談岸邊集裝箱起重機防雷措施及應用

肖炳林

（廣州港股份有限公司南沙集裝箱碼頭分公司，廣東廣州 511462）

1 雷電風險評估

參考IEC 62305-2-2006，雷電對人體，電氣設備的危害來源，主要有雷擊設備，設備附近發生閃電，雷擊公共設施（供配電線路，通信線路等），公共設施附近發生閃電。相應損壞類型有：由接觸和跨步電壓造成對人的傷害，雷電效應包括火花產生的物理損壞（火災，爆炸，機械破壞，化學物質釋放）以及雷電電磁干擾帶來的內部系統故障，這些風險均可能導致損失包括人員傷亡，設施損壞及經濟損失等。雷電風險分析的目的在于明確該區域的潛在雷電危害，并將危害細化、量化，進而根據具體數據分析危害的種類和級別，判斷該區域的防雷設施是否滿足防護需求，作為雷電防護整改的主要依據。

大型集裝箱專業港口，普遍建設于城市郊區較為空曠的臨水地帶，所配置岸橋整體的高度較高易接閃，當雷電發生時引入雷電之后經過鋼結構泄放到大地，同時電氣系統內接地系統與外部系統共用接地，當發生雷電流時，會串入電氣系統的接地系統，造成瞬間帶電線路與外部電壓差，造成電氣設備損壞。當岸橋附近發生雷電流，會造成岸橋整體因為地電位反擊，導入部分雷電流，同樣存在對于電氣系統的危險。

2 港口防雷與接地技術要求

岸邊集裝箱起重機和場地輪胎式集裝箱龍門起重機上安裝的無線通訊設備的接收或發射天線，應有防直擊雷的設施及安裝浪涌保護器，保護器的接地線與車體就近連接。電源浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）的選擇和安裝因考慮以下因素。

（1）被保護設備對沖擊過電壓的承受能力和技術要求。

（2）建筑物或保護設備所處環境的自然狀況和LPZ的界面位置。

（3）在LPZ0之與LPZ1界面處安裝通過I級分類試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作第一級保護，LPZ1之后（含LPZ1區）各分區界面處應根據設備承受過電壓的能力安裝限壓型分級浪涌保護器。直流設備視其工作電壓的要求，宜采用適配的直流電源浪涌保護器。

（4）電源浪涌保護器必須能承受預期通過它的浪涌電流和有熄滅工頻續流的能力。

（5）電源浪涌保護器的殘壓和兩端引線的感應電壓（壓降）之和應低于被保護設備額定耐沖擊過電壓值。

（6）一級SPD應由熔斷器作熱熔和過流保護。熔斷器在主電路上的熔絲電流比宜為1∶1.6或1∶2，并能在額定通流容量下不斷開。

（7）電源浪涌保護器宜有聲、光報警，或有遙控信號裝置和雷擊次數顯示等狀態功能和劣化顯示等。

3 岸橋防雷措施

3.1 外部避雷針防雷措施

在港區內，一般情況下岸橋均為最高建筑物，加上其全部由金屬構成，極易遭受直接雷擊。根據岸橋的金屬和電氣結構組成，需要在最高點處設置避雷針，用于接閃可能發生的直接雷擊，并利用鋼結構作為引下線，再通過海陸側接地點，將雷電流引入大地（圖1）。

根據外部避雷針設計計算公式，如使用原始的避雷針，需要在岸橋頂部設置高度至少10 m以上的避雷針，才能夠保護岸橋各部位都不受直接雷擊，但是現實操作中存在較大難度，無法實現。

然而，提前預放電式避雷針，自帶離子發生器，可準確控制落雷點，安裝高度僅為1.5 m。工作原理：當雷雨云層形成或到達時便在云層與地間產生一個電場（大氣）。此電場可能在地面上達到5 kV/m，因而從地面凸起部份或金屬部件上開始出現電暈放電。當雷電云層內部形成一個下行先導時，閃電電擊便開始了。下行先導電荷放電以步進形式向地面移動。下行先導攜帶著的電荷使地面建立起來了電場。從地面上的建筑物式物體（岸橋）產生了一個上行的先導。此上行先導向上傳播一直到與下行先導會合，此時，閃電電流便流過所形成的通道。提前預放電式避雷針的主要特性是相較于其他位于避雷針保護區域內的物體，避雷針會提前放出向上的上行先導電荷的能力。

圖1 岸橋模型

采用“滾球法”計算避雷針的保護范圍（GB 50075—1994）。按照國際標準NF C17-102，以及岸橋前大梁平放的情況下，前大梁平面上的保護半徑，其中，h為避雷針相對于被保護物體的水平高度差，岸橋A字梁比前大梁約高30 m；D為滾球半徑（閃擊距離），岸橋屬于第二類防雷建筑物類，故D=45 m；ΔL為上行先導的搶先距離，且由式ΔL=vΔt來定義，v 是先導傳播速度，試驗值為 1 m/μs，Δt是避雷針的提前放電時間，一般產品Δt=43 μs，故ΔL=43 m。通過計算，Rp=86 m，故岸橋在整個保護范圍內。岸橋通過避雷針接閃直擊雷，將雷電引入大地。結合內部防雷保護器，對岸橋進行全面保護。

3.2 岸橋供配電系統防雷措施

供配電系統由于其布線面積廣，架空敷設，遭受直接雷擊及空間雷電感應并電涌過電壓引入至低壓配電系統的風險較高，是造成設備損壞的主要原因。港區高架高壓線路遭受的直擊雷會沿著供電線路，通過變電所，箱變等供配電設施引入到岸橋等設備，變電所和箱變內的中高壓避雷裝置主要針對較高雷電流進行泄放，而泄放之后的殘壓值依舊對岸橋等用電設備有著較高的風險。供配電系統應采用分級保護原理如圖2所示。

圖2 供配電系統分級保護原理

10 kV交流電源經港區配電房引出，沿電纜溝敷設至每臺岸橋底部，再經過電纜拖動轉盤架空引入高約50 m的電氣房后分配到2個變壓器，其中主變壓器降為440 V系統，主要供給電機（小車、大車、起升和俯仰）使用。另一副變壓器降壓為380 V系統，供控制電源，司機室，照明等輔助設備使用。

從供電回路的布線及電氣設備的安裝位置來看，供配電系統在架空段存在接閃直接雷擊電流（10/350 μs）和未衰減雷電電磁感應（8/20 μs）的風險，由于外部防雷系統（避雷針/引下線）未設置安全隔離距離（參考 IEC 62305-3—2006），所有供配電設備及用電設備存在因電勢差和地電位反擊的風險。

10 kV供電電纜引入電氣房的高壓進線柜，在變壓器柜前端基本都安裝了1套中高壓避雷器，但從變壓器低壓進線柜至終端用電設備的各配電回路之間還需增加適配的1級，2級，3級雷電及電涌保護裝置。由于中高壓避雷器（瓷套）的元器件（壓敏電阻）僅能對感應雷進行防護，且其殘壓較高，一般為40 kV以上，對低壓側的供配電設備起不到保護作用。建議從變壓器低壓側重新增補適配的分級防雷保護器件。

依據IEC 62305-4—2006及南方電網防雷標準建議，港口設備應按第二類防雷設施設計，其具有接閃和傳導直接雷擊電流的電源回路應在進線側安裝第一級雷電流保護器，雷電放電電流≥25 kA（10/350 μs）。

3.3 岸橋通訊及控制系統防雷措施

在岸橋電氣系統中，現場傳感器及通信模塊，PLC是在雷擊事故中損壞率最高的弱電信號設備，風險源除了來自于設備的供電回路外，還包括信號回路接閃雷電流（常見為空氣擊穿電纜的絕緣層）及空間電磁感應過電壓對信號端的破壞。所以對于這些耐壓較低的終端設備，最為重要的防護措施主要是信號線路的全程屏蔽及兩端設備的輸入/輸出端安裝適配的電涌保護器。

4 岸橋整機防雷工程實踐體會

廣州港地處廣州市陸域最南端的珠江出海口（東經113°58′05″，北緯 22°50′08″），從中國氣象局雷電監測數據來看，廣州市年平均雷暴日為80 d以上，屬多雷區，4—9月為雷電活動高發區，雷電活動分布不均。從強度來看，南沙港地閃強度較大，雷電流集中在（10～25）kA。廣州港岸橋整機針對性布置實施防雷工程已使用3 a多，至今該系統運行狀態良好，對岸橋起到了很好的防雷保護，取得了不錯的防雷效果，為港區裝卸生產提供了可靠保障。

[1]顧明觀.岸邊集裝箱防雷設計初探[J].港口裝卸，2012（2）：1-4.

[2]趙國.起重機的防雷[J].起重運輸機械，1994（1）：16-18.

[3]IEC 62305—2006，Protection against lightning[S].2006.

[4]JT 556—2004，港口防雷與接地技術要求[S].2004.