一起高层电梯雷电感应过电压雷击事故分析

1事故概况

2017-08-06T19:00—21:00,位于福州市仓山区建新镇洪塘支路26号的园亭新村居民小区遭受雷击,此次雷击造成3～5号楼内各1台电梯机房控制柜内的变频器、开关电源、控制电脑主板损坏,经济损失达10万元。

2事故现场调查分析

经现场勘察,建筑物屋面接闪带上无明显接闪雷电痕迹,屋檐屋角等易遭受雷击部位均无雷击受损痕迹,电梯机房电源线路从建筑物一层强电井的总配电箱内沿强电井通往屋面电梯机房分配电箱,并分别在一层电源总配电箱内安装一级电源浪涌保护器,在电梯机房电源总配电箱内安装二级电源电涌保护器,电涌保护器选型及安装符合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2012）要求。机房总配电箱内电源电涌保护器雷电计数器显示为零,电梯电源线路无雷电浪涌侵入,电梯机房电源系统接地线引自建筑物一层电源总配电箱接地排,接地连接可靠无松动。综上分析,本次园亭新村电梯雷电灾害事故的原因可以排除由直击雷击中电梯所在建筑物或电梯供电的电源线路造成。

3闪电定位资料分析

根据福建省雷电监测系统的闪电定位资料统计显示,2017年8月6日距离福州市仓山区建新镇洪塘支路26号园亭新村500m范围内发生两次对地闪电,闪电定位资料如表1所示。第一次发生于2017-08-06T19:53:05,距离受灾点约400m,放电电流为21.41kA:第二次发生于2017-08-06T19:56:49,距离受灾点约100m,放电电流为20.992kA。

本次事故可以认定2017年8月6日福州市园亭新村发生了短时强对流雷暴天气,其雷电活动强烈,先后两次雷击受灾小区附近的时间间隔不到3s,两次雷击电磁脉冲是导致此次电梯雷电灾害事故发生的首要原因。

4电梯雷击灾害事故分析

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2012）的规定,雷击致损原因按雷击点的不同位置可分为4种:雷击建筑物上、雷击建筑物附近、雷击连接到建筑物的服务设施、雷击连接到建筑物的服务设施附近。

根据闪电定位资料分析,本次电梯雷击事故可能原因为"雷击建筑物附近",强大的雷击电磁脉冲产生的闪电感应雷过电压,造成电梯控制柜内直流电子元器件损坏。

4.1电梯控制柜内感应电压计算

电梯机房突出于建筑物屋顶天面,机房屋面楼板采用独立钢筋混泥土结构,四周墙体均采用砖混合结构,机房屋面暗敷于楼板内的钢筋网格与建筑物主体钢筋网格结构无法实现电气导通,机房天面及其墙体无法形成屏蔽空间,机房内电源及控制线路均无屏蔽措施,机房空间内电梯控制柜内设备处于LPZ0B磁场区域内,本区域内各物体不可能遭受直接雷击,本区域内的电磁场强度没有衰减。下面计算两次雷击电梯机房内磁场强度和控制柜内的感应电压。

电梯机房处于LPZ0B磁场区域内,按式（1）计算机房内磁场强度H0（引自《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）:

电梯机房控制柜内部感应电压,按式（2）计算电梯控制柜内最大的开路感应电压U0（引自《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）:

第一次雷击的雷电流i0值为21.410kA,闪电定位点与电梯机房距离Sa为400m,按式（1）计算,i0=21.410kA,π=3.14,Sa=400m,故第一次雷击电梯机房磁场强度H1≈8.52A/m。

第二次雷击的雷电流i0值为20.992kA,闪电定位点与电梯机房距离Sa为100m,按式（1）计算,i0=20.992kA,π=3.14,Sa=100m,故第二次雷击电梯机房磁场强度H2≈33.42A/m。

考虑电梯控制柜尺寸为0.5m×0.3m×1.2m,其电力线路与信息线路构成的最大环路面积为0.6m2,真空磁导系数μ0为4π·10-7[V·s/（A·m）],首次负极性以后雷击取波头时间T1为0.25×10-6s,环路长度取柜体高度7=1.2m,环路宽度取柜体宽度ó=0.5m,按式（2）计算,第一次雷击控制柜内的感应电压U01≈25.68V,第二次雷击控制柜内的感应电压U02≈100.74V。

4.2电梯雷击事故致损原因分析

现场勘查福州市园亭新村建筑物主体结构雷电防护措施完善,电梯机房电源总配电箱内电涌保护器指示正常,机房内电源线路上的感应过电压已经受到抑制,而电梯控制柜内未安装电涌保护器,两次雷电电磁脉冲在控制柜内回路中感应产生的瞬态过电压可以使电子设备工作失效。

第一次雷击受灾小区附近时,电梯控制柜内部开路最大感应电压U01≈25.68V:第二次雷击受灾小区附近时,电梯控制柜内部开路最大感应电压U02≈100.74V,两次雷击产生的感应电压数值为控制柜内直流元器件工作电压5V的几十倍,直接造成电梯控制柜内的直流电子元器件失效损坏。可见,造成本次电梯雷击损坏事故的原因是两次雷击受灾小区附近产生的强大雷击电磁脉冲在电梯机房控制柜内回路中感应产生瞬态过电压,进而导致柜内直流电子元器件失效损坏。

5电梯的雷电防御完善措施

本文对福州市园亭新村的电梯雷击事故进行了雷击致损原因分析,得出"雷击建筑物附近"时在电梯控制柜内产生的过电压是导致电梯控制柜内电子元器件失效的主要因素,需要在电梯控制柜内增加安装电涌保护器,使其与设备耐压水平相适应,起到抑制雷电过电压的作用。为防止福州市园亭新村发生其他3种雷击致损原因的雷击事故发生,电梯应采取综合防雷保护措施,做好机房空间屏蔽和线路及弱电控制设备屏蔽、设备等电位连接、电源及控制系统线路安装相适配的电涌保护器、合理布线、防高电位反击等措施,才能提高电梯的雷电防御能力,保证电梯在恶劣气象条件下仍能安全运行。

6结论

本文根据闪电定位资料,确定了本次电梯雷击事故的致损原因,通过计算受灾电梯设备的磁场强度及感应过电压,得出如下结论:

(1）电梯在设计、安装及监督检验过程中,普遍只考虑电梯所在建筑物的外部防雷措施及电梯设备接地,忽视了机房井道的空间屏蔽、井道内随行控制线缆屏蔽、安全隔离、合理布线、高电位反击等雷电防护技术的综合利用。

(2）高层电梯的综合防雷设施应增加电梯防雷击电磁脉冲措施。因此,高层电梯综合防雷系统应包括建筑物外部防雷措施和内部电梯防雷措施。由建筑物主体结构的接闪器、引下线、接地装置、电梯机房及井道空间屏蔽、共用接地系统、设备安全隔离保护、设备屏蔽、等电位连接、合理布线、电涌保护、电子系统高电位反击保护等措施,构成高层电梯综合防雷系统。