岸邊集裝箱起重機防雷電保護系統改進技術

陳偉 季李軍

摘要： 當岸邊集裝箱起重機遭受雷擊時會出現故障，本文分析了這種故障的產生機制，并且介紹了一般的岸橋防雷系統以及它的問題，針對問題又提出了改善方案。

關鍵詞： 接閃； 岸橋； 避雷針； 重量傳感器； 防雷保護系統； 電涌保護

1 前言

集裝箱碼頭裝卸設備的一大主要組成部分便是岸邊集裝箱起重機，又稱岸橋 。隨著科技的高速進展，船舶也越來越往大型化的方向發展，對應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，在漲潮的時候，岸橋大梁最高點距地面約128 m，根據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。

據統計，在過去5年中，上海一家公司的11 臺岸橋中有5 臺次因雷擊導致重量傳感器嚴重損壞，直接造成的經濟損失多達12.3萬 元，同時還會造成設備的停工（由于備件采購時間過長），這樣就會導致設備長時間無法正常工作，因此我們有必要認真地熟悉岸橋防雷系統并對其中的缺陷進行改善。

2 岸橋防雷系統

一套完整的岸橋防雷系統主要包含兩個方面：一是外部防雷部分；二是內部防雷部分。

2. 1 外部防雷部分

外部防雷部分主要是保護岸橋免受直接雷擊損害。因為集裝箱碼頭上的最高位置正是岸橋，：而岸橋鋼結構是一個完美的導體 ，所以根據尖端放電原理，它的前大梁或梯形架便是這個導體的尖端，尖端的電荷越是密集，尖端附近的電場就越強，這樣岸橋鋼結構的尖端就越容易形成放電，也即是岸橋遭受了雷擊損害。我們要規避這種直擊雷造成的損害，就必須嚴格遵守JT556 - 2004《港口防雷與接地技術要求》，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。當岸橋正常工作時，梯形架上的接閃器大約距離橋面82 m，而當岸橋漲俯仰時（非作業狀態），避雷針大約距橋面128 m。其中接閃器就是用于把被保護對象上方的閃電導引向自身，然后安全地泄入大地。

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

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

2. 2 內部防雷部分

內部防雷部分主要是為了規避感應雷對于岸橋的損害。內部防雷部分保護措施主要由 等電位系統、合理布線、屏蔽、電涌保護等組成。其中等電位系統保護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安全接地，這是為了使鋼結構與電器柜內設備之間的電壓差變得非常小。合理的布線是在布線時，我們要把強電電纜和弱電電纜分開來做出合理的布置，而對于電氣室外圍布線，我們要盡量的讓線位于大梁金屬結構的內部，同時我們可以用穿金屬管來敷設重要信號電纜 ，當然，金屬管的兩端和岸橋鋼結構材料也應合理可靠地連接到地面。對于弱電信號線路，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電纜，同時我們要將電纜兩端的屏蔽層與等電位系統相互可靠地連接。電涌保護器是用來電涌保護措施的一種器件。它的工作原理是利用外界條件使因電磁感應竄入線路的瞬時過電壓處于設備能承受的范圍內，或者通過其他方法使雷電流安全地泄放入地，以保證設備不會受到損壞。

3岸邊集裝箱起重機防雷電保護系統改進措施

3. 1 可能存在的問題

在2009 年-2014 年間，調查的那家上海公司總共發生了5 臺次的岸橋重量傳感器故障現象，故障表現為傳感器輸出數值異常。在對現場損壞的重量傳感器進行勘查以后，我們并沒有發現明顯的被雷擊跡象。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。同時在現場檢驗時發現，損壞的岸橋均處于非作業狀態，而前大梁的接閃器位于127 m 的高空，是碼頭的最高點，雷電經過接閃器接閃，岸橋鋼材料結構作為引下線，經由接地靴和大車軌道排入大地，這樣可以保護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。

再依據雷擊的方式，我們可以確定傳感器是由于感應雷擊而造成的損壞。經深入分析，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只有1 m的距離，包含在雷電流引下線的線路中，當前大梁的接閃器接引雷電放電時，將會有一個感應的雷電壓耦合進入重量傳感器電源線路和信號反饋線路中。再查看說明書可知，我們發現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，傳感器內部電阻應變片橋式電路電阻就會隨之變化，經由傳感器的內置發大器，對應的輸出反饋電流約為4 ～ 20 mA；傳感器的內置放大器對過流和過壓感應的檢測很敏感。這樣當感應的雷電壓耦合進入電源線路、反饋信號線路后，內置放大器將會很難承受而遭受損壞，這可能會導致傳感器輸出數值異常。

3. 2 防雷保護系統的改進

由上例可以看出岸橋在內部防雷系統經常存有缺陷，所以我們決定針對重量傳感器，改進它的防雷保護系統。

3. 2. 1 防雷保護系統的改進方案

通常每臺岸橋上都有4 個重量傳感器，并且每個重量傳感器分別設置有各自的供電線路和反饋線路，所以如果我們要保護所有的傳感器，就必須要在每個重量傳感器的回路中單獨設置電涌保護器保護。通常重量傳感器都是設置在前大梁的端部，因此我們要盡量把電涌保護器安裝在靠近重量傳感器的地方，以增強保護器的保護作用。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所示的電涌保護器DPI CD EXI + D 2X24 M ，它的標稱電壓直流24 V，最大持續工作電壓為48 V。

3. 2. 2 實際安裝中的防雷保護系統改進

當我們實際安裝傳感器時，由于每個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，并且電涌保護器安裝位置離傳感器接地點距距離較遠，為了確保保護效果，我們將電涌保護器接地線GN/YE 就近與岸橋連接，將圖中的電源P 與BK（電涌保護器）相連接，然后短接BK的公共參考點BL 及RD ，最后和電源N 連接，最后信號反饋線連接到BR，這樣就可以最大化地保護傳感器。

4 結語

我們通過對普通重量傳感器防雷保護系統的問題進行了分析，然后提出了改進的方案，使岸橋設備的承受雷電環境的能力變得更好。并且上海那家公司采用我們這種改善的防雷保護系統1 年之后，再也沒有發生重量傳感器損壞情況（在雷擊情況下），使岸橋設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，這樣司機室和吊具內電氣元件也會容易發生感應雷擊損壞現象，這點也應重視。

參考文獻：

[1] JT 556 - 2004 . 港口防雷與接地技術要求[S].

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

（作者單位：上海振華重工（集團）股份有限公司）