岸邊集裝箱起重機(jī)防雷電保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

陳偉 季李軍

摘要： 當(dāng)岸邊集裝箱起重機(jī)遭受雷擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障，本文分析了這種故障的產(chǎn)生機(jī)制，并且介紹了一般的岸橋防雷系統(tǒng)以及它的問題，針對(duì)問題又提出了改善方案。

關(guān)鍵詞： 接閃； 岸橋； 避雷針； 重量傳感器； 防雷保護(hù)系統(tǒng)； 電涌保護(hù)

1 前言

集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的一大主要組成部分便是岸邊集裝箱起重機(jī)，又稱岸橋 。隨著科技的高速進(jìn)展，船舶也越來越往大型化的方向發(fā)展，對(duì)應(yīng)的岸橋高度和向外延伸距離也越來越長，比如天津港歐亞國際岸橋的高度大約是43 m，而前大梁向外延伸大約66 m，在漲潮的時(shí)候，岸橋大梁最高點(diǎn)距地面約128 m，根據(jù)尖端放電的原理以及雷電選擇特性，岸橋部位因此最容易遭受雷擊。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去5年中，上海一家公司的11 臺(tái)岸橋中有5 臺(tái)次因雷擊導(dǎo)致重量傳感器嚴(yán)重?fù)p壞，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)12.3萬 元，同時(shí)還會(huì)造成設(shè)備的停工（由于備件采購時(shí)間過長），這樣就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備長時(shí)間無法正常工作，因此我們有必要認(rèn)真地熟悉岸橋防雷系統(tǒng)并對(duì)其中的缺陷進(jìn)行改善。

2 岸橋防雷系統(tǒng)

一套完整的岸橋防雷系統(tǒng)主要包含兩個(gè)方面：一是外部防雷部分；二是內(nèi)部防雷部分。

2. 1 外部防雷部分

外部防雷部分主要是保護(hù)岸橋免受直接雷擊損害。因?yàn)榧b箱碼頭上的最高位置正是岸橋，：而岸橋鋼結(jié)構(gòu)是一個(gè)完美的導(dǎo)體 ，所以根據(jù)尖端放電原理，它的前大梁或梯形架便是這個(gè)導(dǎo)體的尖端，尖端的電荷越是密集，尖端附近的電場就越強(qiáng)，這樣岸橋鋼結(jié)構(gòu)的尖端就越容易形成放電，也即是岸橋遭受了雷擊損害。我們要規(guī)避這種直擊雷造成的損害，就必須嚴(yán)格遵守JT556 - 2004《港口防雷與接地技術(shù)要求》，在岸橋上配備接閃器； 引下線； 接地裝置等防雷裝置。如下圖1 所示。避雷針就是所謂的雷電接閃器，我們必須要把它安置在岸橋的梯形架及前大梁上。當(dāng)岸橋正常工作時(shí)，梯形架上的接閃器大約距離橋面82 m，而當(dāng)岸橋漲俯仰時(shí)（非作業(yè)狀態(tài)），避雷針大約距橋面128 m。其中接閃器就是用于把被保護(hù)對(duì)象上方的閃電導(dǎo)引向自身，然后安全地泄入大地。

上圖中所示的引下線實(shí)際上是一種用于將避雷針連接到接地裝置的金屬導(dǎo)體。同時(shí)由于岸橋本身是鋼的結(jié)構(gòu)特性，岸橋因此可以直接利用鋼結(jié)構(gòu)特性作為引下線保護(hù)； 此外，岸橋鋼結(jié)構(gòu)鉸點(diǎn)和螺栓通過跨界交叉導(dǎo)線連接起來，最后形成與海陸各自接地靴、大車軌道的有效接觸； 外部防雷系統(tǒng)的另外一種形式是敷設(shè)單獨(dú)避雷線的避雷系統(tǒng)，通過避雷針、接地線、電纜管、高壓瓷瓶利用結(jié)構(gòu)外焊接固定支架沿結(jié)構(gòu)外部排裝，最終與大車接地靴可靠連接，接地線電纜管與結(jié)構(gòu)間距保證不低于150mm，避免利用結(jié)構(gòu)本身作為導(dǎo)體，安全性更高。

大車軌道作為岸橋防雷系統(tǒng)的接地裝置，我們要求每相距30 ～ 50 m 要設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)，這樣可以讓雷電流順利泄入大地。

2. 2 內(nèi)部防雷部分

內(nèi)部防雷部分主要是為了規(guī)避感應(yīng)雷對(duì)于岸橋的損害。內(nèi)部防雷部分保護(hù)措施主要由 等電位系統(tǒng)、合理布線、屏蔽、電涌保護(hù)等組成。其中等電位系統(tǒng)保護(hù)措施是通過一系列措施讓電器柜、電纜屏蔽線、室外接線盒殼體及變壓器的中性點(diǎn)安全接地，這是為了使鋼結(jié)構(gòu)與電器柜內(nèi)設(shè)備之間的電壓差變得非常小。合理的布線是在布線時(shí)，我們要把強(qiáng)電電纜和弱電電纜分開來做出合理的布置，而對(duì)于電氣室外圍布線，我們要盡量的讓線位于大梁金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，同時(shí)我們可以用穿金屬管來敷設(shè)重要信號(hào)電纜 ，當(dāng)然，金屬管的兩端和岸橋鋼結(jié)構(gòu)材料也應(yīng)合理可靠地連接到地面。對(duì)于弱電信號(hào)線路，我們則需要采取屏蔽措施，我們要使用帶金屬屏蔽層電纜作為信號(hào)電纜，同時(shí)我們要將電纜兩端的屏蔽層與等電位系統(tǒng)相互可靠地連接。電涌保護(hù)器是用來電涌保護(hù)措施的一種器件。它的工作原理是利用外界條件使因電磁感應(yīng)竄入線路的瞬時(shí)過電壓處于設(shè)備能承受的范圍內(nèi)，或者通過其他方法使雷電流安全地泄放入地，以保證設(shè)備不會(huì)受到損壞。

3岸邊集裝箱起重機(jī)防雷電保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)措施

3. 1 可能存在的問題

在2009 年-2014 年間，調(diào)查的那家上海公司總共發(fā)生了5 臺(tái)次的岸橋重量傳感器故障現(xiàn)象，故障表現(xiàn)為傳感器輸出數(shù)值異常。在對(duì)現(xiàn)場損壞的重量傳感器進(jìn)行勘查以后，我們并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的被雷擊跡象。這些故障的岸橋都配備有接閃器、引下線、接地裝置等防雷電裝置。同時(shí)在現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，損壞的岸橋均處于非作業(yè)狀態(tài)，而前大梁的接閃器位于127 m 的高空，是碼頭的最高點(diǎn)，雷電經(jīng)過接閃器接閃，岸橋鋼材料結(jié)構(gòu)作為引下線，經(jīng)由接地靴和大車軌道排入大地，這樣可以保護(hù)其他位置不被雷電直接擊中，所以外部防雷部分工作是可靠的。

再依據(jù)雷擊的方式，我們可以確定傳感器是由于感應(yīng)雷擊而造成的損壞。經(jīng)深入分析，岸橋的重量傳感器是安置在前大梁的最前端，和大梁的接閃器的最近點(diǎn)只有1 m的距離，包含在雷電流引下線的線路中，當(dāng)前大梁的接閃器接引雷電放電時(shí)，將會(huì)有一個(gè)感應(yīng)的雷電壓耦合進(jìn)入重量傳感器電源線路和信號(hào)反饋線路中。再查看說明書可知，我們發(fā)現(xiàn)重量傳感器是一種針式傳感器，供電電壓必須是24 V（DC），隨著傳感器的傳感針受力，傳感器內(nèi)部電阻應(yīng)變片橋式電路電阻就會(huì)隨之變化，經(jīng)由傳感器的內(nèi)置發(fā)大器，對(duì)應(yīng)的輸出反饋電流約為4 ～ 20 mA；傳感器的內(nèi)置放大器對(duì)過流和過壓感應(yīng)的檢測很敏感。這樣當(dāng)感應(yīng)的雷電壓耦合進(jìn)入電源線路、反饋信號(hào)線路后，內(nèi)置放大器將會(huì)很難承受而遭受損壞，這可能會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出數(shù)值異常。

3. 2 防雷保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)

由上例可以看出岸橋在內(nèi)部防雷系統(tǒng)經(jīng)常存有缺陷，所以我們決定針對(duì)重量傳感器，改進(jìn)它的防雷保護(hù)系統(tǒng)。

3. 2. 1 防雷保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)方案

通常每臺(tái)岸橋上都有4 個(gè)重量傳感器，并且每個(gè)重量傳感器分別設(shè)置有各自的供電線路和反饋線路，所以如果我們要保護(hù)所有的傳感器，就必須要在每個(gè)重量傳感器的回路中單獨(dú)設(shè)置電涌保護(hù)器保護(hù)。通常重量傳感器都是設(shè)置在前大梁的端部，因此我們要盡量把電涌保護(hù)器安裝在靠近重量傳感器的地方，以增強(qiáng)保護(hù)器的保護(hù)作用。由傳感器手冊可知傳感器的工作電壓為24 V（DC），我們可以選擇一款如下圖2所示的電涌保護(hù)器DPI CD EXI + D 2X24 M ，它的標(biāo)稱電壓直流24 V，最大持續(xù)工作電壓為48 V。

3. 2. 2 實(shí)際安裝中的防雷保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)

當(dāng)我們實(shí)際安裝傳感器時(shí)，由于每個(gè)重量傳感器接線都是三線制（24 V 電源P 及N）的，而傳感器自身金屬部分并沒有和重量傳感器接地線相連，并且電涌保護(hù)器安裝位置離傳感器接地點(diǎn)距距離較遠(yuǎn)，為了確保保護(hù)效果，我們將電涌保護(hù)器接地線GN/YE 就近與岸橋連接，將圖中的電源P 與BK（電涌保護(hù)器）相連接，然后短接BK的公共參考點(diǎn)BL 及RD ，最后和電源N 連接，最后信號(hào)反饋線連接到BR，這樣就可以最大化地保護(hù)傳感器。

4 結(jié)語

我們通過對(duì)普通重量傳感器防雷保護(hù)系統(tǒng)的問題進(jìn)行了分析，然后提出了改進(jìn)的方案，使岸橋設(shè)備的承受雷電環(huán)境的能力變得更好。并且上海那家公司采用我們這種改善的防雷保護(hù)系統(tǒng)1 年之后，再也沒有發(fā)生重量傳感器損壞情況（在雷擊情況下），使岸橋設(shè)備的可靠性極大的提高。

但是岸橋小車供電拖鏈電纜（ 滑觸線） 是沿著前大梁（雷電引下線路徑）布置，這樣司機(jī)室和吊具內(nèi)電氣元件也會(huì)容易發(fā)生感應(yīng)雷擊損壞現(xiàn)象，這點(diǎn)也應(yīng)重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] JT 556 - 2004 . 港口防雷與接地技術(shù)要求[S].

[2] 曲之國. 淺談港口設(shè)施防雷[J]. 港口科技， 2009（ 08）： 36 - 38.

（作者單位：上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司）