶有效連接，形成接閃網絡。接閃帶的選型應為直徑＞15 mm的熱鍍鋅圓鋼，在機房頂部明敷設置，并每隔1 m設置支架。機房的引下線可利用建筑物內鋼筋，與建筑物引下線做好連接。機房的接地裝置與建筑物共用自然接地體，將電梯機房設備融入建筑物，形成完整統一的防直擊雷綜合體。

4.2 等電位連接措施

將電梯的金屬轎廂、導軌、設備金屬外殼、電纜屏蔽層、金屬門等所有金屬設備和金屬導體，與接地系統做良好電氣連接，形成等電位連接網絡。當產生雷電感應或者發生閃電電涌侵入時，等電位連接系統會使得各金屬部件之間的電位差較低，從而減小雷電流對電梯設備的損害。

4.3 屏蔽措施

如圖1所示，電梯機房一般位于建筑頂層，在接閃器的保護范圍之內，按照防雷區劃分規范應劃分為LPZ0B區，該區域一般易遭受直接雷擊，但容易受到雷擊電磁脈沖輻射的影響。對電梯采取屏蔽措施可有效衰減雷電產生的雷擊電磁脈沖，減輕強電磁場造成的影響。可以利用建筑物本身的鋼筋結構作為電梯機房和電梯井的初級屏蔽，有條件的情況下在電梯機房外墻敷設防電磁材料。采用可反射、甚至能吸收電磁波的屏蔽材料制作敏感設備的金屬柜，并將電梯的控制柜等金屬柜體設置在機房中心部位，遠離墻壁和引下線的位置。供電線路和信號線路分開布設，保障安全距離，合理布局，并盡量敷設在金屬管線槽內。同時將金屬線槽和電纜的金屬屏蔽層等在入戶處做好等電位連接，首尾處兩端接地。通過多種屏蔽措施相結合，減小電磁強度，有效降低感應雷和雷擊電磁脈沖對電梯設備造成的干擾。

圖1 電梯機房的防雷區示意圖

4.4 限制過電壓措施

電梯的交流供電線路是其產生動力的來源，信號線路是電梯控制系統網絡。限制過電壓的保護措施主要是在電源線路和信號線路安裝浪涌保護器（SPD），使得線路上的浪涌過電流通過SPD迅速泄放入地，從而將線路上的電壓控制在設備耐受安全范圍內。SPD的設置應按照圖2所示進行三級安裝。

圖2 電梯的三級SPD安裝示意圖

根據《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB 50343—2012），可在建筑物總配電箱處安裝10/350 μs波形的Ⅰ類試驗SPD或者8/20μs波形的Ⅱ類試驗大電流SPD作為第一級防護。在電梯配電箱前端設置一組8/20μs波形的Ⅱ類試驗SPD作為第二級防護。做好兩級防護的電源線路可對電梯的電機、轎廂開閉門設備等進行供電。在電梯的控制系統、通信系統等重要電子元件設備的前端仍需設置第三級SPD作精細化保護。同時在通信線路上加裝信號電涌保護器，保護通信系統。做好SPD的合理選型，綜合考量其接地線線徑、導線長度以及被保護物的設備耐受電壓額定值等因素，最大化地實現各級SPD之間的能量配合。有條件的情況下，可安裝帶有在線監測功能的SPD，可隨時遠程監控SPD的劣化狀態，便于日后的維護保養，及時更換。

4.5 定時開展防雷檢測

通過新媒體等途徑加強雷電災害科普宣傳，提高公眾對雷擊造成電梯損害的重視程度。使用單位應提高對雷電電梯設備危害的認識，建立健全管理和應急制度，加強電梯防雷設施的管理和日常維護。在每年的雷雨季節來臨之前，聯系專業的防雷檢測機構，定期開展建筑物及電梯設備的防雷檢測，及時查找存在的雷災安全隱患，并進行相應的整改，完善防雷措施。

5 總結

綜上所述，雷電災害對電梯造成的損害是多方面的，公眾應該提高重視程度。做好電梯的雷電防護，需要針對雷電災害的表現形式，通過將直擊雷防護、等電位連接、屏蔽、限制過電壓、定時開展防雷檢測等措施有機結合，層層設防、互相補充，與建筑物構成完整的防雷綜合體，才能有效提高電梯防雷技術，降低雷電災害對電梯造成的損失和影響。