岸邊集裝箱起重機防雷設計分析及優化探索

卞索菲　劉佳蔚

摘要：本文根據國家標準中最新防雷設計的規范，理論結合實際，并更注重于實用經驗，從生產實踐活動出發，簡要談一下目前岸橋產品的防雷設計方案，論證其可靠性。同時，本文將進一步探討現有防雷方案可能存在的盲點，分析問題，嘗試提出自己的解決方案，為優化岸邊集裝箱起重機上的防雷設計提供一些思路。

關鍵字：岸橋;防雷;優化;設計;探索

0 引言

雷電災害作為 “最嚴重的十種自然災害之一”，因其巨大的破壞力所造成的直接人員傷亡和經濟損失，一直以來都受到相關企事業單位，甚至聯合國的廣泛關注。

隨著科技的進步，對雷電機理的研究，對防雷方法的探索不斷取得了新的進展。然而盡管如此，全球的雷電災害造成的直接或間接損失仍然是十分驚人的。

岸橋集裝箱起重機作為碼頭前沿港口裝卸用途的重要設備，其所處的工作環境—前端面海，碼頭沿岸空曠，四周無高達建筑物，決定了其在港口防雷設計上所處的突出位置。

隨著雷電研究和防護技術的發展，如何因地制宜，應用高科技，采取最經濟最有效的防雷措施，防止或減少雷擊損失自然也成為了集裝箱岸橋設計中的一個重要課題。因此， 在集裝箱岸橋產品設計中，設計者對于防雷理論知識的掌握及探索應始終與國際接軌，與時代俱進，才能使產品保持在技術上的先進性。

1 集裝箱岸橋防雷設計概況

根據GB50057-2010第3.0.4條，對第三類防雷建筑物的定義，一般將集裝箱岸橋的防雷措施劃歸應滿足第三類防雷規范。

經測，雷暴天氣，直擊雷對大地一次閃擊放電峰值平均為30多kA，瞬間功率為 ～ W以上，可見瞬間破壞力極大。因此在岸橋的防雷措施中，對于直擊雷的防范成為了主要的討論對象。

岸橋的防雷裝置，由外部防雷裝置和內部防雷裝置組成。外部防雷裝置主要采用避雷針（接閃器），避雷電纜（引下線），接地靴（接地裝置）。內部防雷主要采用等電位連接，與外部防雷裝置的空間間隔距離，電涌保護器。

雷云直擊岸橋時，岸橋避雷的原理就是避雷系統通過接閃器向大地放電的過程，可近似用RC放電過程來模擬。下圖以韓國GBB項目的避雷常用做法為例（目前要求最高），岸橋上的主要雷電流放電通道為：

2 應用滾球法確定避雷針的保護范圍

"滾球法"是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一;我國建筑防雷設計規范GB 50057-2010也采納"滾球法"作為接閃器保護范圍的計算方法。本文也將采用滾球法的計算方法對岸橋起重機上特定位置的避雷針保護范圍進行計算。

在岸橋避雷系統中，通常在前大梁頭部，梯形架頂上各安裝了二支避雷針。以下就以近期美國休斯頓Bayport港采購我司的岸橋產品為例，分別對這兩個位置的避雷針保護范圍進行計算，驗證其是否滿足防雷的要求。

2.1梯形架避雷針的保護范圍

根據圖2（b）， 將梯形架結構面視為基準面，AEC和BEC外側防雷范圍的計算按單支避雷這方法確定。

根據圖2（a）可知，避雷針高度始終是小于滾球半徑的，于是可按滾球法原理作圖3：

h—避雷針頂端離梯形架結構面距離。由圖2（a）可知，h=3800（mm）;

hr—滾球半徑，在岸橋防雷環境下，根據GB50057-2010表5.2.12和第4.5.5條的規定取值（m）：hr=60000（mm）;

hx—被保護物最高高度;

rx—避雷針在hx高度xx'平面上的保護半徑。

可按如下公式：

當hx=0時，避雷針在地面上的保護半徑r0如下：

根據圖2（b），C、E點位于兩針間聯線的垂直平分線上，在AOB軸線上，與中心線任一距離X的F點處，其保護范圍上邊緣的高度hf可做如下圖4計算：

當X=0時，h0=3908（mm）。根據圖2（b），也就是說在AECB的范圍內，當設備高度低于3908mm時，均受到防雷保護。

如圖5是雙支等高避雷針保護范圍的立體圖。通過以上的計算過程，我們可以通過公式驗證在不同位置不同高度下，電氣元件在梯形架上的防雷保護情況。通過計算，本項目電氣設備均在保護范圍內。

除此之外，一般情況下梯形架上除避雷針外，最高的設備是戶外維修行車。如圖2（a）中所顯示，其高度已基本接近避雷保護范圍的上緣。根據GB50057-2010第5.2.8條的規定，“屋頂上永久性金屬物宜做為接閃器，但其各部件之間均應連成電氣貫通，并符合相關規范。”梯形架上的戶外維修行車不含電氣設備，因此，在滿足與引下線可靠電氣貫通等規定的情況下，也可作為接閃器使用，符合防雷規范。

2.2大梁扳起時候前大梁頭部雷針的保護范圍

根據圖5， 將前大梁頭部平臺側面結構視為基準面，由于前大梁平臺突出部分會有差異，因此，應在布置有電氣箱支架的平臺同一高度或更高的位置附近布置避雷針保護。如圖5所示，在不同平臺高度，避雷針A和B作為單支避雷針的保護范圍不同。

由圖6中，

θ—大梁仰起角度，θ=80。

hq—避雷針及基座高度，目前避雷支架為標準件，高度一定，hq=1708（mm）。

ha—電氣箱支架高度，一般小于2200mm，在本項目中，ha=2080（mm）。

hb—電氣箱支架離開平臺結構側距離，一般小于430，在本項目中，hb=420（mm）。

hc—大梁仰起后，電器支架最高點離平臺結構側等效高度。

由圖6可知，hc =ha+hb= ha +hb ≈775（mm）。

hd—大梁仰起后，避雷針最高點離平臺結構側等效高度。

由圖6可知，hd=hq ≈1682（mm）

根據圖3單支避雷針的保護范圍計算圖，可計算出當大梁仰起的時候，避雷針在電氣箱支架最高點平面的保護半徑rx。

因此，當電氣箱支架遠端離避雷針距離小于4495（mm）時，整個電氣支架都是在防雷范圍內的。本項目符合防雷規范。

進一步的，當ha=2200（mm），hb=420（mm）時，hx=hc取最大值hxmax<806

此時，rx≈4305（mm）

因此，只要電氣設備定位在離避雷針4305（mm）的范圍內，則都可認為受到避雷針的保護。目前電氣工藝的設計方案采用2根避雷針均布的方案，通常情況下，當前大梁扳起后，避雷針的防雷范圍可覆蓋整個前大梁頂端。

2.3滾球法計算的應用與防雷設計的標準化工作

綜上所述，應用滾球法計算出梯形架避雷針，大梁扳起時前大梁頭部雷針的保護范圍是可行的。通過此方式，可以很好得驗證在上述2種情況下岸橋防雷系統對電氣設備保護的有效性。

目前，在避雷針的定位上還未形成標準。在應用滾球法計算后，可以優化避雷針的布置方案，為電氣設備的有效避雷提供理論依據。以此為基礎，今后可以制定相關準則，針對不同機型或不同機械結構，電氣設計上可以提供幾套標準化的避雷設計圖。

3 岸橋集裝箱起重機上的雷擊案例探討

近些年來隨著港口的蓬勃發展，起重機的需求日益增加，產量突飛猛進，在防雷方面，所揭示出的新的問題也引起了我們的注意。比如現場工程師反映，在碼頭交機階段，時值雷暴天氣，岸橋正處在工作狀態，前大梁端部卻有一定概率會遭受雷擊，由此導致重量傳感等重要電氣設備的損壞，造成的后果嚴重。

3.1原因分析

我們根據現場工程師反饋的情況， 以美國休斯頓Bayport港岸橋產品為模型，用滾球法模擬雷擊情況進行分析。前大梁離地高度約55米，伸出長度約71米，岸橋梯子型架與前大梁水平高度約31米。從圖7的模擬情況可知，當前大梁水平狀態時，其端部已超出梯形架頂部避雷針的保護范圍。

除此以外，在碼頭運行時，處于工作狀態下的岸橋其前大梁結構都是伸入海面的，高度也可達到50多米，完全遠離了碼頭周圍的防護設施。

時值雷暴天氣，海面上會有雷雨云塊漂浮，當雷雨云飄過前大梁附近區域時，在一定條件下雷雨云將會對前大梁產生放電現象，在這種情況下，前大梁端部缺乏有效的防雷保護，導致了前大梁端部的電氣設備直接遭受到了雷擊。其次，通常情況下，碼頭上配備有數臺甚至數十臺岸橋并排工作，那么岸橋端部遭受雷擊的情況也就更加明顯了。

通過上述分析，我們基本上找到了前大梁端部遭受雷擊的主要原因。

3.2 方案改進

由2.1，2.2論述可知，目前岸橋產品在梯子型架及前大梁端部均安裝有一對普通避雷針，在通常情況下已經可以達到相應范圍內的防雷要求。但當岸橋處在工作狀態時，特別是在雷暴天氣，前大梁前端伸向海洋，雷云從海上飄過時，前大梁端部仍有可能發生雷擊。可見普通避雷針很難給出較好的解決方案。

3.2.1預放電型避雷針的應用

除普通避雷針外還有一種預放電避雷針也在應用中，其最大優點是在同等高度下，預放電避雷針比普通避雷針保護范圍更大。

其工作原理是在雷電云形成區域，利用云地間產生的電場，利用針尖產生的火花放電，使周圍空氣電離，更早地產生一個上行先導，迅速向雷電方向傳播，提前中和下行先導，達到引雷的效果。通過這種方式，不僅提高了避雷效率，還增大了避雷半徑。

3.2.2 預放電避雷針保護范圍的計算

按法國國標NFC17-102，計算預放電避雷針的保護半徑：

rp—為所考慮的水平面上的防雷保護半徑;

d—滾球半徑，d=60000mm;

h—避雷針針尖相對于被保護物頂部的水平高度差;

△L—提前放電避雷針的上行搶先距離

△L=v·△t=1×30=30（m）

v—先導傳播速度，實驗數據表明v=1m/μ

△t—為預放電避雷針產品參數，可采用30μs，45μs，60μs。設采用的預放電避雷針預放電時間為30μs。

首先考慮將傳統方案中布置于梯形架位置的普通避雷針更換為預放電型避雷針。在模擬項目中，梯子型架高于前大梁水平高度約31米，即h=31000。通過公式計算所得保護半徑rp約為85米。如圖8所示，通過計算可知，在應用預放電避雷針后，在工作狀態下整個岸橋結構都可以處在避雷針的保護范圍之內。

綜上所述，通過在岸橋上引入預放電避雷針這種新型產品，理論上可以解決上述的雷擊問題，但這僅僅是一種理論推導，還需要通過實踐應用和長期觀察，我們才能得出最正確的結論。

4 岸橋防雷技術展望

盡管雷電技術的研究和防護技術不斷取得進展，但目前仍不能做到百分之百地消除雷害。因此岸橋防雷這個課題還有待我們進一步探索和攻關。

展望未來，隨著更多的優秀技術人員的加入，銳意創新，突破進取，將更多高科技，高水平的技術和理念應用于岸橋產品和防雷設計中去，我們有理由相信在這一課題上我們終將會有長足的進步和發展。

參考文獻：

[1] 《建筑物防雷設計規范》 GB 50057-2010

[2]《電氣信息系統防雷技術規范》 GB50343-2004

[3] 岸邊集裝箱起重機防雷設計初探[J]. 顧明觀.港口裝卸. 2012（02）

[4]《雷電與避雷工程》