浅谈起重机防雷的几种措施

2015-04-17张伟明

机电信息 2015年12期

张伟明

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海200125）

0 引言

随着船舶大型化发展，装卸起重机械也逐渐呈现出越来越大的趋势，“3E”级起重机就是在此趋势下诞生的一种超大型起重机。然而起重机的大型化也带来了新的课题，这就是起重机的防雷。高大的起重机由于基本都是矗立在码头、船厂等空旷的区域前沿，周边基本没有其他比其更高的建筑物，而且起重机都是金属结构，极易招致雷电危害。为避免雷电造成财产设备损失及人身伤亡事故，必须做好起重机的防雷工作。以下就起重机上几种常用避雷方式展开探讨。

现代防雷理论可以简单归纳为 A、B、C、D、G、S 6个字母，即躲避、等电位连接、传导、分流、接地、屏蔽6种主要技术。其中，躲避对于大型起重机来说是不现实的，故起重机主要采用的是后5种技术。按照IEC62305－1规范的划分，防雷主要可分为外部直接防雷和内部间接防雷。所谓间接防雷，就是防止雷电电磁脉冲对起重机上电气控制系统及电气设备造成冲击影响。

1 外部避雷方式

外部避雷的主要原理就是利用接闪器将附近雷雨云中的雷电吸引过来，并将其产生的巨大能量通过特定装置迅速导入大地，以减少对设备和人员的损坏及伤害。一套完整的外部避雷装置基本由以下3个部分组成：接闪器、引下线和接地装置。接闪器又有多种不同形式，常见的有避雷针、避雷带、避雷网、避雷线，起重机上一般使用避雷针作为接闪器。

1.1 常用避雷方式

按照相关国家标准规定，“对于安装在野外且相对周围地面处在较高位置的起重机，应考虑避除雷击对其高位部件和人员造成损坏和伤害［1－2］。”由于起重机本身是一个巨大的“钢铁巨人”，其自身就是一个良好的金属导体，因此目前起重机生产厂家最常用的避雷方式就是利用起重机本体作为引下线，然后在起重机的几个制高点安装避雷针作为接闪器，并利用起重机大车上相对移动的接地靴与大车轨道之间的良好接触作为接地装置，从而起到引导雷电的作用。目前国际上通用的避雷针安装位置的选取方法主要是滚球法和保护角法，用以确定避雷针的位置及其保护范围。当然也有一种理论认为，起重机本身作为一个优良的金属导体，再在其上安装避雷针是多余的，可省去专门的接闪器，即起重机本体的金属结构既可作为接闪器也可作为引下线［3］。无论是否需要接闪器，以上避雷方式下金属结构上各铰接点之间要用跨接线可靠连接好，以保证金属结构整体导电能力的完好，可以让雷电的强大电流经接地装置顺利泄入大地。

1.2 绝缘避雷方式

这种避雷方式与前述避雷方式的最大不同之处在于，此种方式起重机金属结构不作为避雷系统的泄流通路，也就是说起重机的引下线是另外独立敷设的，并且是专门穿管敷设的。采用专用的50mm2左右铜质裸电缆沿金属结构敷设在金属电缆管内，两头分别连接上部的接闪器和下部的接地装置。由于引下线线路较长，需在金属管路的中间和转角等适当位置处设置分线箱，以便于引下线电缆的敷设及固定。需要特别注意的是，分线箱、金属管路与起重机金属结构需用绝缘子支撑隔离并固定在结构上。另外，此避雷系统回路上所有的分线箱、金属管路等与金属结构、栏杆等导电体的最小距离不能小于200mm，以防对金属结构产生闪络和反击现象。由上所述可知，这种形式的避雷系统最大特点就在于它是独立的、自成一体的，整机金属结构与避雷回路不相连接，避免了因金属结构回路连接不良导致接地电阻过大，从而当有雷电流流过时损毁起重机部件及相关电气设备的现象。

另外还有两种绝缘避雷方式与以上这种方式类似，只是由于引下线介质不同，在敷设时方式也有些许不同。这两种避雷方式采用的引下线是普通的船用电缆，一种是引下线电缆敷设在金属结构内的电缆托架上或是电缆托架外边沿，另一种是引下线电缆用绝缘支撑夹直接固定在金属结构上。虽然与前述绝缘避雷方式有些不同，但其总的原理是相同的，即不与起重机金属结构发生关系，防止对结构造成任何危害。

2 内部避雷方式

外部避雷方式上采用的避雷针、避雷网等措施，从字面意义上来理解似乎是避免雷击，实际是引导雷电的击打，从而将雷电经特定通路引入地下，避免直击雷对相关设备与人员造成伤害。然而当雷电通过金属结构或是在周围空气中对地释放巨大能量时，会产生强大的电磁脉冲波。这种电磁脉冲波会对起重机设备上的控制系统及电气设备造成无法预计的损坏，而通过外部避雷方式不能阻止电磁脉冲波对起重机的影响，因此需要采用内部防护的方法来防止和抑制电磁脉冲造成的危害。

2.1 安装浪涌保护器（SPD）

浪涌保护器是一种特殊的电子装置，它被安装在需要保护的设备的前端，可以限制瞬态过电压和分流浪涌电流，保护被保护设备或系统不因受冲击而损坏。由于雷电产生的电磁脉冲波是无孔不入的，可从空间的各方位入侵起重机控制系统及电气设备，因此浪涌保护器的安装宜依据分级防护、逐级消散的原则，也就是说电源线路上要分层次地安装浪涌保护器，以尽可能消散电磁脉冲及感应电势，将瞬态电压抑制在设备允许的范围内，保护电气设备安全。另外，按照JT556—2004《港口防雷与接地技术要求》的规定，除电源线路外，从室外引入的信号线路上也应安装浪涌保护器。例如对于起重机上经常使用的室外拖令、拖链、吊具电缆以及无线通讯收发设备等［4］，浪涌保护器的安装可有效保护其免受电磁脉冲波的侵扰。

2.2 等电位连接

等电位连接就是把起重机各金属部件、管路用跨接线可靠连接起来，使其成为一个整体，以保证各部位电位相等，没有电位差。当有雷电电流流过时不会因为某处的电位不同而造成设备损坏及危及人身安全。具体到起重机上就是将所有金属结构、各类电气控制屏、穿线管路、设备金属外壳等连接成一个等电位体并接地，从而消除或减少雷电流过金属结构及设备时产生的电位差。

2.3 有效进行屏蔽处理及电缆线合理分布

雷电电磁脉冲波对起重机上各器件的影响无处不在，使用屏蔽电缆线是减少电磁脉冲影响的有效措施之一。这利用了有名的法拉第笼原理，即等电位情况下笼体内的电位为0［3］，因此只要将屏蔽电缆的屏蔽层在设备两端做好有效接地，就能截断电磁脉冲波通过线路侵入设备的通道，使其“无缝可钻”，避免设备损坏。同样原理，起重机上电缆应尽可能敷设在金属结构内或金属管、线槽路内，并合理布置动力、控制、通讯等不同属性电缆的位置、间距等，以防止电磁脉冲波及感应电势的影响及相互干扰。

2.4 有效的保护接地

有效的接地是防雷系统中最为基础也是最为关键的一环，无论外部避雷系统还是内部避雷系统都与其有着密不可分的联系。保护接地的作用就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接，降低接点的对地电压，避免人体触电危险。有效可靠的接地才能保证等电位连接的实现，才能保证直击雷顺利泄入大地，才能保证浪涌的有效分流。