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电梯防雷器件的应用

一. 雷电概述:
    由于强对流天气而形成的雷暴会伴有火花放电，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电，作为一种极具破坏力的自然现象的雷电，其电压可数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培，落雷后在雷击中心1.5-2km范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。
    雷电危害可大致分为直击雷、感应雷和雷电波侵入三种。避雷针只能对直击雷起到防范作用，而对由雷电产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流而形成的感应雷却无能为力(这些感应电压的高低随着金属形状、距地线的距离和雷击大小而变，根据iec1312标准，当雷电击中建筑物时，即使装有避雷针，约50%的雷击能量仍会分配到电源系统)。感应雷沿着天馈线、信号线、电源线等导电体，进入建筑内部击中低压配电系统中的各种弱电设备，造成重大经济损失。
    根据气温高水汽大的地方较易产生雷电，因此夏季雷电多于春秋季。我国南方比北方气温高、湿度大，这也是我国南方雷击现象多于北方的原因。按年平均雷暴日数(td)计算，我国雷活动区可分为少雷区(<15天)、中雷区(15～40天)、多雷区(41～90天)、强雷区(>90天)四个范围。从下表1数据可以看到，不同地区的雷击风险差异很大：

表1 部分地区雷击风险差异
二. 电梯防雷现状：
    根据《建筑物防雷设计规范》(gb50057-94)第3.1.1条，各类防雷建筑物应采取防直击雷和防雷电波侵入的措施。
    现阶段，建筑物一般都需要进行建筑物外部和内部两个方面的防雷措施。建筑物外部防雷，包括加装避雷针(接闪器)，铺设防雷接地网的方式，建筑物内部防雷，包括接地，等电位连接，屏蔽，加装电涌保护器件(spd)等。
    接地是防雷系统中最基础的环节，电梯系统属于建筑物内部电气设备，在不同品牌的电梯设计中，大部分已经就接地保护进行相关设计，也具备过电压保护的能力。但考虑雷击次数、区域和产生的能量的不可预见性，要有效地预防雷击灾害，单靠保护性接地一项措施还远远不足够。特别是要结合雷击风险考虑，现在大部分电梯品牌，都并没有针对不同雷击风险环境下进行不同等级的防雷保护设施，这是出现雷击停梯故障甚至烧毁电子板的主要原因。
    据调查，在以往几年中，电梯遭受雷击而发生多次故障停梯的情况经常发生(特别在南方地区)，其中不乏伴随出现烧毁电子板的情况，且通常烧毁的大部分是主微机板或信号处理板。出现此类故障会造成电梯的紧急制动停止，并有可能对电梯乘客造成恐慌甚至受伤。
    电梯是分散使用在全国各大城市。充分了解各大城市的地区差异，针对差异对电梯进行适当配置，将有利于电梯在该地区的推广和维护。电梯安装在建筑物内，受建筑物避雷针或避雷网保护，被直击雷击中的可能性很小，因此可将注意力集中到防范感应雷方面。
三. 电涌保护器(spd)保护：
    在电梯控制系统使用电涌保护器(spd)能对防止雷击灾害起到更有效的作用，电梯控制系统内部存在大量低压控制线路，电涌保护器(spd)用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的电器器件，并联或串联于线路处，平时呈高阻态，当有瞬态电涌时候，spd就会导通，将电涌泄放到大地上，将线路两端的残余电压(以下简称“残压”)控制在一定范围内。spd按照保护的电压等级不同而各异，一般情况下，会有三个保护等级，如下图1所示：

图1 spd3级防雷保护示意图
    a)第1级spd并联设置在建筑总配电箱及电表处，进行雷电电流放电，将雷击电涌在该段线路的残压控制在4000伏内，避免瞬间击毁设备。现时国内大部分建筑物已设置第1级防雷spd(一般设置在建筑总配电房内)，这也是《建筑物防雷设计规范》中的最基本要求，故在电梯配置中不考虑该等级防雷spd器件的配置。
b)在系统机房客户提供的配电箱内或设备附近安装第2级spd作为保护，将雷击电涌残压控制在2500伏内。
c)第3级spd用于低压电气设备回路保护，采用并联或串联的方式，将雷击电涌的残压控制在各电子板或重要电气器件可以承受的范围之内。
    需要特别指出的是3个保护等级只是泛指，并不是代表每台电梯都需要按此等级配置方式进行防护，同样的，按照保护的重要性和精细程度甚至可以进行4级、5级的保护，它们的原理是相同的，其最终目的都是将设备或元件的雷击电涌残压控制在可以承受的范围内。
    针对电梯的操作性，建议选用模块化设计，更换方便的电涌保护器件。模块失效会自动脱离电梯控制系统，并在模块表面能清晰显示其模块工作状况。就2级和3级电涌保护器(spd)的选型作分析，可在电梯机房配电箱空气开关内或控制柜三相入线侧加装2级电涌保护器。在防雷标准中，第2级spd残压必须≤2.5kv。产品通流量大小是可选的，只要符合楼宇或机房防雷容量即可，也不宜选择通流量参数过大的，通常雷电的放电电流通常处于15~25ka的范围内。以下为某公司其中某类型号电梯选取的2级spd电涌保护器的配置，相关参数参见下表2的内容：

表2 某型号电梯2级spd配置
    考虑电梯微机电源或信号采集部分大都为低压工作回路，承受瞬间高电压冲击的能力不强，但如果发生损坏会导致电梯出现瞬时故障，造成乘客受困甚至受伤的情况。故有必要引入3级电涌保护器对控制系统中的重要电子板进行保护，以有效防止因电子板损坏而造成的电梯瞬时故障。针对电梯使用的电子板种类繁多，各电子板之间线路和相关电气性能有较大差异，而且每种电子板上存在不同电压级别的电源回路及信号回路。需要按照实际要保护的对象进行分析，挑选适当的3级spd保护元件。下表3是针对电梯控制系统电子板的简要分析：

表3 电梯电路板3级spd保护等级分析
    因为spd具有一定的保护距离(一般为3～5米内，在保护距离之内发挥作用能有效降低雷击带来电涌，将残压限制在电路板可承受范围内，实现保护电子板的效果)，所以各电子板的保护位置就应选取为spd安装位置附近。对重要电子板电源供电线路进行spd保护。可应对在电子板的工作电压和控制电路电压中的各等级供电电源线路进行spd保护，并且spd的额定电压必须与保护的回路电压等级相匹配。
    为了核查雷击发生的频率和电涌保护器的保护效果，建议在2级和3级spd端加装雷击计数器(设定电流触发级别)，用于统计该设备曾经受雷击的情况，并且可以作为日后效果评估的重要数据参考。
四. 总  结
    防雷电涌保护器件(spd)本身已经在建筑物中得到广泛地应用。电梯也已经间接地在其保护下(第1级防雷保护)。因此，把参数适合的spd应用到电梯上的风险不大，而且有下面以下优点:
    1. spd在电梯上的应用问题，最大的优点是它本身的安装和维护方面具有很好的独立性和便捷性，并不会影响电梯的正常运作；
    2. 弥补电梯对雷击风险评估的不足，可以根据不同的雷击风险和客户要求设计相应等级的防雷保护措施。
    3. 增强电梯抵御雷击事故的能力。
    4. 但要将spd的加装纳入电梯选配功能或电梯改造附加工程，还需解决以下问题：
    a).加装spd的效果评估，雷电是小概率事故，常常被定位为“不可抗拒力”。电梯加装spd后的数据收集整理和统计会是一项长期的任务。
    b).产品投入策略问题。第2、3级spd的加装成本，消化开发前期会进行小批量的投入试验，每套(含2、3级)成本估计会在3～6千元内甚至更高，客户是否可以接受这种有偿配置可根据公司需求作评估和选择。
    c).对于防雷电涌保护器件(spd)的选择，是考虑自行开发或选取有资质的防雷公司产品可根据自身公司需求作评估和选择。从专业性角度考虑，建议选取有资质的防雷公司产品消化设计可有效降低开发成本和开发周期。
    综上所述：防雷电涌保护器件(spd)可根据不同市场，环境等相关因素作选配配置，有效加强电梯产品的稳定性和控制故障率，在电梯上的应用具有其优点和应用前景。

资料整理—— 东莞市西子电梯有限公司