乘用电梯的防雷保护
引言
雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象，其放电电流可达数十千安培，甚至数百千安培。放电瞬间，雷电流产生巨大的破坏力和很强的电磁干扰作用，雷电灾害是自然界十大自然灾害之一。
雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，能够对地面上的建筑物和设施构成严重危害，其危害主要分为两类：直接危害和间接危害。直接危害主要表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等。间接危害主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应和暂态过电压等。
雷电流具有很高的峰值和波前上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲电磁场，处在该电磁场中的导体会产生感应过电压（流）。 乘用电梯控制设施由于敷设着各种电源线和信号线，这些线路会在设备金属构件或建筑物内的不同空间构成环路。当设备或建筑物遭受雷击时，雷电流沿设备金属构件或建筑物防雷装置中各分支导体入地，流过分支导体的雷电流会在设备自身或建筑物内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交链不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在设备或建筑物内的导体回路中感应过电压和过电流，而且也能在设备或建筑物之间的通信线路中感应出过电压和过电流。
雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑、石油、电力、电子、通信、航空、航天、工业生产等诸多部门遭受严重破坏。随着高新技术的迅猛发展，由雷击引起的灾害事故正呈上升趋势。全国每年雷电造成的经济损失高达数十亿元。
天津市作为北方经济中心近年来发展迅猛，继滨海经济开发区列入国家经济发展战略之后，武清区经济开发区、西青区经济开发区、子牙河循环经济开发区也相继列入了国家级经济开发区。本市已建、在建的高层楼宇林立，这些建筑涉及到国家机关安装有电梯的办公大楼，金融系统有电梯的办公大楼，医疗卫生系统有电梯的办公、医疗大楼，宾馆、餐饮系统有电梯的楼宇，楼宇经济系统商务写字大楼，大型国企办公大楼，华苑产业园区、海泰产业园区有电梯的办公大楼，天津市高等院校装有电梯的办公楼、教学大楼乃至快速兴建的高层、小高层居民住宅等。大量乘用电梯的防雷安全十分重要，一旦遭雷击损坏，将对工作、生产、生活造成重大影响，甚至造成人员损伤。
现仅举一例就可看到问题的严重性：2008年6月23日下午七点天津市河东区六纬路万隆大厦（24层商务公司、居民混用）遭雷击六部电梯中的五部损坏停运，由于长时间未能修复，居民们大闹，气极之下将人行楼道内的照明灯多处捣毁，可见影响之大。
一、乘用电梯机房、竖井防雷设计
乘用电梯多安装于高层、超高层公共建筑 ，近年来居民高层住宅也都安装乘用电梯。电梯竖井多位于建筑物中心，电梯机房位于建筑物屋顶。 电梯机房一般是屋顶最高建筑物，首先应在其屋顶设置接闪带（以前称避雷带）。由于电梯竖井在其机房下面，所以该接闪带的接地引下线应接到大楼外墙结构柱的主钢筋，以免当该大楼接闪带接闪时，引下线泄流对竖井中电源线、信号线的电磁辐射而发生雷击事故。 竖井中的导轨首尾、每隔3层与建筑物主钢筋可靠电气连接并做好轿厢接地。
电磁屏蔽是雷电防护最重要的措施。屏蔽的机理是利用低阻金属材料制成容器，使其内部的电力线不传到外部，而外部的电力线也不影响内部，把电磁场经过在屏蔽壳体接地来实现。
低频磁场屏蔽（雷电波能量集中于低频段）是指甚低频（VLF）和极低频（ELF）的磁场屏蔽。它是利用高导磁材料具有低磁阻的特性，使磁场尽可能通过磁阻很小的屏蔽壳体，而尽量不扩散到外部空间。屏蔽壳体对磁场起磁分路作用。其屏蔽性能主要取决于屏蔽材料的磁导率μ。
电梯机房的屏蔽措施应在大楼设计阶段进行，笔者建议：机房地面、屋顶、四壁均采用加密钢筋网。网格尺寸为10㎝×10㎝，间隔60cm点焊，或采取在机房六面墙内敷设1㎝×1cm网格的铁丝网从而形成法拉第笼。地面钢筋网不少于四点（机房四角）与建筑物接地主钢筋可靠电气连接并在电梯机房四角预留接地端子。
据美国研究报告（AD-722675）指出：当雷电活动时，电磁感应强度达到0.07Gs时，无屏蔽的计算机发生误动作，当电磁感应强度超过2.4Gs时，计算机将会发生永久性损坏。上述研究成果完全适用于乘用电梯微电子控制系统。
设首次短雷击发生在距电梯机房80ｍ处，雷电流强度150KA(按二类防雷建筑物设防)。依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第6.3.2条第１款：
Ｈ0=i0／(2πsa)
式中：
i0=150KA；
sa=80ｍ；
经计算Ｈ0＝298.8 A/m 1Gs=79.57A/m 则Ｈ0=3.76Gs
此种情况下若电梯机房无屏蔽，机房内微电子控制设备将会损坏。国家标准《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》GB/T21714.4-2008 附录A LPZ区内电磁环境评估基础中有如下叙述：首次雷击的磁场表征为典型频率25kHZ, 后续雷击的磁场表征为典型频率1MHZ。
当电梯机房以Ø8圆钢、10×10cm网格实施屏蔽的效果：
对首次雷击特征频率25kHz SF=20×log[(8.5/ω)/]
w=0.1m 屏蔽的网格宽（m）；
r=0.004m 屏蔽网格导体的半径（m）；
SF=36.23dB 屏蔽系数（dB）。
屏蔽电梯机房内（LPZ1区）磁场强度（H1）：
H1=H0/10SF/20
H0=3.76Gs；
SF=36.23dB；
则H1=0.0645Gs 。
对后续雷击特征频率1MHz SF=20×log(8.5/ω)
w=0.1m；
r=0.004m；
SF=38.59dB。
电梯机房内（LPZ1区）磁场强度：
H1=H0/10SF/20
H0=3.76Gs；
SF=38.59dB；
则H1=0.0442Gs 。
通过以上计算，可见对于该建筑物附近发生雷电流150kA的雷击，此屏蔽网格可以满足防雷安全的要求。
由于电梯机房位于建筑物屋顶，则必须考虑闪电直接击在与机房屏蔽网格相连接的接闪器上的情况。以上述 Ø8圆钢、10×10cm屏蔽网格，依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第6.3.2条第4款计算电梯控制柜所在位置空间磁场强度：
设电梯控制柜位于距机房内墙2米、距屏蔽顶2米以下式计算该空间磁场强度：
H1=kH · i0·w/(dw·)
形状系数 kH =0.01（1/）；
雷电流 i0=150kA；
网格宽 w=0.1m；
确定点距屏蔽壁距离 dw=2m；
确定点距屏蔽顶距离 dr=2m；
经计算 H1=0.667Gs。
此计算结果表明，10㎝×10㎝屏蔽网格的屏蔽效果，在该机房建筑遭到雷电流150kA的直接雷击时，可保障微电子设备不损坏，但不能防止其误动作。
根据笔者多年对数字化雷达机房、民航机场航向台、下滑台机房防雷屏蔽工程的实践，要想达到十分可靠的屏蔽效果，则必须采取科学可靠、经济实用的措施。
在机房六面敷设网格1㎝×1cm、直径4mm铁丝网构成法拉第笼并多点与建筑物接地可靠电气连接。以此措施计算闪电直接击在与机房屏蔽网格相连接的接闪器上的情况：
H1=kH · i0·w/(dw·)
形状系数 KH =0.01（1/）；
雷电流 i0=150kA；
网格宽 w=0.01m；
确定点距屏蔽壁距离 dw=2m；
确定点距屏蔽顶距离 dr=2m；
经计算 H1=0.0667Gs。
以上计算表明，屏蔽效果主要取决于屏蔽网格的尺寸，上述设计、实施在建筑物新建阶段完全可行。
2009年7月29日天津滨海国际机场北航向台发生雷击事故后，在其北航向台机房采取了机房五面构建4mmX4mm、直径4mm铁丝网屏蔽网格。依据《建筑物防雷装置检测技术规范》GB/T21431-2008《附录F 磁场测量和屏蔽效率的计算》第F.2.4条，使用HP 8920 communication tester频谱仪功能测量北航向台机房内外电磁场强度，机房内衰减达26dB,可见屏蔽效果可观！
电梯机房的木质门、玻璃窗不能防止雷电电磁脉冲的入侵，即所谓的“空洞效应”。为保障机房的屏蔽效果应选用铁质门、门框，铁质门框应不少于两点与建筑物接地系统可靠电气连接。在玻璃窗内侧构建网格为10×10cm钢制（为美观可选用不锈钢方管）格栅，格栅窗不少于两点与机房接地系统做等电位连接。
雷电防护的效果与经济投入成正比，而电磁屏蔽是防雷电电磁脉冲最可靠的措施。电梯机房的防雷屏蔽无论是建设、施工阶段还是已运行电梯防雷完善改造，均可按上述意见实施。
二、等电位连接
等电位连接是电气和电子系统雷电防护重要措施之一。《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010规定“一个电子系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑物接地系统的等电位连接网络做功能性等电位连接，应采用S型 星 形 结 构 或M型 网形结构。”
图1 等电位连接
“当电子系统为MHz级数字线路时应采用M型等电位连接，系统的各金属组件不应与接地系统各组件绝缘。M型等电位连接应通过多点连接组合到等电位连接网络中去，形成Mm型等电位连接。每台设备的等电位连接线的长度不宜大于0.5 m，并宜设两根等电位连接线，安装于设备的对角处，其长度宜按相差20%考虑。”
笔者意见，在电梯机房四周以30㎜×3㎜紫铜带构建环形等电位带，前述机房预留的接地端子以16mm2铜编织线接入等电位带。在机房以80㎜×0.2mm紫铜带构建0.6m×0.6m网格的M型等电位网络。
机房内所有设备的金属外壳、防静电地板金属支架（如有）、SPD接地端均就近接入M型等电位网络。
三、乘用电梯供电系统防雷保护
雷击发生时所产生的强大雷电电磁脉冲沿低压供电线路侵入电气和电子设备，造成设备损坏，国内外大量雷击事故证明，这是雷电损坏电气和电子设备的主要原因。
依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010应在电梯所在建筑物总配电柜或设有独立变压器的低压处总柜安装Ⅰ级试验（10/350µs）的电涌保护器，要求Iimp≥12.5kA、Up≤2.5kV。符合上述技术参数的电涌保护器(SPD)有三种型式：开关型、限压型、复合型。开关型电涌保护器抗暂态过电压（TOV）、抗老化的能力强，不易出现非雷击而发生的燃烧现象，较限压型电涌保护器更安全可靠。
限压型电涌保护器符合Ⅰ级防护区域（10/350µs）的应用要求存在一定局限性，满足Iimp≥12.5kA、Up≤2.5kV技术指标要求，其核心元件(MOV—金属氧化物变阻器)以多片并联使用为主，通常6片并联使用居多。MOV芯片的离散性较大，在雷电入侵时引起的暂态过电压过电流绝大部分通过某一片或某几片MOV芯片时，偏离较大的MOV芯片迅速劣化、甚至爆裂燃烧，最终导致SPD达不到过电压、过电流保护作用。北京雷电防护装置测试中心的大量实验结果表明：仅采用静态参数对MOV芯片配对后并联使用存在局限性，建议采用静态参数和动态参数同时对MOV芯片进行优选，即同时在脉冲电流（推荐8/20us）冲击下筛选残压值相近的MOV芯片并联使用。
电梯机房在做好电磁屏蔽的情况下，其总配电柜（箱）可安装Ⅱ级试验（8/20µs）的限压型电涌保护器，Uc=385V、In ≥20kA、Imax≥40kA、Up≤1.5kV。
根据IEC61643-12《Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Part 12:selection and application principles》标准中第6.1.2节提出与防护距离有关的振荡效应问题，必须在电梯信号控制柜供电前端安装第三级限压型电涌保护器，In≥5kA、Imax≥10kA、Up≤1.2kV。关于该级电涌保护器的Uc值，笔者认为，当电梯信号控制柜由交流电子稳压器或UPS供电时，Uc值可选275V,当市电直接供电时，Uc值可选320V。
结束语
参考文献
[1]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010.
[2]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012
[3]《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》GB/T 21714.4-2008
[4]《建筑物防雷装置检测技术规范》GB/T21431-2015
[5]《建筑物内电子设备的防雷保护》张小青编著 电子工业出版设，2000.6
