岸邊集裝箱起重機防雷系統(tǒng)設(shè)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(yè)的發(fā)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(shè)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(dǎo)致岸橋設(shè)施及其電氣設(shè)備的損壞，甚至危及人身安全[1-2]。以某項目防雷系統(tǒng)設(shè)計為例，介紹岸橋防雷系統(tǒng)設(shè)計的一般思路。

2 岸橋防雷系統(tǒng)設(shè)計

岸橋防雷系統(tǒng)由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)共同組成[3]。岸橋防雷電是一個系統(tǒng)工程，設(shè)計時應(yīng)全面規(guī)劃，把防雷的諸多要素與岸橋結(jié)構(gòu)有機結(jié)合，發(fā)揮最優(yōu)防范功能。

2.1 年預(yù)計雷擊次數(shù)計算

以某項目為例，根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和JT556-2004《港口防雷與接地技術(shù)要求》計算岸橋在碼頭現(xiàn)場年預(yù)計雷擊次數(shù)，公式為：

N=KNgAe

(1)

式中，N為岸橋預(yù)計雷擊次數(shù)，次/a；K為校正系數(shù)，岸橋設(shè)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(shù)的等效面積，km2，應(yīng)為岸橋?qū)嶋H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(qū)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(dāng)?shù)啬昶骄妆┤?，d/a,通過查詢當(dāng)?shù)貧庀蠊倬W(wǎng)可知，當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諡?57天；計算可得Ng為17.17 km2·a。

故該岸橋年預(yù)計雷擊次數(shù)約為N=KNgAe=2×17.17×0.08=2.74次，這與現(xiàn)場遭雷擊事件的情況相吻合。根據(jù)《港口防雷與接地技術(shù)要求》中港口建筑物分類可知，岸橋?qū)儆诟劭诘诙惙览捉ㄖ铩?/p>

2.2 岸橋外部防雷系統(tǒng)

岸橋外部防雷系統(tǒng)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(jié)構(gòu))組成(見圖1)。外部防雷系統(tǒng)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(cè)行走接地靴 5.海側(cè)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(tǒng)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(wěn)定性好的熱浸鍍鋅鋼為材料，作用是影響雷電下行先導(dǎo)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(jié)構(gòu)支柱上以支撐避雷針，增加避雷針的高度。岸橋設(shè)備避雷針通常安裝在梯形架頂部和前大梁端部。當(dāng)俯仰機構(gòu)在仰起狀態(tài)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(cè)閃擊的危險；當(dāng)俯仰在水平狀態(tài)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(cè)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(dǎo)體。岸橋可以采用金屬結(jié)構(gòu)作為引下線，在結(jié)構(gòu)斷開或活動部位裝設(shè)跨接接地線的方式來連接溝通。該項目采用70 mm2專用銅導(dǎo)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(shè)時應(yīng)沿岸橋結(jié)構(gòu)最短路徑入地，使雷電流以最短的時間導(dǎo)入大地，減少雷電流在引下線上產(chǎn)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(dǎo)入大地的最后裝置，對接地電流系統(tǒng)，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(jù)《港口防雷與接地技術(shù)要求》，岸橋沖擊接地電阻值應(yīng)不大于10 Ω。另外，要求岸橋等裝卸設(shè)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(shè)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(nèi)部防雷系統(tǒng)

岸橋內(nèi)部防雷系統(tǒng)包括所有防止雷電流在岸橋上造成電和磁效應(yīng)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(tǒng)的主要部分。雷電磁脈沖對岸橋設(shè)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(nèi)部防雷系統(tǒng)設(shè)計也應(yīng)當(dāng)根據(jù)這3種情況分別加以防護。

2.3.1 電源系統(tǒng)防雷保護

岸橋電源系統(tǒng)防雷保護分為高壓側(cè)和低壓側(cè)保護兩部分。高壓側(cè)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(tǒng)。低壓側(cè)保護是在岸橋變壓器低壓側(cè)采用分階段抑制的方法,從岸橋供電系統(tǒng)低壓側(cè)電源入口開始，將雷電流的瞬態(tài)過電壓的能量逐步釋放，從而保護后端電子電氣設(shè)備。

該項目岸橋電源系統(tǒng)防雷保護設(shè)置見表1。在副變電源輸入側(cè)、司機室電源輸入側(cè)、門架小車電源輸入側(cè)、本地控制室電源輸入側(cè)分別裝設(shè)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(yīng)時間≤100 ns，主要用于對直擊雷和感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的大電流和高能量浪涌吸收，但岸橋系統(tǒng)一些敏感的電子電氣設(shè)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(tài)過電壓對后端電子電氣設(shè)備造成的影響和破壞。具體參數(shù)為：雷電通流容量40 kA(8/20 μs)；響應(yīng)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(shè)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(tǒng)內(nèi)部的微小瞬態(tài)過電壓。其具體參數(shù)為：雷電通流容量1 kA(8/20 μs)；響應(yīng)時間≤25 ns。

表1 岸橋電源系統(tǒng)防雷保護設(shè)置

2.3.2 通訊信號系統(tǒng)防雷保護

由于集裝箱碼頭自動化、智能化發(fā)展，岸橋上通訊信號系統(tǒng)也隨之復(fù)雜化。雷電發(fā)生時，浪涌過電壓會沿岸橋設(shè)備上的通訊信號電纜影響系統(tǒng)的正常運行，導(dǎo)致設(shè)備損壞、甚至岸橋無法作業(yè)，因此必須對岸橋通訊信號系統(tǒng)進行防雷保護。該項目在重要的通訊線路和電子設(shè)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(shù)為：標(biāo)稱電壓24 V；標(biāo)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(shù)為：標(biāo)稱電壓48 V；標(biāo)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(tǒng)防雷保護設(shè)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(shè)備由于接地不良導(dǎo)致電位差而引起的擊穿放電。等電位連接包括岸橋金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過70 mm2接地銅導(dǎo)線與岸橋結(jié)構(gòu)相連；岸橋上的各種設(shè)備的連接，如馬達、設(shè)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(jié)構(gòu)可靠連接。這些連接形成一個金屬接地網(wǎng)絡(luò)，這是減少系統(tǒng)中過電壓的最佳方法，也是避雷器(電涌保護器)協(xié)調(diào)使用的基礎(chǔ)。

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?？梢岳秒娏鞯内吥w效應(yīng)在岸橋電子電氣設(shè)備及線路外部做金屬屏蔽，并使屏蔽可靠接地，當(dāng)雷電發(fā)生時，雷電流會集中在這些屏蔽金屬導(dǎo)體表面，通過接地網(wǎng)絡(luò)釋放到大地。屏蔽保護措施包括電子電氣設(shè)備的外殼、機房、操作站的金屬外殼、電纜在岸橋金屬結(jié)構(gòu)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(wǎng)線屏蔽電纜等。

3 岸橋防雷系統(tǒng)改進

以上防雷措施已實際應(yīng)用在岸橋上，但設(shè)備1年之內(nèi)仍3次遭受雷擊事故，導(dǎo)致現(xiàn)場8臺岸橋均出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況?？傆嬘?8臺POE交換機網(wǎng)口損壞、16臺PC電腦網(wǎng)口損壞以及12臺攝像頭損壞，對碼頭現(xiàn)場作業(yè)產(chǎn)生極為不利的影響。

分析發(fā)現(xiàn)，這些損壞的設(shè)備都是岸橋CCTV視頻監(jiān)控設(shè)備，雷擊事故并未對岸橋其他設(shè)備造成影響。攝像頭安裝時其支架已做噴漆處理，導(dǎo)致攝像頭外殼與岸橋結(jié)構(gòu)之間接地并不可靠；另外，本地控制室的交換機和電腦網(wǎng)口損壞，是由于雷擊時雷電電磁脈沖沿外部攝像頭網(wǎng)線串入導(dǎo)致。針對CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)防雷措施的薄弱環(huán)節(jié)，提出以下改進措施：

(1)岸橋攝像頭和POE交換機兩側(cè)加裝信號浪涌保護器，防止雷擊時感應(yīng)電勢沿網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)PC與POE交換機兩端增加網(wǎng)絡(luò)信號浪涌保護器。

4 結(jié)語

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