高大型游乐设施的防雷技术分析

引言

在最新版本的《大型游乐设施安全规范》(GB8408一2018）和游乐设施安全技术监察规程中明确要求,游乐设施低压配电系统接地应采用TN-S或TN-C-S系统,接地电阻小于10Q。高度高于15m的游乐设施和滑索等应设防雷装置,并应采取防闪电电涌侵入措施。若游乐设施的高度高于60m,还应配置防侧击雷装置,防雷装置按《建筑物防雷设计规范》(GB50057一2010）设计。

1问题的提出

游乐园是人员密集场所,装备了大量的高大型游乐设施,如过山车、摩天轮、太空梭、高空旋转塔等,这些游乐设施的高度一般都在15m以上,高的可达60m,甚至更高。高大型游乐设施有非常显著的特点,如金属结构多,基本都是电力驱动,绝大部分设备采用PLC控制技术,自动化控制装置多。由于人员密集,乘用人必定会接触到各式金属构件。同时游乐园中配备有监控等弱电系统,这些均对防雷技术提出了较高的要求。

雷电喜欢捏"软柿子",当雷电击中某个地方后,往后雷电就会喜欢朝着这个地方跑,学术上称这种地方为"雷电巢穴"。大量电子设备的普及使得雷电灾害的危害方式逐渐发生变化,对供电和通信系统产生巨大威胁,从相关的雷击事件统计中不难发现,绝大多数雷击事故发生在供电系统、通信系统、计算机网络系统以及监控系统等弱电设备上。高大型游乐设施,不仅是因为高容易吸引雷电,其附属的电气控制系统中大量的电子电气设备也成为吸引雷电的另一个"雷电巢穴"。就雷击来说,大量智能化、高集成化装置的运用使得雷电事故的表现形式出现较大变化,不光有直击雷,还有感应雷和电磁脉冲。因此,高大型游乐设施的防雷工作应是一个综合防雷工程,必须做到综合治理、整体防御、层层设防、多重防护。

2高大型游乐设施防雷技术

做好高大型游乐设施的防雷工作具有显著的现实意义。本文基于典型的游乐设施电气控制系统,根据相关规范和标准要求,探讨高大型游乐设施主要的防雷技术。

2.1研究对象

某游乐园位于雷击频发区,年雷暴日平均达81天,游乐园中有着多种大型游乐设备。以其中一座高55m的高空旋转塔为研究对象,其由旋转座舱、钢结构塔架和钢筋混凝土基座组成。根据当地气象情况的分析结论,可按照第二类防雷建筑物要求进行防雷设计,主要依据是《建筑物防雷设计规范》(GB50057一2010）第3.0.4条的规定。

2.2接闪器

按照GB50057一2010要求,接闪器的设计可以基于滚球法计算接闪器保护范围,参考公式ī=Vr(2rx-r）-Vrx(2rr-rx）,其中ī为保护半径,r表示接闪高度,rx、rr分别表示被保护物的高度和滚球半径。

就本文研究对象来说,设备厂商本身就有配置接闪器,安装在高空旋转塔顶部,用以保护整座塔上的电气设备、电子元件等。而高空旋转塔的附属结构物一电气控制间距离高空旋转塔较远,厂商配置的接闪器保护半径未覆盖到,因此还需在电气控制间顶部布置接闪器。

2.3引下线

本文研究对象高55m,主体为钢结构塔架,可以利用塔架的钢柱作为引下线。利用镀锌扁钢,通过焊接的方式使塔架钢柱与接闪器可靠连接,引下线下端利用基座内部的钢筋与引下线可靠焊接,共同引入接地体。电气控制间的引下线利用建筑物内部主钢筋,与顶部接闪器连接,下部则与建筑物基础地梁连接,该地梁为直径16mm的钢筋。

2.4接地

在防雷技术中,接地是另一个非常重要的点,对于本文研究对象来说,其接地设计参考三角形接地网,如图1所示。

所有的引下线接入图1所示的接地网中。具体而言,高空旋转塔钢柱引入基座后,将基座内部主钢筋接入基座结构中的基础钢架,将基础钢架作为接地装置,塔架上所有的竖向金属管道均需要接入接地装置。电气控制间的地梁钢架同样是接地装置。两者之间以多组镀锌扁钢作为接地干线接入接地网。

接地体配置于设备与控制间相对靠近的位置,且要求土壤为较为潮湿的黏质土,接地电阻要求10Q以下。接地网埋设深度要求0.5m以上,接地体垂直于地面。接地网的连接采用电弧焊双面焊接,要求焊缝高度5mm,焊缝长度150mm。本文研究对象还存在低压配电系统和弱电系统,这些系统要求接地电阻小于1Q。

2.5防雷电涌

对本文研究对象来说,高空旋转塔与电气控制间是相互独立的,它们所安装的各种电子设备、电气设备经由线缆连接,当高空旋转塔的接闪器遭遇直击雷时,会在接地电阻上产生瞬间高达数百千伏的电压差,这种电压差足够让线缆外部出现闪络,发生阻性耦合,这时雷电电涌就会经过等电位连接进入高空旋转塔上安装的各种电子或电气设备中,并顺着线缆影响电气控制间的控制设备,而且接闪器的接地电阻越大,这种现象越严重。这就是所谓的雷电电涌。

SPD,即防浪涌保护器,它是一种保护用电设备避免出现雷电电磁脉冲或者过电压破坏的一种防雷装备,它可以限制瞬时过电压并且快速泄放电涌电流。一般SPD防护需要安装多级SPD直到将雷电电涌的能量泄放至安全范围内。通过安装I级分类的SPD作为第一级保护,对直击雷电流进行泄放,或者当线路遭受直接雷击时,将传导的巨大能量进行泄放。因为SPD的保护距离有限,在SPD与被保护设备之间的线路中会产生一个距离效应,当这个线路的长度越长,设备与SPD之间的电压差就会越大,对于SPD的限制电压(即电压保护水平）来说必须要比设备的耐受电压低,而且要有足够的裕度才能保证保护有效。对II级SPD来说,假设A设置于电源系统线路入口,B靠近被保护设备,A最大持续电压为280V,保护电压为1300V,B最大持续电压和保护电压分别为280V和700V,连接用的线缆为3mm×4mm的氯乙烯绝缘电缆,可根据表1参数进行仿真模拟来确定SPD的保护距离。经仿真模拟后发现,第I级与第II级SPD之间的线缆长度应最好在30m以内,第II级SPD与被保护设备之间的线路长度最好在1m以内。

2.6等电位连接

根据GB50057一2010的要求,各类电子、电气元件和金属构件外壳均应做等电位连接。此外高空旋转塔上的金属物和电气控制间的金属物均以等电位连接方式接入接地体,并以等电位连接的方式接入接地网中。

2.7雷电监测系统

雷电监测系统负责检测避雷装置动作后进入接地网的脉冲电流强度、雷击电压极性、雷击次数以及各避雷装置动作后的损耗情况,以方便后续防雷装置的检修和维护。

3结语

综上所述,雷电会影响室外高度较高的游乐设备的运行,随着自动化控制设备、监控装置等大量应用在游乐设备上,雷击对设备的危害形式发生了根本性变化,轻则导致电气元件损坏,重则直接威胁承载人员的安全。所以,高大型游乐设施的防雷方案不仅应考虑接闪器+引下线+接地网这种成熟的防直击雷、侧向雷击的方案,还应综合考虑防雷电电涌,做好等电位连接,设置好雷电监测系统。

一般来说,在雷雨天气,当存在连续性较大雷鸣时,应停止20m以上高度的游乐设备,并关闭电源系统。当出现连续小雷鸣时,应停止40m以上高度的设备。当有间歇性小雷鸣时,可监控设备运行。事实上,最好还是在雷雨天气限制游客乘坐高度较高的游乐设备,因为即使防雷措施非常完善也不能够完全保证游客的安全,所以在防雷基础上还需要有相应的安全防护措施。