岸邊集裝箱起重機(jī)防雷設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化探索

卞索菲　劉佳蔚

摘要：本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中最新防雷設(shè)計(jì)的規(guī)范，理論結(jié)合實(shí)際，并更注重于實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，從生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)出發(fā)，簡(jiǎn)要談一下目前岸橋產(chǎn)品的防雷設(shè)計(jì)方案，論證其可靠性。同時(shí)，本文將進(jìn)一步探討現(xiàn)有防雷方案可能存在的盲點(diǎn)，分析問(wèn)題，嘗試提出自己的解決方案，為優(yōu)化岸邊集裝箱起重機(jī)上的防雷設(shè)計(jì)提供一些思路。

關(guān)鍵字：岸橋;防雷;優(yōu)化;設(shè)計(jì);探索

0 引言

雷電災(zāi)害作為 “最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，因其巨大的破壞力所造成的直接人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，一直以來(lái)都受到相關(guān)企事業(yè)單位，甚至聯(lián)合國(guó)的廣泛關(guān)注。

隨著科技的進(jìn)步，對(duì)雷電機(jī)理的研究，對(duì)防雷方法的探索不斷取得了新的進(jìn)展。然而盡管如此，全球的雷電災(zāi)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(jī)作為碼頭前沿港口裝卸用途的重要設(shè)備，其所處的工作環(huán)境—前端面海，碼頭沿岸空曠，四周無(wú)高達(dá)建筑物，決定了其在港口防雷設(shè)計(jì)上所處的突出位置。

隨著雷電研究和防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，如何因地制宜，應(yīng)用高科技，采取最經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。因此， 在集裝箱岸橋產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者對(duì)于防雷理論知識(shí)的掌握及探索應(yīng)始終與國(guó)際接軌，與時(shí)代俱進(jìn)，才能使產(chǎn)品保持在技術(shù)上的先進(jìn)性。

1 集裝箱岸橋防雷設(shè)計(jì)概況

根據(jù)GB50057-2010第3.0.4條，對(duì)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(yīng)滿足第三類防雷規(guī)范。

經(jīng)測(cè)，雷暴天氣，直擊雷對(duì)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(jiàn)瞬間破壞力極大。因此在岸橋的防雷措施中，對(duì)于直擊雷的防范成為了主要的討論對(duì)象。

岸橋的防雷裝置，由外部防雷裝置和內(nèi)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(nèi)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(hù)器。

雷云直擊岸橋時(shí)，岸橋避雷的原理就是避雷系統(tǒng)通過(guò)接閃器向大地放電的過(guò)程，可近似用RC放電過(guò)程來(lái)模擬。下圖以韓國(guó)GBB項(xiàng)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(yīng)用滾球法確定避雷針的保護(hù)范圍

"滾球法"是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法之一;我國(guó)建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057-2010也采納"滾球法"作為接閃器保護(hù)范圍的計(jì)算方法。本文也將采用滾球法的計(jì)算方法對(duì)岸橋起重機(jī)上特定位置的避雷針保護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算。

在岸橋避雷系統(tǒng)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(guó)休斯頓Bayport港采購(gòu)我司的岸橋產(chǎn)品為例，分別對(duì)這兩個(gè)位置的避雷針保護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證其是否滿足防雷的要求。

2.1梯形架避雷針的保護(hù)范圍

根據(jù)圖2（b）， 將梯形架結(jié)構(gòu)面視為基準(zhǔn)面，AEC和BEC外側(cè)防雷范圍的計(jì)算按單支避雷這方法確定。

根據(jù)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(jié)構(gòu)面距離。由圖2（a）可知，h=3800（mm）;

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

hx—被保護(hù)物最高高度;

rx—避雷針在hx高度xx'平面上的保護(hù)半徑。

可按如下公式：

當(dāng)hx=0時(shí)，避雷針在地面上的保護(hù)半徑r0如下：

根據(jù)圖2（b），C、E點(diǎn)位于兩針間聯(lián)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(diǎn)處，其保護(hù)范圍上邊緣的高度hf可做如下圖4計(jì)算：

當(dāng)X=0時(shí)，h0=3908（mm）。根據(jù)圖2（b），也就是說(shuō)在AECB的范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)備高度低于3908mm時(shí)，均受到防雷保護(hù)。

如圖5是雙支等高避雷針保護(hù)范圍的立體圖。通過(guò)以上的計(jì)算過(guò)程，我們可以通過(guò)公式驗(yàn)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(hù)情況。通過(guò)計(jì)算，本項(xiàng)目電氣設(shè)備均在保護(hù)范圍內(nèi)。

除此之外，一般情況下梯形架上除避雷針外，最高的設(shè)備是戶外維修行車(chē)。如圖2（a）中所顯示，其高度已基本接近避雷保護(hù)范圍的上緣。根據(jù)GB50057-2010第5.2.8條的規(guī)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(yīng)連成電氣貫通，并符合相關(guān)規(guī)范?！碧菪渭苌系膽敉饩S修行車(chē)不含電氣設(shè)備，因此，在滿足與引下線可靠電氣貫通等規(guī)定的情況下，也可作為接閃器使用，符合防雷規(guī)范。

2.2大梁扳起時(shí)候前大梁頭部雷針的保護(hù)范圍

根據(jù)圖5， 將前大梁頭部平臺(tái)側(cè)面結(jié)構(gòu)視為基準(zhǔn)面，由于前大梁平臺(tái)突出部分會(huì)有差異，因此，應(yīng)在布置有電氣箱支架的平臺(tái)同一高度或更高的位置附近布置避雷針保護(hù)。如圖5所示，在不同平臺(tái)高度，避雷針A和B作為單支避雷針的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)件，高度一定，hq=1708（mm）。

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

hb—電氣箱支架離開(kāi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)距離，一般小于430，在本項(xiàng)目中，hb=420（mm）。

hc—大梁仰起后，電器支架最高點(diǎn)離平臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)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(diǎn)離平臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)等效高度。

由圖6可知，hd=hq ≈1682（mm）

根據(jù)圖3單支避雷針的保護(hù)范圍計(jì)算圖，可計(jì)算出當(dāng)大梁仰起的時(shí)候，避雷針在電氣箱支架最高點(diǎn)平面的保護(hù)半徑rx。

因此，當(dāng)電氣箱支架遠(yuǎn)端離避雷針距離小于4495（mm）時(shí)，整個(gè)電氣支架都是在防雷范圍內(nèi)的。本項(xiàng)目符合防雷規(guī)范。

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

此時(shí)，rx≈4305（mm）

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

2.3滾球法計(jì)算的應(yīng)用與防雷設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化工作

綜上所述，應(yīng)用滾球法計(jì)算出梯形架避雷針，大梁扳起時(shí)前大梁頭部雷針的保護(hù)范圍是可行的。通過(guò)此方式，可以很好得驗(yàn)證在上述2種情況下岸橋防雷系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備保護(hù)的有效性。

目前，在避雷針的定位上還未形成標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用滾球法計(jì)算后，可以優(yōu)化避雷針的布置方案，為電氣設(shè)備的有效避雷提供理論依據(jù)。以此為基礎(chǔ)，今后可以制定相關(guān)準(zhǔn)則，針對(duì)不同機(jī)型或不同機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)計(jì)上可以提供幾套標(biāo)準(zhǔn)化的避雷設(shè)計(jì)圖。

3 岸橋集裝箱起重機(jī)上的雷擊案例探討

近些年來(lái)隨著港口的蓬勃發(fā)展，起重機(jī)的需求日益增加，產(chǎn)量突飛猛進(jìn)，在防雷方面，所揭示出的新的問(wèn)題也引起了我們的注意。比如現(xiàn)場(chǎng)工程師反映，在碼頭交機(jī)階段，時(shí)值雷暴天氣，岸橋正處在工作狀態(tài)，前大梁端部卻有一定概率會(huì)遭受雷擊，由此導(dǎo)致重量傳感等重要電氣設(shè)備的損壞，造成的后果嚴(yán)重。

3.1原因分析

我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程師反饋的情況， 以美國(guó)休斯頓Bayport港岸橋產(chǎn)品為模型，用滾球法模擬雷擊情況進(jìn)行分析。前大梁離地高度約55米，伸出長(zhǎng)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(dāng)前大梁水平狀態(tài)時(shí)，其端部已超出梯形架頂部避雷針的保護(hù)范圍。

除此以外，在碼頭運(yùn)行時(shí)，處于工作狀態(tài)下的岸橋其前大梁結(jié)構(gòu)都是伸入海面的，高度也可達(dá)到50多米，完全遠(yuǎn)離了碼頭周?chē)姆雷o(hù)設(shè)施。

時(shí)值雷暴天氣，海面上會(huì)有雷雨云塊漂浮，當(dāng)雷雨云飄過(guò)前大梁附近區(qū)域時(shí)，在一定條件下雷雨云將會(huì)對(duì)前大梁產(chǎn)生放電現(xiàn)象，在這種情況下，前大梁端部缺乏有效的防雷保護(hù)，導(dǎo)致了前大梁端部的電氣設(shè)備直接遭受到了雷擊。其次，通常情況下，碼頭上配備有數(shù)臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)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(guò)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(jìn)

由2.1，2.2論述可知，目前岸橋產(chǎn)品在梯子型架及前大梁端部均安裝有一對(duì)普通避雷針，在通常情況下已經(jīng)可以達(dá)到相應(yīng)范圍內(nèi)的防雷要求。但當(dāng)岸橋處在工作狀態(tài)時(shí)，特別是在雷暴天氣，前大梁前端伸向海洋，雷云從海上飄過(guò)時(shí)，前大梁端部仍有可能發(fā)生雷擊。可見(jiàn)普通避雷針很難給出較好的解決方案。

3.2.1預(yù)放電型避雷針的應(yīng)用

除普通避雷針外還有一種預(yù)放電避雷針也在應(yīng)用中，其最大優(yōu)點(diǎn)是在同等高度下，預(yù)放電避雷針比普通避雷針保護(hù)范圍更大。

其工作原理是在雷電云形成區(qū)域，利用云地間產(chǎn)生的電場(chǎng)，利用針尖產(chǎn)生的火花放電，使周?chē)諝怆婋x，更早地產(chǎn)生一個(gè)上行先導(dǎo)，迅速向雷電方向傳播，提前中和下行先導(dǎo)，達(dá)到引雷的效果。通過(guò)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(yù)放電避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算

按法國(guó)國(guó)標(biāo)NFC17-102，計(jì)算預(yù)放電避雷針的保護(hù)半徑：

rp—為所考慮的水平面上的防雷保護(hù)半徑;

d—滾球半徑，d=60000mm;

h—避雷針針尖相對(duì)于被保護(hù)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(dǎo)傳播速度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明v=1m/μ

△t—為預(yù)放電避雷針產(chǎn)品參數(shù)，可采用30μs，45μs，60μs。設(shè)采用的預(yù)放電避雷針預(yù)放電時(shí)間為30μs。

首先考慮將傳統(tǒng)方案中布置于梯形架位置的普通避雷針更換為預(yù)放電型避雷針。在模擬項(xiàng)目中，梯子型架高于前大梁水平高度約31米，即h=31000。通過(guò)公式計(jì)算所得保護(hù)半徑rp約為85米。如圖8所示，通過(guò)計(jì)算可知，在應(yīng)用預(yù)放電避雷針后，在工作狀態(tài)下整個(gè)岸橋結(jié)構(gòu)都可以處在避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)。

綜上所述，通過(guò)在岸橋上引入預(yù)放電避雷針這種新型產(chǎn)品，理論上可以解決上述的雷擊問(wèn)題，但這僅僅是一種理論推導(dǎo)，還需要通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用和長(zhǎng)期觀察，我們才能得出最正確的結(jié)論。

4 岸橋防雷技術(shù)展望

盡管雷電技術(shù)的研究和防護(hù)技術(shù)不斷取得進(jìn)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(gè)課題還有待我們進(jìn)一步探索和攻關(guān)。

展望未來(lái)，隨著更多的優(yōu)秀技術(shù)人員的加入，銳意創(chuàng)新，突破進(jìn)取，將更多高科技，高水平的技術(shù)和理念應(yīng)用于岸橋產(chǎn)品和防雷設(shè)計(jì)中去，我們有理由相信在這一課題上我們終將會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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