高層建筑物電梯綜合雷電防護技術探討

許乾波

（福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008）

0 引言

2017 年8 月6 日19 時左右，福州倉山區洪塘支路園亭新村居民小區遭受雷擊，此次雷擊造成3-5 號樓內1臺電梯控制柜內的變頻器、開關電源、控制主板損壞，損失經濟達10 萬元。事故說明，現代電梯除具有傳統的電力拖動功能外，還具智能化控制功能，智能電梯系統由計算機、通信設備、處理設備、控制設備、人機互動等智能化電子設備構成，也需要具備防雷要求［1-3］。防雷要求應符合現代智能化建筑物電子信息系統的雷電防護標準《建筑物防雷設計規范》、《建筑物電子信息系統防雷技術規范》要求［4-5］。但是目前電梯機房及井道的空間結構位置無法滿足《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的“電子信息系統設備機房宜選擇在建筑物底層中心部位，其設備應遠離外墻結構柱”要求。電梯機房突出建筑物屋面，易遭受雷擊，雷電流經機房屋頂的明敷接閃帶、機房柱內鋼筋及井道柱內鋼筋分流入地時產生的高電位會對機房及井道內的電子系統設備或線路產生閃落和反擊危害。

20 世紀90 年代隨著國際電工委員會IEC62305 雷電防護系列標準的引入，國家住建部出臺了首部雷電防護技術的國家標準GB 50057-94《建筑物防雷設計規范》，標準規定了建筑物遭受直接雷擊的外部防雷措施。并于2000 年進行第一次修訂，于2010 年重新修訂實施，增加了防閃電電涌侵入措施、防閃電感應措施和防雷擊電磁脈沖措施。后來隨著現代智能化建筑物的普及，于是國家住建部于2004 年出臺了針對現代智能化建筑物電子信息系統的雷電防護標準GB50343—2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》，并于2012 年重新修訂實施，標準規定了通信接入網和電話交換系統、信息網絡系統、安全防范系統、火災自動報警及消防聯動控制系統、建筑物設備管理系統、有線電視系統、移動通信基站、衛星通信系統等電子信息系統的防雷技術規范要求，很遺憾此次修訂仍沒有現代智能化電梯控制系統的防雷技術規范要求。

隨著近年來城市高層住宅的增加，高層電梯遭受雷電災害案例也逐年增加，電梯的雷電防護概念才引起了相關行業的專家學者們的重視，開始研究雷電防護技術應用于電梯。目前，國內地方氣象部門也開始進行電梯雷電防護技術研究，如湖南省氣象局出臺了《電梯防雷技術規范》DB43/T1085—2015、福建省氣象局出臺了《民用建筑物加裝電梯防雷保護技術規范》DB35/T1606—2016、廣西省氣象局出臺了《電梯防雷裝置檢測技術規范》（DB45/T 1693—2018），由于氣象部門不是電梯安全監管部門，其出臺的電梯防雷技術標準只能作為參考。然而，由于國內電梯制造安裝安全監督檢驗行業專家學者們對電梯雷電防護技術的還未形成一個統一的共識，導致目前電梯從制造安裝均沒有采取雷電防護措施，如國內電梯行業的制造安裝、監督檢驗管理部門出臺的GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》（含第1、2 號修改單）、GB 50310-2002《電梯工程施工質量驗收規范》、TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則-曳引與強制驅動電梯》（含第1、2 號修改單）等電梯技術標準仍沒有涉及電梯雷電防護技術規定，無法為電梯制造安裝及監督檢驗單位提供技術支持依據。

本文基于電梯雷擊災害調查及防護技術的研究，分析電梯可能存在的雷擊風險，為了保障完善電梯綜合雷電防護功能，提出從設計原則和在機房和井道內的加強防雷措施，保障電梯在雷雨季節惡劣氣象條件下仍能安全可靠運行。

1 設計原則

現代建筑物綜合防雷措施包括建筑物外部防雷措施和建筑物內部防雷措施。外部防雷措施由接閃器、引下線、接地裝置組成，內部防雷措施由防雷等電位連接和與外部防雷裝置的間隔距離及電涌保護組成［6-7］。

根據近年來電梯雷擊事故案例分析，雷擊電磁脈沖是造成電梯電氣和電子系統設備雷擊事故的主要原因［8-9］。因此，安裝有電梯的高層建筑物的綜合防雷設施應增加電梯防雷擊電磁脈沖措施［10］。高層電梯綜合防雷系統應包括建筑物外部防雷措施和內部電梯防雷措施，由建筑物主體結構的接閃器、引下線、接地裝置、電梯空間屏蔽、設備屏蔽、安全隔離、等電位連接、合理布線、浪涌保護等措施構成高層電梯綜合防雷系統（圖1）。

圖1 高層電梯綜合防雷系統

2 電梯機房及井道外部防雷措施

2.1 接閃器

根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057—2010）規定突出建筑物頂層屋面的電梯機房（無機房井道）屋面應設接閃桿、接閃帶（網）保護，接閃帶等接閃器應沿機房屋面周邊明敷布置，并與建筑物頂層屋面接閃帶等明敷接閃器連接。電梯機房（或無機房電梯井道）屋面明敷接閃器禁止與機房及無機房井道的鋼筋混泥土墻體內梁柱內鋼筋焊接［11-13］。

為了減低雷擊電磁脈沖對電梯機房井道內電氣電子設備危害，機房及井道的外部防雷措施應增加空間屏蔽措施，對于超高層建筑物為保護突出建筑物屋面的電梯機房或井道不會遭受直擊雷（即不會成為閃擊點），應在建筑物屋面設置獨立接閃桿（俗稱避雷針）保護突出屋面的電梯機房或井道，獨立接閃桿與機房最近外墻水平距離不得小于1 m，且獨立接閃桿的接地連接線應與建筑物主體結構外墻屋面接閃帶連接，不得與電梯機房屋面接閃帶及墻體結構梁柱及剪力墻鋼筋連接（即不讓雷電流通過電梯機房及井道結構墻體鋼筋流入泄放入地）。

2.2 引下線

電梯機房及井道墻體內的結構梁（或柱）內鋼筋不得作為專用防雷引下線。機房屋面敷設明敷接閃器（接閃桿或接閃帶）不得與機房及井道內結構梁（或柱）及剪力墻內鋼筋連接。

2.3 接地裝置

利用建筑物接地裝置。建筑物接地裝置就是利用建筑物地基埋地的豎直樁基、水平地梁內鋼筋焊接等組成基礎接地網。

2.4 空間屏蔽

機房和井道建筑結構空間屏蔽措施。應利用暗敷建筑混泥土結構柱梁、樓板及剪力墻內的鋼筋、金屬門窗等自然金屬部件與防雷裝置連接構成格柵型屏蔽空間，形成一個法拉第立體格柵屏蔽空間（圖2），能對外部侵入的雷電電磁脈沖形成初級屏蔽，使之受到一定程度的衰減，從而有助于減緩對機房內部控制柜屏蔽要求的壓力［14-15］。電梯機房空間屏蔽格柵網格寬度越小，屏蔽效果越好，控制柜與墻體屏蔽體安全距離越小。經計算，建筑結構剪力墻鋼筋網格格柵寬度不大于0.15 m時，電梯控制柜與剪力墻的安全距離應大于等于0.53 m。

圖2 機房空間立體格柵屏蔽

2.5 空間屏蔽

電梯作為建筑物內貫通底層至頂層的垂直機電設備，需要將防雷接地、低壓配電保護線接地、等電位連接帶接地、電氣設備保護接地、屏蔽體接地、電子系統功能性接地等連接到建筑物接地裝置一起構成共用接地系統。

3 電梯機房及井道內部防雷措施

3.1 設備屏蔽

（1）綜合屏蔽措施。為減少雷擊電磁脈沖產生的浪涌，應綜合使用“機房和井道建筑結構空間屏蔽、設備屏蔽、線纜屏蔽”等措施。

（2）機房和井道建筑結構空間屏蔽措施。應利用其暗敷建筑混泥土結構柱梁、頂板和底板及剪力墻內的鋼筋、金屬門窗等自然金屬部件與防雷裝置連接構成格柵型大空間屏蔽。

（3）設備屏蔽措施。控制柜等電子信息設備應利用其金屬柜體做屏蔽體，安裝位置宜安裝在機房中心位置，遠離機房及井道建筑結構柱及剪力外墻。

（4）線纜屏蔽。連接控制柜與轎廂的信號隨行電纜應采用屏蔽線纜，連接控制柜與各層站外召控制板的信號線纜應敷設在金屬線槽或采用屏蔽線纜。金屬線槽內應將強弱電線路分槽敷設，線纜兩端金屬屏蔽層應就近與連接設備的金屬體連接。

3.2 安全隔離

控制柜安裝位置宜安裝在機房中心位置，或遠離機房及井道建筑結構柱及剪力外墻。控制柜屏蔽體與機房空間格柵型屏蔽墻距離dw和屋頂距離dr的最小安全距離值安全距離（見表1）。

表1 控制柜屏蔽體與機房空間格柵型屏蔽墻距離dw和屋頂距離dr的最小安全距離值

可見，當機房空間屏蔽網格為剪力墻網格寬度W≤0.15 m時，機房內控制柜與機房剪力墻安全距離dw≥0.53 m，控制柜與機房頂板安全距離dr≥1.724 m；機房空間屏蔽網格為剪力墻網格寬度w越小，控制柜與機房空間格柵型屏蔽墻和頂板安全距離越小。

3.3 等電位連接

（1）機房和井道內電氣和電子設備應采用S 型星形等電位連接結構作等電位連接，S 型星形等電位連接結構：即是機房及井道內所有設備的接地點都連接到同一接地基準點（即將機房內的電梯驅動主機及其支持金屬架和井道內所有豎直金屬導軌之間電氣連接作為機房和井道的等電位連接結構的接地基準點，所有導軌底端應與電梯井道底坑預留接地點連接）；

（2）機房內驅動主機機架、控制柜柜體、電源總配電箱箱體、電梯主開關箱箱體、屏蔽線纜線槽金屬外層、電子設備防靜電接地端、安全保護接地端、功能性接地端、浪涌保護器接地端等均應以最短距離與S 型結構的接地基準點連接。

（3）井道內各層站的層門金屬體、外召按鈕板金屬外殼、電子設備防靜電接地端、安全保護接地端、功能性接地端、浪涌保護器接地端、底坑限速器張緊輪等均應以最短距離與S型結構的接地基準點連接。

（4）機房等電位連接材料規格要求：

①局部等電位端子板（排）與總等電位連接的連接導體（機房專用垂直接地干線）的材料規格：多股銅芯導線或銅帶，截面積≥50 mm2；

②局部等電位端子板（排）的材料規格：銅帶，截面積≥50 mm2；（3）設備與局部等電位端子板（排）的連接導體的材料規格：多股銅芯導線，截面積≥6 mm2；

（5）井道等電位連接材料規格要求：

①井道局部等電位垂直接地排與井道底坑預留接地排連接的連接導體的材料規格：多股銅芯導線或銅帶，截面積≥50 mm2；

②局部等電位端子板（排）的材料規格：銅帶，截面積≥50 mm2；

③設備與局部等電位垂直接地排的連接導體的材料規格：多股銅芯導線，截面積≥6 mm2；

3.4 合理布線

（1）線纜敷設。電子信息系統線纜宜敷設在金屬線槽與金屬管道內，宜靠近等電位連接金屬部件敷設，不宜貼近機房及井道的空間屏蔽建筑結構的外墻。

（2）線纜電磁感應環路面積。應盡量減小線纜敷設的電源線和信號線形成的電磁感應環路面積。

（3）電子信息線纜與防雷引下線（或機房井道空間建筑結構柱梁及剪力墻的暗敷鋼筋）安全距離。最小平行凈距1 000 mm，最小交叉凈距300 mm。

（4）電子信息線纜與保護地下線安全距離。最小平行凈距50 mm，最小交叉凈距20 mm。

（5）電子信息線纜與380 V 電力電纜安全距離。平行敷設最小間距130 mm，有一方在接地的金屬線槽或鋼管中最小間距70 mm，雙方都在接地的不同金屬線槽或鋼管（同一線槽應有金屬板隔開）中最小間距10 mm。

3.5 浪涌保護

（1）電源電涌保護器的選型。

①最大持續工作電壓UC：相線與N 線（PE 線）間應不小于1.15U0（U0為220 V），N線與PE線間應不小于1.15U0；

②電壓保護水平Up和標稱放電電流In。

（a）電梯建筑物入戶電源總配電箱處應設置：I類試驗T1，Up≤6.0 kV，Iimp≥12.5 KA；或II 類試驗Up≤6.0 kV，In≥50 kA的電涌保護器；

（b）電梯機房配電箱的前端分配箱處應設置：II 類試驗T2，Up≤4.0 kV，In≥20 kA的電涌保護器；

（c）機房配電箱處應設置：II 類試驗T2，Up≤2.5 kV，In≥3 kA的電涌保護器；

（d）在控制柜的電源入口端宜設置：II 類試驗T2，Up≤1.5 kV，In≥3 kA的電涌保護器。

（2）電源浪涌保護器的安裝。

①機房電源總配電箱與控制柜的電源線路長度小于5 m時，兩級浪涌保護器之間（在控制柜電源入口端）應加裝退耦裝置；

②浪涌保護器連接導線應短直。進出連接線總長度不宜大于0.5 m；安裝在機房電源總配電箱內浪涌保護器的相線和N線的銅導線截面積≥4 mm2，PE 線的銅導線截面積≥6 mm2；安裝在控制柜電源入口端的浪涌保護器的相線和N線的銅導線截面積≥2.5 mm2，PE 線的銅導線截面積≥4 mm2；

（3）電源浪涌保護器的過電流保護裝置和劣化顯示功能。電涌保護器前端應安裝過電流保護裝置防止浪涌保護器老化損壞出現短路；浪涌保護器模塊應有劣化顯示功能，當損壞時顯示提醒用戶更換（一般浪涌保護器每個模塊劣化顯示：綠色或白色為正常，紅色為損壞）；

（4）信號浪涌保護器安裝。連接控制柜與轎廂的隨行電纜宜在隨行電纜兩端信號線路接口安裝信號浪涌保護器，連接控制柜與各層站外召信號線纜宜在兩端信號線路接口安裝信號浪涌保護器。由于電梯信號控制線路均在機房和井道內，且電梯有完善的綜合防雷系統，控制和信號線路上的閃電感應浪涌電壓及電流不會擊穿電子元件，線路上無須安裝信號浪涌保護器。

4 結束語

本研究課題立足于提高高層建筑物電梯雷電防護能力，從電梯機房及井道的土建結構設計施工、電梯供電電源的設計施工，到電梯產品的設計、現場安裝，建立一整套完善的高層建筑物電梯綜合防雷設計方案，在源頭上完善電梯的雷電防護措施，保障電梯在惡劣雷電氣象條件下能夠安全可靠運行。同時，本研究課題有助于GB 75888—2003《電梯制造與安裝安全規范》（含第1、2 號修改單）、GB 50310—2002《電梯工程施工質量驗收規范》等電梯相關技術規范的起草單位能重視電梯雷電防護要求，在修訂技術標準規范時，增加電梯雷電防護技術要求。