高大型游樂(lè)設(shè)施的防雷技術(shù)分析

引言

在最新版本的《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》(GB8408一2018）和游樂(lè)設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中明確要求,游樂(lè)設(shè)施低壓配電系統(tǒng)接地應(yīng)采用TN-S或TN-C-S系統(tǒng),接地電阻小于10Q。高度高于15m的游樂(lè)設(shè)施和滑索等應(yīng)設(shè)防雷裝置,并應(yīng)采取防閃電電涌侵入措施。若游樂(lè)設(shè)施的高度高于60m,還應(yīng)配置防側(cè)擊雷裝置,防雷裝置按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057一2010）設(shè)計(jì)。

1問(wèn)題的提出

游樂(lè)園是人員密集場(chǎng)所,裝備了大量的高大型游樂(lè)設(shè)施,如過(guò)山車、摩天輪、太空梭、高空旋轉(zhuǎn)塔等,這些游樂(lè)設(shè)施的高度一般都在15m以上,高的可達(dá)60m,甚至更高。高大型游樂(lè)設(shè)施有非常顯著的特點(diǎn),如金屬結(jié)構(gòu)多,基本都是電力驅(qū)動(dòng),絕大部分設(shè)備采用PLC控制技術(shù),自動(dòng)化控制裝置多。由于人員密集,乘用人必定會(huì)接觸到各式金屬構(gòu)件。同時(shí)游樂(lè)園中配備有監(jiān)控等弱電系統(tǒng),這些均對(duì)防雷技術(shù)提出了較高的要求。

雷電喜歡捏"軟柿子",當(dāng)雷電擊中某個(gè)地方后,往后雷電就會(huì)喜歡朝著這個(gè)地方跑,學(xué)術(shù)上稱這種地方為"雷電巢穴"。大量電子設(shè)備的普及使得雷電災(zāi)害的危害方式逐漸發(fā)生變化,對(duì)供電和通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大威脅,從相關(guān)的雷擊事件統(tǒng)計(jì)中不難發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)雷擊事故發(fā)生在供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等弱電設(shè)備上。高大型游樂(lè)設(shè)施,不僅是因?yàn)楦呷菀孜纂?其附屬的電氣控制系統(tǒng)中大量的電子電氣設(shè)備也成為吸引雷電的另一個(gè)"雷電巢穴"。就雷擊來(lái)說(shuō),大量智能化、高集成化裝置的運(yùn)用使得雷電事故的表現(xiàn)形式出現(xiàn)較大變化,不光有直擊雷,還有感應(yīng)雷和電磁脈沖。因此,高大型游樂(lè)設(shè)施的防雷工作應(yīng)是一個(gè)綜合防雷工程,必須做到綜合治理、整體防御、層層設(shè)防、多重防護(hù)。

2高大型游樂(lè)設(shè)施防雷技術(shù)

做好高大型游樂(lè)設(shè)施的防雷工作具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于典型的游樂(lè)設(shè)施電氣控制系統(tǒng),根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求,探討高大型游樂(lè)設(shè)施主要的防雷技術(shù)。

2.1研究對(duì)象

某游樂(lè)園位于雷擊頻發(fā)區(qū),年雷暴日平均達(dá)81天,游樂(lè)園中有著多種大型游樂(lè)設(shè)備。以其中一座高55m的高空旋轉(zhuǎn)塔為研究對(duì)象,其由旋轉(zhuǎn)座艙、鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土基座組成。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笄闆r的分析結(jié)論,可按照第二類防雷建筑物要求進(jìn)行防雷設(shè)計(jì),主要依據(jù)是《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057一2010）第3.0.4條的規(guī)定。

2.2接閃器

按照GB50057一2010要求,接閃器的設(shè)計(jì)可以基于滾球法計(jì)算接閃器保護(hù)范圍,參考公式ī=Vr(2rx-r）-Vrx(2rr-rx）,其中ī為保護(hù)半徑,r表示接閃高度,rx、rr分別表示被保護(hù)物的高度和滾球半徑。

就本文研究對(duì)象來(lái)說(shuō),設(shè)備廠商本身就有配置接閃器,安裝在高空旋轉(zhuǎn)塔頂部,用以保護(hù)整座塔上的電氣設(shè)備、電子元件等。而高空旋轉(zhuǎn)塔的附屬結(jié)構(gòu)物一電氣控制間距離高空旋轉(zhuǎn)塔較遠(yuǎn),廠商配置的接閃器保護(hù)半徑未覆蓋到,因此還需在電氣控制間頂部布置接閃器。

2.3引下線

本文研究對(duì)象高55m,主體為鋼結(jié)構(gòu)塔架,可以利用塔架的鋼柱作為引下線。利用鍍鋅扁鋼,通過(guò)焊接的方式使塔架鋼柱與接閃器可靠連接,引下線下端利用基座內(nèi)部的鋼筋與引下線可靠焊接,共同引入接地體。電氣控制間的引下線利用建筑物內(nèi)部主鋼筋,與頂部接閃器連接,下部則與建筑物基礎(chǔ)地梁連接,該地梁為直徑16mm的鋼筋。

2.4接地

在防雷技術(shù)中,接地是另一個(gè)非常重要的點(diǎn),對(duì)于本文研究對(duì)象來(lái)說(shuō),其接地設(shè)計(jì)參考三角形接地網(wǎng),如圖1所示。

所有的引下線接入圖1所示的接地網(wǎng)中。具體而言,高空旋轉(zhuǎn)塔鋼柱引入基座后,將基座內(nèi)部主鋼筋接入基座結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)鋼架,將基礎(chǔ)鋼架作為接地裝置,塔架上所有的豎向金屬管道均需要接入接地裝置。電氣控制間的地梁鋼架同樣是接地裝置。兩者之間以多組鍍鋅扁鋼作為接地干線接入接地網(wǎng)。

接地體配置于設(shè)備與控制間相對(duì)靠近的位置,且要求土壤為較為潮濕的黏質(zhì)土,接地電阻要求10Q以下。接地網(wǎng)埋設(shè)深度要求0.5m以上,接地體垂直于地面。接地網(wǎng)的連接采用電弧焊雙面焊接,要求焊縫高度5mm,焊縫長(zhǎng)度150mm。本文研究對(duì)象還存在低壓配電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng),這些系統(tǒng)要求接地電阻小于1Q。

2.5防雷電涌

對(duì)本文研究對(duì)象來(lái)說(shuō),高空旋轉(zhuǎn)塔與電氣控制間是相互獨(dú)立的,它們所安裝的各種電子設(shè)備、電氣設(shè)備經(jīng)由線纜連接,當(dāng)高空旋轉(zhuǎn)塔的接閃器遭遇直擊雷時(shí),會(huì)在接地電阻上產(chǎn)生瞬間高達(dá)數(shù)百千伏的電壓差,這種電壓差足夠讓線纜外部出現(xiàn)閃絡(luò),發(fā)生阻性耦合,這時(shí)雷電電涌就會(huì)經(jīng)過(guò)等電位連接進(jìn)入高空旋轉(zhuǎn)塔上安裝的各種電子或電氣設(shè)備中,并順著線纜影響電氣控制間的控制設(shè)備,而且接閃器的接地電阻越大,這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。這就是所謂的雷電電涌。

SPD,即防浪涌保護(hù)器,它是一種保護(hù)用電設(shè)備避免出現(xiàn)雷電電磁脈沖或者過(guò)電壓破壞的一種防雷裝備,它可以限制瞬時(shí)過(guò)電壓并且快速泄放電涌電流。一般SPD防護(hù)需要安裝多級(jí)SPD直到將雷電電涌的能量泄放至安全范圍內(nèi)。通過(guò)安裝I級(jí)分類的SPD作為第一級(jí)保護(hù),對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放,或者當(dāng)線路遭受直接雷擊時(shí),將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。因?yàn)镾PD的保護(hù)距離有限,在SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的線路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)距離效應(yīng),當(dāng)這個(gè)線路的長(zhǎng)度越長(zhǎng),設(shè)備與SPD之間的電壓差就會(huì)越大,對(duì)于SPD的限制電壓(即電壓保護(hù)水平）來(lái)說(shuō)必須要比設(shè)備的耐受電壓低,而且要有足夠的裕度才能保證保護(hù)有效。對(duì)II級(jí)SPD來(lái)說(shuō),假設(shè)A設(shè)置于電源系統(tǒng)線路入口,B靠近被保護(hù)設(shè)備,A最大持續(xù)電壓為280V,保護(hù)電壓為1300V,B最大持續(xù)電壓和保護(hù)電壓分別為280V和700V,連接用的線纜為3mm×4mm的氯乙烯絕緣電纜,可根據(jù)表1參數(shù)進(jìn)行仿真模擬來(lái)確定SPD的保護(hù)距離。經(jīng)仿真模擬后發(fā)現(xiàn),第I級(jí)與第II級(jí)SPD之間的線纜長(zhǎng)度應(yīng)最好在30m以內(nèi),第II級(jí)SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的線路長(zhǎng)度最好在1m以內(nèi)。

2.6等電位連接

根據(jù)GB50057一2010的要求,各類電子、電氣元件和金屬構(gòu)件外殼均應(yīng)做等電位連接。此外高空旋轉(zhuǎn)塔上的金屬物和電氣控制間的金屬物均以等電位連接方式接入接地體,并以等電位連接的方式接入接地網(wǎng)中。

2.7雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)避雷裝置動(dòng)作后進(jìn)入接地網(wǎng)的脈沖電流強(qiáng)度、雷擊電壓極性、雷擊次數(shù)以及各避雷裝置動(dòng)作后的損耗情況,以方便后續(xù)防雷裝置的檢修和維護(hù)。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述,雷電會(huì)影響室外高度較高的游樂(lè)設(shè)備的運(yùn)行,隨著自動(dòng)化控制設(shè)備、監(jiān)控裝置等大量應(yīng)用在游樂(lè)設(shè)備上,雷擊對(duì)設(shè)備的危害形式發(fā)生了根本性變化,輕則導(dǎo)致電氣元件損壞,重則直接威脅承載人員的安全。所以,高大型游樂(lè)設(shè)施的防雷方案不僅應(yīng)考慮接閃器+引下線+接地網(wǎng)這種成熟的防直擊雷、側(cè)向雷擊的方案,還應(yīng)綜合考慮防雷電電涌,做好等電位連接,設(shè)置好雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō),在雷雨天氣,當(dāng)存在連續(xù)性較大雷鳴時(shí),應(yīng)停止20m以上高度的游樂(lè)設(shè)備,并關(guān)閉電源系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)小雷鳴時(shí),應(yīng)停止40m以上高度的設(shè)備。當(dāng)有間歇性小雷鳴時(shí),可監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行。事實(shí)上,最好還是在雷雨天氣限制游客乘坐高度較高的游樂(lè)設(shè)備,因?yàn)榧词狗览状胧┓浅Ｍ晟埔膊荒軌蛲耆ＷC游客的安全,所以在防雷基礎(chǔ)上還需要有相應(yīng)的安全防護(hù)措施。