岸边集装箱起重机防雷电保护系统改进技术

陈伟 季李军

摘要： 当岸边集装箱起重机遭受雷击时会出现故障，本文分析了这种故障的产生机制，并且介绍了一般的岸桥防雷系统以及它的问题，针对问题又提出了改善方案。

关键词： 接闪； 岸桥； 避雷针； 重量传感器； 防雷保护系统； 电涌保护

1 前言

集装箱码头装卸设备的一大主要组成部分便是岸边集装箱起重机，又称岸桥 。随着科技的高速进展，船舶也越来越往大型化的方向发展，对应的岸桥高度和向外延伸距离也越来越长，比如天津港欧亚国际岸桥的高度大约是43 m，而前大梁向外延伸大约66 m，在涨潮的时候，岸桥大梁最高点距地面约128 m，根据尖端放电的原理以及雷电选择特性，岸桥部位因此最容易遭受雷击。

据统计，在过去5年中，上海一家公司的11 台岸桥中有5 台次因雷击导致重量传感器严重损坏，直接造成的经济损失多达12.3万 元，同时还会造成设备的停工（由于备件采购时间过长），这样就会导致设备长时间无法正常工作，因此我们有必要认真地熟悉岸桥防雷系统并对其中的缺陷进行改善。

2 岸桥防雷系统

一套完整的岸桥防雷系统主要包含两个方面：一是外部防雷部分；二是内部防雷部分。

2. 1 外部防雷部分

外部防雷部分主要是保护岸桥免受直接雷击损害。因为集装箱码头上的最高位置正是岸桥，：而岸桥钢结构是一个完美的导体 ，所以根据尖端放电原理，它的前大梁或梯形架便是这个导体的尖端，尖端的电荷越是密集，尖端附近的电场就越强，这样岸桥钢结构的尖端就越容易形成放电，也即是岸桥遭受了雷击损害。我们要规避这种直击雷造成的损害，就必须严格遵守JT556 - 2004《港口防雷与接地技术要求》，在岸桥上配备接闪器； 引下线； 接地装置等防雷装置。如下图1 所示。避雷针就是所谓的雷电接闪器，我们必须要把它安置在岸桥的梯形架及前大梁上。当岸桥正常工作时，梯形架上的接闪器大约距离桥面82 m，而当岸桥涨俯仰时（非作业状态），避雷针大约距桥面128 m。其中接闪器就是用于把被保护对象上方的闪电导引向自身，然后安全地泄入大地。

上图中所示的引下线实际上是一种用于将避雷针连接到接地装置的金属导体。同时由于岸桥本身是钢的结构特性，岸桥因此可以直接利用钢结构特性作为引下线保护； 此外，岸桥钢结构铰点和螺栓通过跨界交叉导线连接起来，最后形成与海陆各自接地靴、大车轨道的有效接触； 外部防雷系统的另外一种形式是敷设单独避雷线的避雷系统，通过避雷针、接地线、电缆管、高压瓷瓶利用结构外焊接固定支架沿结构外部排装，最终与大车接地靴可靠连接，接地线电缆管与结构间距保证不低于150mm，避免利用结构本身作为导体，安全性更高。

大车轨道作为岸桥防雷系统的接地装置，我们要求每相距30 ～ 50 m 要设置一个接地点，这样可以让雷电流顺利泄入大地。

2. 2 内部防雷部分

内部防雷部分主要是为了规避感应雷对于岸桥的损害。内部防雷部分保护措施主要由 等电位系统、合理布线、屏蔽、电涌保护等组成。其中等电位系统保护措施是通过一系列措施让电器柜、电缆屏蔽线、室外接线盒壳体及变压器的中性点安全接地，这是为了使钢结构与电器柜内设备之间的电压差变得非常小。合理的布线是在布线时，我们要把强电电缆和弱电电缆分开来做出合理的布置，而对于电气室外围布线，我们要尽量的让线位于大梁金属结构的内部，同时我们可以用穿金属管来敷设重要信号电缆 ，当然，金属管的两端和岸桥钢结构材料也应合理可靠地连接到地面。对于弱电信号线路，我们则需要采取屏蔽措施，我们要使用带金属屏蔽层电缆作为信号电缆，同时我们要将电缆两端的屏蔽层与等电位系统相互可靠地连接。电涌保护器是用来电涌保护措施的一种器件。它的工作原理是利用外界条件使因电磁感应窜入线路的瞬时过电压处于设备能承受的范围内，或者通过其他方法使雷电流安全地泄放入地，以保证设备不会受到损坏。

3岸边集装箱起重机防雷电保护系统改进措施

3. 1 可能存在的问题

在2009 年-2014 年间，调查的那家上海公司总共发生了5 台次的岸桥重量传感器故障现象，故障表现为传感器输出数值异常。在对现场损坏的重量传感器进行勘查以后，我們并没有发现明显的被雷击迹象。这些故障的岸桥都配备有接闪器、引下线、接地装置等防雷电装置。同时在现场检验时发现，损坏的岸桥均处于非作业状态，而前大梁的接闪器位于127 m 的高空，是码头的最高点，雷电经过接闪器接闪，岸桥钢材料结构作为引下线，经由接地靴和大车轨道排入大地，这样可以保护其他位置不被雷电直接击中，所以外部防雷部分工作是可靠的。

再依据雷击的方式，我们可以确定传感器是由于感应雷击而造成的损坏。经深入分析，岸桥的重量传感器是安置在前大梁的最前端，和大梁的接闪器的最近点只有1 m的距离，包含在雷电流引下线的线路中，当前大梁的接闪器接引雷电放电时，将会有一个感应的雷电压耦合进入重量传感器电源线路和信号反馈线路中。再查看说明书可知，我们发现重量传感器是一种针式传感器，供电电压必须是24 V（DC），随着传感器的传感针受力，传感器内部电阻应变片桥式电路电阻就会随之变化，经由传感器的内置发大器，对应的输出反馈电流约为4 ～ 20 mA；传感器的内置放大器对过流和过压感应的检测很敏感。这样当感应的雷电压耦合进入电源线路、反馈信号线路后，内置放大器将会很难承受而遭受损坏，这可能会导致传感器输出数值异常。

3. 2 防雷保护系统的改进

由上例可以看出岸桥在内部防雷系统经常存有缺陷，所以我们决定针对重量传感器，改进它的防雷保护系统。

3. 2. 1 防雷保护系统的改进方案

通常每台岸桥上都有4 个重量传感器，并且每个重量传感器分别设置有各自的供电线路和反馈线路，所以如果我们要保护所有的传感器，就必须要在每个重量传感器的回路中单独设置电涌保护器保护。通常重量传感器都是设置在前大梁的端部，因此我们要尽量把电涌保护器安装在靠近重量传感器的地方，以增强保护器的保护作用。由传感器手册可知传感器的工作电压为24 V（DC），我们可以选择一款如下图2所示的电涌保护器DPI CD EXI + D 2X24 M ，它的标称电压直流24 V，最大持续工作电压为48 V。

3. 2. 2 实际安装中的防雷保护系统改进

当我们实际安装传感器时，由于每个重量传感器接线都是三线制（24 V 电源P 及N）的，而传感器自身金属部分并没有和重量传感器接地线相连，并且电涌保护器安装位置离传感器接地点距距离较远，为了确保保护效果，我们将电涌保护器接地线GN/YE 就近与岸桥连接，将图中的电源P 与BK（电涌保护器）相连接，然后短接BK的公共参考点BL 及RD ，最后和电源N 连接，最后信号反馈线连接到BR，这样就可以最大化地保护传感器。

4 结语

我们通过对普通重量传感器防雷保护系统的问题进行了分析，然后提出了改进的方案，使岸桥设备的承受雷电环境的能力变得更好。并且上海那家公司采用我们这种改善的防雷保护系统1 年之后，再也没有发生重量传感器损坏情况（在雷击情况下），使岸桥设备的可靠性极大的提高。

但是岸桥小车供电拖链电缆（ 滑触线） 是沿着前大梁（雷电引下线路径）布置，这样司机室和吊具内电气元件也会容易发生感应雷击损坏现象，这点也应重视。

参考文献：

[1] JT 556 - 2004 . 港口防雷与接地技术要求[S].

[2] 曲之国. 浅谈港口设施防雷[J]. 港口科技， 2009（ 08）： 36 - 38.

（作者单位：上海振华重工（集团）股份有限公司）