岸邊集裝箱起重機防雷電保護系統改進技術

天津港歐亞國際集裝箱碼頭有限公司工程技術部　武　彬

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岸邊集裝箱起重機防雷電保護系統改進技術

天津港歐亞國際集裝箱碼頭有限公司工程技術部武彬

摘要:分析了岸邊集裝箱起重機因雷擊出現的問題，介紹了雷電及港口裝卸設備防雷系統，提出了防雷保護解決方案及防雷保護系統設計改進技術。

關鍵詞:岸邊集裝箱起重機； 雷電； 感應雷； 重量傳感器；防雷保護；電涌保護器

1前言

岸邊集裝箱起重機(簡稱岸橋)是集裝箱碼頭裝卸設備的重要組成部分。為了適應船舶大型化的發展，岸橋起升高度和外伸距越來越大，以天津港歐亞國際岸橋為例，地面上起升高度43 m，前大梁外伸距66 m，岸橋大梁在漲起狀態時，最高點距地面128 m，根據尖端放電的原理和雷電選擇特性，岸橋是集裝箱碼頭上最容易遭受雷擊的設備。

近5年來，公司11臺岸橋中有5臺次因雷擊造成重量傳感器損壞，直接經濟損失123 000元，此外由于備件采購時間長而導致設備停機，嚴重影響設備的正常作業，因此有必要對岸橋防雷保護系統進行技術改造。

2岸橋防雷系統

一套完整的防雷保護系統應該包括外部防雷系統和內部防雷系統。

2.1外部防雷系統

外部防雷系統是針對直擊雷采取的保護措施。由于岸橋是集裝箱碼頭上最高的建筑物，根據尖端放電原理：導體(岸橋鋼結構)尖端(前大梁或梯形架)的電荷特別密集，尖端附近的電場特別強，容易發生尖端放電，即遭到雷擊。為了避免直擊雷造成的損害，按照JT556-2004《港口防雷與接地技術要求》，岸橋配備了接閃器；引下線；接地裝置等防雷裝置[1]。如圖1所示。

接閃器指的是避雷針，布置在梯形架及前大梁上。在岸橋作業狀態，梯形架避雷針高約82 m，當岸橋漲俯仰停車狀態時，避雷針高約128 m。接閃器的作用是把閃電從被保護對象上方引向自己并安全地泄入大地。

引下線指連接接閃器與接地裝置的金屬導體。由于岸橋自身為鋼結構的特性，因此岸橋直接利用鋼結構作為引下線保護；同時，在鋼結構鉸點連接和螺栓連接的地方設至跨界導線，最后通過海、陸側各自接地靴與大車軌道可靠接觸。

圖1　岸橋外部防雷系統示意圖

岸橋防雷系統的接地裝置為大車軌道，按要求每間隔30～50 m設置一個接地點，以便使雷電流順利導入大地。

2.2內部防雷系統

內部防雷系統主要是針對感應雷采取的保護措施。內部防雷系統保護措施主要包括：等電位系統、合理布線、屏蔽、電涌保護[2]。

等電位系統是指將電器柜、電纜屏蔽線、室外接線箱殼體及變壓器的中性點可靠接地，目的是降低鋼結構與電器柜內設備之間的電壓差。

合理布線要求電線在布置時，強電與弱電電纜分開布置，電氣室外圍布線盡量走大梁金屬結構內部，對于重要信號電纜可通過穿金屬管敷設，金屬管兩端要與鋼結構可靠接地連接[3]。

屏蔽措施主要針對弱電信號線路，要求信號電纜使用帶金屬屏蔽層電纜，在電纜的兩端將屏蔽層與等電位系統可靠連接。

電涌保護是指利用電涌保護器將因電磁感應竄入線路的瞬時過電壓限制在設備能承受的范圍內，或將雷電流泄放流入地，保證設備不會因沖擊電壓、電流而損壞。

3岸橋防雷系統改進技術

3.1存在的問題

2009年5月至2014年8月，共計有5臺次岸橋發生過重量傳感器在雷暴天氣后損壞，故障現象為傳感器輸出數值為數值異常。現場勘查未發現損壞的重量傳感器有明顯的雷擊跡象。

岸橋配備了接閃器、引下線、接地裝置等防雷裝置。 在現場檢驗時發現，發生損壞的岸橋當時均處于漲俯仰狀態，前大梁避雷針處于127 m高空，是碼頭范圍內最高點，雷電通過避雷針接閃，鋼結構做引下線，經接地靴及大車軌道進行放電，保護其他位置不被雷電直接擊中，外部防雷系統工作可靠。

根據雷擊方式，可確定重量傳感器因感應雷造成損壞。進一步分析發現，岸橋重量傳感器安裝在前大梁最前端，距離前大梁避雷針最近處只有1 m距離，且處于雷電流引下線路徑中，當前大梁避雷針引雷放電時，重量傳感器電源線路和信號反饋線路中耦合串入感應雷電壓。

通過說明書可知，重量傳感器為銷軸式傳感器，傳感器供電電壓為直流24 V，當銷軸受力后，傳感器內部電阻應變片橋式電路電阻發生變化，再通過傳感器內置發大器，對應輸出端反饋電流值為4～20 mA；傳感器內置放大器對過電流和過電壓的耐受能力很低。當感應雷電壓耦合到電源線路、反饋信號線路后，會造成內置放大器損壞，傳感器輸出數值異常。

重量傳感器安裝位置距離避雷針很近，且未設置電涌保護裝置，在安全隔離距離設置不足的情況下，增加了雷電脈沖電流以及空間電磁感應過電壓串入傳感器線路的風險，進而造成重量傳感器內置放大器損壞，數值輸出異常。

3.2防雷保護系統改進

鑒于岸橋在內部防雷系統存在缺陷，決定針對重量傳感器，加強內部防雷系統的完善。

3.2.1防雷保護系統改進方案

每臺岸橋有4個重量傳感器，每個重量傳感器的供電線路及信號反饋線路都是獨立布置，因此應該對每個重量傳感器回路單獨設置電涌保護器保護。由于重量傳感器位于前大梁端部，為了增強保護器保護效果，電涌保護器安裝位置盡量靠近重量傳感器。根據傳感器工作電壓等級為直流24 V，選擇一款電涌保護器DPI CD EXI+D 2X24 M(見圖2)，主要參數如下：標稱電壓24 V，直流最大持續工作電壓48 V。

圖2　電涌保護器DPI CD EXI+D 2X24 M 及內部原理圖

3.2.2防雷保護系統的改進

在實際安裝時，考慮到每個重量傳感器接線為三線制，即24 V電源P及N,還有信號反饋線，而重量傳感器接地線未與自身金屬部分連接，同時考慮到傳感器接地線接地點距電涌保護器安裝位置距離較遠，為保證保護效果，將電涌保護器接地線GN/YE就近與鋼結構連接，傳感器電源P接電涌保護器BK，然后將電涌保護器公共參考點BL 及RD 短接，再與傳感器電源N連接，最后信號反饋線接BR，從而使防雷保護器發揮最優保護效果。

4結語

通過實施重量傳感器防雷改造，提高了岸橋設備適應雷電環境的能力，經過1年使用，未再發生重量傳感器因雷擊損壞情況，設備可靠性大大增強。

由于岸橋小車供電拖鏈電纜(滑觸線)沿著前大梁布置，而且前大梁是雷電引下線路徑，司機室及吊具內電氣元件也是岸橋上容易發生感應雷擊損壞的部位，作為防雷保護的重點也應重視。

參 考 文 獻

[1]JT 556-2004 . 港口防雷與接地技術要求[S].

[2]曲之國.淺談港口設施防雷[J].港口科技，2009( 08) :36-38.

[3]IEC 62305-2006.Protection against lightning[S].

武彬： 300461，天津市塘沽區臨海路1698號

Theory and Practice of the Quay Crane's Lightning Protection

Engineering Technology Department of Tianjin Port Alliance International Container Terminal Co.,Ltd.Wu Bin

Abstract:This paper analyzes the Quay Crane's problem caused by lighting, introduces the lightning protection system of port machinery, and proposes the solution of lighting protection and the improvement techniques of the system.

Key words:quay crane; lighting; inductive thunder; weight sensor; lightning protection; SPD

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.003

收稿日期：2015-08-20