岸边集装箱起重机防雷系统设计改进

詹立浩 黄 璐 桂 军

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

随着海运业的发展，集装箱船舶越来越大型化，岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)也随之越来越高大。码头附近一般地势开阔，岸桥设备相对孤立极易遭受雷电的危害。一旦岸桥遭到雷击，就可能导致岸桥设施及其电气设备的损坏，甚至危及人身安全[1-2]。以某项目防雷系统设计为例，介绍岸桥防雷系统设计的一般思路。

2 岸桥防雷系统设计

岸桥防雷系统由外部防雷系统和内部防雷系统共同组成[3]。岸桥防雷电是一个系统工程，设计时应全面规划，把防雷的诸多要素与岸桥结构有机结合，发挥最优防范功能。

2.1 年预计雷击次数计算

以某项目为例，根据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》和JT556-2004《港口防雷与接地技术要求》计算岸桥在码头现场年预计雷击次数，公式为：

N=KNgAe

(1)

式中，N为岸桥预计雷击次数，次/a；K为校正系数，岸桥设备一般位于码头空旷处，故K取2；Ae为与岸桥截收相同雷击次数的等效面积，km2，应为岸桥实际面积向外扩大后的面积，该项目岸桥大致等效面积约为0.08 km2；Ng为岸桥所处地区雷击大地的年平均密度，次/(km2·a)，其公式为：

(2)

式中，Td为岸桥当地年平均雷暴日，d/a,通过查询当地气象官网可知，当地年平均雷暴日为157天；计算可得Ng为17.17 km2·a。

故该岸桥年预计雷击次数约为N=KNgAe=2×17.17×0.08=2.74次，这与现场遭雷击事件的情况相吻合。根据《港口防雷与接地技术要求》中港口建筑物分类可知，岸桥属于港口第二类防雷建筑物。

2.2 岸桥外部防雷系统

岸桥外部防雷系统由接闪器(避雷针)、避雷引下线(避雷线)和接地装置(接地靴或岸桥金属结构)组成(见图1)。外部防雷系统主要防止直击雷对岸桥的危害。

1.梯形架避雷针 2.机房顶避雷针 3.前大梁避雷针 4.陆侧行走接地靴 5.海侧行走接地靴 6.避雷针 7.引下线 8.汇流铜牌图 1 岸桥外部防雷系统示意图

岸桥接闪器通常就是直接截收雷击的避雷针。岸桥避雷针采用机械强度高、耐腐蚀和热稳定性好的热浸镀锌钢为材料，作用是影响雷电下行先导的方向，使闪电击中避雷针，完成引雷。在完成接闪之后，通过引下线和接地装置将电流泄入大地，保护周围物体不受雷击。避雷针通过绝缘子安装在钢结构支柱上以支撑避雷针，增加避雷针的高度。岸桥设备避雷针通常安装在梯形架顶部和前大梁端部。当俯仰机构在仰起状态时，利用前大梁的避雷针作为主接闪器，梯形架和机房顶部的避雷针可以避免雷电旁侧闪击的危险；当俯仰在水平状态时，梯形架的避雷针作为主接闪器，前大梁端部和机房顶部避雷针可以避免雷电旁侧闪击的危险。

避雷引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体。岸桥可以采用金属结构作为引下线，在结构断开或活动部位装设跨接接地线的方式来连接沟通。该项目采用70 mm2专用铜导线作为引下线,以梯形架为例，避雷针和避雷引下线布置见图2。引下线通过汇流铜牌连接，在敷设时应沿岸桥结构最短路径入地，使雷电流以最短的时间导入大地，减少雷电流在引下线上产生的电压降。

1.避雷针 2.汇流铜牌 3.引下线图2 岸桥梯形架避雷针、引下线示意图

接地装置是接地体和接地线的总和，它是避雷针将雷电流导入大地的最后装置，对接地电流系统，接地电阻要足够小才能保证安全。岸桥通常采用接地靴作为接地装置，与大车轨道相连(见图3)。根据《港口防雷与接地技术要求》，岸桥冲击接地电阻值应不大于10 Ω。另外，要求岸桥等装卸设备的轨道必须接地，接地点不少于2处，沿轨道每隔30～40 m设1个接地点，并同时与并行的另一轨道相跨接。

图3 岸桥接地靴示意图

2.3 岸桥内部防雷系统

岸桥内部防雷系统包括所有防止雷电流在岸桥上造成电和磁效应的措施，即雷电电磁脉冲防护(Lighting Electromagnetic Pulse Protection，LEMP)，它是岸桥防雷系统的主要部分。雷电磁脉冲对岸桥设备影响主要有3种：从电源线入侵、从信号线入侵和地电位反击。故岸桥内部防雷系统设计也应当根据这3种情况分别加以防护。

2.3.1 电源系统防雷保护

岸桥电源系统防雷保护分为高压侧和低压侧保护两部分。高压侧保护是在岸桥高压进线柜安装高压避雷器，防止雷击高压输电线路沿线路入侵岸桥供电系统。低压侧保护是在岸桥变压器低压侧采用分阶段抑制的方法,从岸桥供电系统低压侧电源入口开始，将雷电流的瞬态过电压的能量逐步释放，从而保护后端电子电气设备。

该项目岸桥电源系统防雷保护设置见表1。在副变电源输入侧、司机室电源输入侧、门架小车电源输入侧、本地控制室电源输入侧分别装设1套第一级雷电浪涌保护器。可防范10/350 μs、100 kA的雷电波，响应时间≤100 ns，主要用于对直击雷和感应雷击产生的大电流和高能量浪涌吸收，但岸桥系统一些敏感的电子电气设备还是会受到剩余浪涌的冲击影响。因此，在岸桥相对重要并且敏感的分配回路输入端，安装了8套第二级浪涌保护器。第二级浪涌保护器可以对这些剩余浪涌进一步泄放，防止瞬态过电压对后端电子电气设备造成的影响和破坏。具体参数为：雷电通流容量40 kA(8/20 μs)；响应时间≤25 ns。第三级浪涌保护器安装在岸桥一些特别重要或特别敏感的电子设备电源处，以达到完全消除第一、第二级浪涌保护器泄放后或者系统内部的微小瞬态过电压。其具体参数为：雷电通流容量1 kA(8/20 μs)；响应时间≤25 ns。

表1 岸桥电源系统防雷保护设置

2.3.2 通讯信号系统防雷保护

由于集装箱码头自动化、智能化发展，岸桥上通讯信号系统也随之复杂化。雷电发生时，浪涌过电压会沿岸桥设备上的通讯信号电缆影响系统的正常运行，导致设备损坏、甚至岸桥无法作业，因此必须对岸桥通讯信号系统进行防雷保护。该项目在重要的通讯线路和电子设备处安装信号电涌保护器，具体见表2。其中BXT ML4 BD HF 24具体参数为：标称电压24 V；标称电流1 A(45℃)；截止频率7.8 MHz；每线雷电通流容量10 kA(8/20 μs)。BXT ML4 BD 48具体参数为：标称电压48 V；标称电流1 A(45℃)；截止频率8.7 MHz；每线雷电通流容量10 kA(8/20 μs)。

表2 岸桥通讯信号系统防雷保护设置

2.3.3 等电位连接

等电位连接是为了防止地电位反击，或者避免岸桥不同设备由于接地不良导致电位差而引起的击穿放电。等电位连接包括岸桥金属结构之间的连接，如机房、门架机房、司机室、俯仰室、前大梁、大梁立柱等结构，通过70 mm2接地铜导线与岸桥结构相连；岸桥上的各种设备的连接，如马达、设备罩壳、电气控制柜、电缆接线箱、电缆托架、电缆槽、电缆线管、安装支架等，通过接地线与岸桥金属结构可靠连接。这些连接形成一个金属接地网络，这是减少系统中过电压的最佳方法，也是避雷器(电涌保护器)协调使用的基础。

2.3.4 屏蔽保护

屏蔽也是防止岸桥受雷电电磁脉冲影响的重要措施之一。可以利用电流的趋肤效应在岸桥电子电气设备及线路外部做金属屏蔽，并使屏蔽可靠接地，当雷电发生时，雷电流会集中在这些屏蔽金属导体表面，通过接地网络释放到大地。屏蔽保护措施包括电子电气设备的外壳、机房、操作站的金属外壳、电缆在岸桥金属结构中的走线、电缆在电缆槽和金属硬管中的走线、变频电机使用的屏蔽电缆、信号线屏蔽电缆、网线屏蔽电缆等。

3 岸桥防雷系统改进

以上防雷措施已实际应用在岸桥上，但设备1年之内仍3次遭受雷击事故，导致现场8台岸桥均出现设备损坏的情况。总计有18台POE交换机网口损坏、16台PC电脑网口损坏以及12台摄像头损坏，对码头现场作业产生极为不利的影响。

分析发现，这些损坏的设备都是岸桥CCTV视频监控设备，雷击事故并未对岸桥其他设备造成影响。摄像头安装时其支架已做喷漆处理，导致摄像头外壳与岸桥结构之间接地并不可靠；另外，本地控制室的交换机和电脑网口损坏，是由于雷击时雷电电磁脉冲沿外部摄像头网线串入导致。针对CCTV视频监控系统防雷措施的薄弱环节，提出以下改进措施：

(1)岸桥摄像头和POE交换机两侧加装信号浪涌保护器，防止雷击时感应电势沿网线对摄像头和交换机造成影响。

(2)检查岸桥整机摄像头及其电缆穿线管路、接线盒的接地情况，确保可靠接地。

(3)本地控制室CCTV视频监控系统PC与POE交换机两端增加网络信号浪涌保护器。

4 结语

以上防雷措施以及改进措施实施后效果良好，至今未发生过因雷击而导致岸桥设备故障的情况。此项目防雷设计与改进措施可作为岸桥防雷系统设计参考。岸桥防雷是一个系统工程，需要根据岸桥实际情况综合考虑，合理利用各种防雷措施以达到对设备的全方位防护，以保障岸桥安全可靠运行以及作业人员的人身安全。