引言

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

1問題的提出

游樂園是人員密集場所,裝備了大量的高大型游樂設施,如過山車、摩天輪、太空梭、高空旋轉塔等,這些游樂設施的高度一般都在15m以上,高的可達60m,甚至更高。高大型游樂設施有非常顯著的特點,如金屬結構多,基本都是電力驅動,絕大部分設備采用PLC控制技術,自動化控制裝置多。由于人員密集,乘用人必定會接觸到各式金屬構件。同時游樂園中配備有監(jiān)控等弱電系統(tǒng),這些均對防雷技術提出了較高的要求。

雷電喜歡捏"軟柿子",當雷電擊中某個地方后,往后雷電就會喜歡朝著這個地方跑,學術上稱這種地方為"雷電巢穴"。大量電子設備的普及使得雷電災害的危害方式逐漸發(fā)生變化,對供電和通信系統(tǒng)產生巨大威脅,從相關的雷擊事件統(tǒng)計中不難發(fā)現,絕大多數雷擊事故發(fā)生在供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機網絡系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等弱電設備上。高大型游樂設施,不僅是因為高容易吸引雷電,其附屬的電氣控制系統(tǒng)中大量的電子電氣設備也成為吸引雷電的另一個"雷電巢穴"。就雷擊來說,大量智能化、高集成化裝置的運用使得雷電事故的表現形式出現較大變化,不光有直擊雷,還有感應雷和電磁脈沖。因此,高大型游樂設施的防雷工作應是一個綜合防雷工程,必須做到綜合治理、整體防御、層層設防、多重防護。

2高大型游樂設施防雷技術

做好高大型游樂設施的防雷工作具有顯著的現實意義。本文基于典型的游樂設施電氣控制系統(tǒng),根據相關規(guī)范和標準要求,探討高大型游樂設施主要的防雷技術。

2.1研究對象

某游樂園位于雷擊頻發(fā)區(qū),年雷暴日平均達81天,游樂園中有著多種大型游樂設備。以其中一座高55m的高空旋轉塔為研究對象,其由旋轉座艙、鋼結構塔架和鋼筋混凝土基座組成。根據當地氣象情況的分析結論,可按照第二類防雷建筑物要求進行防雷設計,主要依據是《建筑物防雷設計規(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,接閃器的設計可以基于滾球法計算接閃器保護范圍,參考公式ī=Vr(2rx-r）-Vrx(2rr-rx）,其中ī為保護半徑,r表示接閃高度,rx、rr分別表示被保護物的高度和滾球半徑。

就本文研究對象來說,設備廠商本身就有配置接閃器,安裝在高空旋轉塔頂部,用以保護整座塔上的電氣設備、電子元件等。而高空旋轉塔的附屬結構物一電氣控制間距離高空旋轉塔較遠,廠商配置的接閃器保護半徑未覆蓋到,因此還需在電氣控制間頂部布置接閃器。

2.3引下線

本文研究對象高55m,主體為鋼結構塔架,可以利用塔架的鋼柱作為引下線。利用鍍鋅扁鋼,通過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部主鋼筋,與頂部接閃器連接,下部則與建筑物基礎地梁連接,該地梁為直徑16mm的鋼筋。

2.4接地

在防雷技術中,接地是另一個非常重要的點,對于本文研究對象來說,其接地設計參考三角形接地網,如圖1所示。

所有的引下線接入圖1所示的接地網中。具體而言,高空旋轉塔鋼柱引入基座后,將基座內部主鋼筋接入基座結構中的基礎鋼架,將基礎鋼架作為接地裝置,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。

接地體配置于設備與控制間相對靠近的位置,且要求土壤為較為潮濕的黏質土,接地電阻要求10Q以下。接地網埋設深度要求0.5m以上,接地體垂直于地面。接地網的連接采用電弧焊雙面焊接,要求焊縫高度5mm,焊縫長度150mm。本文研究對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

對本文研究對象來說,高空旋轉塔與電氣控制間是相互獨立的,它們所安裝的各種電子設備、電氣設備經由線纜連接,當高空旋轉塔的接閃器遭遇直擊雷時,會在接地電阻上產生瞬間高達數百千伏的電壓差,這種電壓差足夠讓線纜外部出現閃絡,發(fā)生阻性耦合,這時雷電電涌就會經過等電位連接進入高空旋轉塔上安裝的各種電子或電氣設備中,并順著線纜影響電氣控制間的控制設備,而且接閃器的接地電阻越大,這種現象越嚴重。這就是所謂的雷電電涌。

SPD,即防浪涌保護器,它是一種保護用電設備避免出現雷電電磁脈沖或者過電壓破壞的一種防雷裝備,它可以限制瞬時過電壓并且快速泄放電涌電流。一般SPD防護需要安裝多級SPD直到將雷電電涌的能量泄放至安全范圍內。通過安裝I級分類的SPD作為第一級保護,對直擊雷電流進行泄放,或者當線路遭受直接雷擊時,將傳導的巨大能量進行泄放。因為SPD的保護距離有限,在SPD與被保護設備之間的線路中會產生一個距離效應,當這個線路的長度越長,設備與SPD之間的電壓差就會越大,對于SPD的限制電壓(即電壓保護水平）來說必須要比設備的耐受電壓低,而且要有足夠的裕度才能保證保護有效。對II級SPD來說,假設A設置于電源系統(tǒng)線路入口,B靠近被保護設備,A最大持續(xù)電壓為280V,保護電壓為1300V,B最大持續(xù)電壓和保護電壓分別為280V和700V,連接用的線纜為3mm×4mm的氯乙烯絕緣電纜,可根據表1參數進行仿真模擬來確定SPD的保護距離。經仿真模擬后發(fā)現,第I級與第II級SPD之間的線纜長度應最好在30m以內,第II級SPD與被保護設備之間的線路長度最好在1m以內。

2.6等電位連接

根據GB50057一2010的要求,各類電子、電氣元件和金屬構件外殼均應做等電位連接。此外高空旋轉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中。

2.7雷電監(jiān)測系統(tǒng)

雷電監(jiān)測系統(tǒng)負責檢測避雷裝置動作后進入接地網的脈沖電流強度、雷擊電壓極性、雷擊次數以及各避雷裝置動作后的損耗情況,以方便后續(xù)防雷裝置的檢修和維護。

3結語

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

一般來說,在雷雨天氣,當存在連續(xù)性較大雷鳴時,應停止20m以上高度的游樂設備,并關閉電源系統(tǒng)。當出現連續(xù)小雷鳴時,應停止40m以上高度的設備。當有間歇性小雷鳴時,可監(jiān)控設備運行。事實上,最好還是在雷雨天氣限制游客乘坐高度較高的游樂設備,因為即使防雷措施非常完善也不能夠完全保證游客的安全,所以在防雷基礎上還需要有相應的安全防護措施。