岸邊集裝箱起重機防雷系統設計改進

詹立浩 黃 璐 桂 軍

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著海運業的發展，集裝箱船舶越來越大型化，岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)也隨之越來越高大。碼頭附近一般地勢開闊，岸橋設備相對孤立極易遭受雷電的危害。一旦岸橋遭到雷擊，就可能導致岸橋設施及其電氣設備的損壞，甚至危及人身安全[1-2]。以某項目防雷系統設計為例，介紹岸橋防雷系統設計的一般思路。

2 岸橋防雷系統設計

岸橋防雷系統由外部防雷系統和內部防雷系統共同組成[3]。岸橋防雷電是一個系統工程，設計時應全面規劃，把防雷的諸多要素與岸橋結構有機結合，發揮最優防范功能。

2.1 年預計雷擊次數計算

以某項目為例，根據GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》和JT556-2004《港口防雷與接地技術要求》計算岸橋在碼頭現場年預計雷擊次數，公式為：

N=KNgAe

(1)

式中，N為岸橋預計雷擊次數，次/a；K為校正系數，岸橋設備一般位于碼頭空曠處，故K取2；Ae為與岸橋截收相同雷擊次數的等效面積，km2，應為岸橋實際面積向外擴大后的面積，該項目岸橋大致等效面積約為0.08 km2；Ng為岸橋所處地區雷擊大地的年平均密度，次/(km2·a)，其公式為：

(2)

式中，Td為岸橋當地年平均雷暴日，d/a,通過查詢當地氣象官網可知，當地年平均雷暴日為157天；計算可得Ng為17.17 km2·a。

故該岸橋年預計雷擊次數約為N=KNgAe=2×17.17×0.08=2.74次，這與現場遭雷擊事件的情況相吻合。根據《港口防雷與接地技術要求》中港口建筑物分類可知，岸橋屬于港口第二類防雷建筑物。

2.2 岸橋外部防雷系統

岸橋外部防雷系統由接閃器(避雷針)、避雷引下線(避雷線)和接地裝置(接地靴或岸橋金屬結構)組成(見圖1)。外部防雷系統主要防止直擊雷對岸橋的危害。

1.梯形架避雷針 2.機房頂避雷針 3.前大梁避雷針 4.陸側行走接地靴 5.海側行走接地靴 6.避雷針 7.引下線 8.匯流銅牌圖 1 岸橋外部防雷系統示意圖

岸橋接閃器通常就是直接截收雷擊的避雷針。岸橋避雷針采用機械強度高、耐腐蝕和熱穩定性好的熱浸鍍鋅鋼為材料，作用是影響雷電下行先導的方向，使閃電擊中避雷針，完成引雷。在完成接閃之后，通過引下線和接地裝置將電流泄入大地，保護周圍物體不受雷擊。避雷針通過絕緣子安裝在鋼結構支柱上以支撐避雷針，增加避雷針的高度。岸橋設備避雷針通常安裝在梯形架頂部和前大梁端部。當俯仰機構在仰起狀態時，利用前大梁的避雷針作為主接閃器，梯形架和機房頂部的避雷針可以避免雷電旁側閃擊的危險；當俯仰在水平狀態時，梯形架的避雷針作為主接閃器，前大梁端部和機房頂部避雷針可以避免雷電旁側閃擊的危險。

避雷引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導體。岸橋可以采用金屬結構作為引下線，在結構斷開或活動部位裝設跨接接地線的方式來連接溝通。該項目采用70 mm2專用銅導線作為引下線,以梯形架為例，避雷針和避雷引下線布置見圖2。引下線通過匯流銅牌連接，在敷設時應沿岸橋結構最短路徑入地，使雷電流以最短的時間導入大地，減少雷電流在引下線上產生的電壓降。

1.避雷針 2.匯流銅牌 3.引下線圖2 岸橋梯形架避雷針、引下線示意圖

接地裝置是接地體和接地線的總和，它是避雷針將雷電流導入大地的最后裝置，對接地電流系統，接地電阻要足夠小才能保證安全。岸橋通常采用接地靴作為接地裝置，與大車軌道相連(見圖3)。根據《港口防雷與接地技術要求》，岸橋沖擊接地電阻值應不大于10 Ω。另外，要求岸橋等裝卸設備的軌道必須接地，接地點不少于2處，沿軌道每隔30～40 m設1個接地點，并同時與并行的另一軌道相跨接。

圖3 岸橋接地靴示意圖

2.3 岸橋內部防雷系統

岸橋內部防雷系統包括所有防止雷電流在岸橋上造成電和磁效應的措施，即雷電電磁脈沖防護(Lighting Electromagnetic Pulse Protection，LEMP)，它是岸橋防雷系統的主要部分。雷電磁脈沖對岸橋設備影響主要有3種：從電源線入侵、從信號線入侵和地電位反擊。故岸橋內部防雷系統設計也應當根據這3種情況分別加以防護。

2.3.1 電源系統防雷保護

岸橋電源系統防雷保護分為高壓側和低壓側保護兩部分。高壓側保護是在岸橋高壓進線柜安裝高壓避雷器，防止雷擊高壓輸電線路沿線路入侵岸橋供電系統。低壓側保護是在岸橋變壓器低壓側采用分階段抑制的方法,從岸橋供電系統低壓側電源入口開始，將雷電流的瞬態過電壓的能量逐步釋放，從而保護后端電子電氣設備。

該項目岸橋電源系統防雷保護設置見表1。在副變電源輸入側、司機室電源輸入側、門架小車電源輸入側、本地控制室電源輸入側分別裝設1套第一級雷電浪涌保護器。可防范10/350 μs、100 kA的雷電波，響應時間≤100 ns，主要用于對直擊雷和感應雷擊產生的大電流和高能量浪涌吸收，但岸橋系統一些敏感的電子電氣設備還是會受到剩余浪涌的沖擊影響。因此，在岸橋相對重要并且敏感的分配回路輸入端，安裝了8套第二級浪涌保護器。第二級浪涌保護器可以對這些剩余浪涌進一步泄放，防止瞬態過電壓對后端電子電氣設備造成的影響和破壞。具體參數為：雷電通流容量40 kA(8/20 μs)；響應時間≤25 ns。第三級浪涌保護器安裝在岸橋一些特別重要或特別敏感的電子設備電源處，以達到完全消除第一、第二級浪涌保護器泄放后或者系統內部的微小瞬態過電壓。其具體參數為：雷電通流容量1 kA(8/20 μs)；響應時間≤25 ns。

表1 岸橋電源系統防雷保護設置

2.3.2 通訊信號系統防雷保護

由于集裝箱碼頭自動化、智能化發展，岸橋上通訊信號系統也隨之復雜化。雷電發生時，浪涌過電壓會沿岸橋設備上的通訊信號電纜影響系統的正常運行，導致設備損壞、甚至岸橋無法作業，因此必須對岸橋通訊信號系統進行防雷保護。該項目在重要的通訊線路和電子設備處安裝信號電涌保護器，具體見表2。其中BXT ML4 BD HF 24具體參數為：標稱電壓24 V；標稱電流1 A(45℃)；截止頻率7.8 MHz；每線雷電通流容量10 kA(8/20 μs)。BXT ML4 BD 48具體參數為：標稱電壓48 V；標稱電流1 A(45℃)；截止頻率8.7 MHz；每線雷電通流容量10 kA(8/20 μs)。

表2 岸橋通訊信號系統防雷保護設置

2.3.3 等電位連接

等電位連接是為了防止地電位反擊，或者避免岸橋不同設備由于接地不良導致電位差而引起的擊穿放電。等電位連接包括岸橋金屬結構之間的連接，如機房、門架機房、司機室、俯仰室、前大梁、大梁立柱等結構，通過70 mm2接地銅導線與岸橋結構相連；岸橋上的各種設備的連接，如馬達、設備罩殼、電氣控制柜、電纜接線箱、電纜托架、電纜槽、電纜線管、安裝支架等，通過接地線與岸橋金屬結構可靠連接。這些連接形成一個金屬接地網絡，這是減少系統中過電壓的最佳方法，也是避雷器(電涌保護器)協調使用的基礎。

2.3.4 屏蔽保護

屏蔽也是防止岸橋受雷電電磁脈沖影響的重要措施之一。可以利用電流的趨膚效應在岸橋電子電氣設備及線路外部做金屬屏蔽，并使屏蔽可靠接地，當雷電發生時，雷電流會集中在這些屏蔽金屬導體表面，通過接地網絡釋放到大地。屏蔽保護措施包括電子電氣設備的外殼、機房、操作站的金屬外殼、電纜在岸橋金屬結構中的走線、電纜在電纜槽和金屬硬管中的走線、變頻電機使用的屏蔽電纜、信號線屏蔽電纜、網線屏蔽電纜等。

3 岸橋防雷系統改進

以上防雷措施已實際應用在岸橋上，但設備1年之內仍3次遭受雷擊事故，導致現場8臺岸橋均出現設備損壞的情況。總計有18臺POE交換機網口損壞、16臺PC電腦網口損壞以及12臺攝像頭損壞，對碼頭現場作業產生極為不利的影響。

分析發現，這些損壞的設備都是岸橋CCTV視頻監控設備，雷擊事故并未對岸橋其他設備造成影響。攝像頭安裝時其支架已做噴漆處理，導致攝像頭外殼與岸橋結構之間接地并不可靠；另外，本地控制室的交換機和電腦網口損壞，是由于雷擊時雷電電磁脈沖沿外部攝像頭網線串入導致。針對CCTV視頻監控系統防雷措施的薄弱環節，提出以下改進措施：

(1)岸橋攝像頭和POE交換機兩側加裝信號浪涌保護器，防止雷擊時感應電勢沿網線對攝像頭和交換機造成影響。

(2)檢查岸橋整機攝像頭及其電纜穿線管路、接線盒的接地情況，確保可靠接地。

(3)本地控制室CCTV視頻監控系統PC與POE交換機兩端增加網絡信號浪涌保護器。

4 結語

以上防雷措施以及改進措施實施后效果良好，至今未發生過因雷擊而導致岸橋設備故障的情況。此項目防雷設計與改進措施可作為岸橋防雷系統設計參考。岸橋防雷是一個系統工程，需要根據岸橋實際情況綜合考慮，合理利用各種防雷措施以達到對設備的全方位防護，以保障岸橋安全可靠運行以及作業人員的人身安全。