岸边集装箱起重机防雷电保护系统改进技术

天津港欧亚国际集装箱码头有限公司工程技术部　武　彬



岸边集装箱起重机防雷电保护系统改进技术

天津港欧亚国际集装箱码头有限公司工程技术部武彬

摘要:分析了岸边集装箱起重机因雷击出现的问题，介绍了雷电及港口装卸设备防雷系统，提出了防雷保护解决方案及防雷保护系统设计改进技术。

关键词:岸边集装箱起重机； 雷电； 感应雷； 重量传感器；防雷保护；电涌保护器

1前言

岸边集装箱起重机(简称岸桥)是集装箱码头装卸设备的重要组成部分。为了适应船舶大型化的发展，岸桥起升高度和外伸距越来越大，以天津港欧亚国际岸桥为例，地面上起升高度43 m，前大梁外伸距66 m，岸桥大梁在涨起状态时，最高点距地面128 m，根据尖端放电的原理和雷电选择特性，岸桥是集装箱码头上最容易遭受雷击的设备。

近5年来，公司11台岸桥中有5台次因雷击造成重量传感器损坏，直接经济损失123 000元，此外由于备件采购时间长而导致设备停机，严重影响设备的正常作业，因此有必要对岸桥防雷保护系统进行技术改造。

2岸桥防雷系统

一套完整的防雷保护系统应该包括外部防雷系统和内部防雷系统。

2.1外部防雷系统

外部防雷系统是针对直击雷采取的保护措施。由于岸桥是集装箱码头上最高的建筑物，根据尖端放电原理：导体(岸桥钢结构)尖端(前大梁或梯形架)的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，容易发生尖端放电，即遭到雷击。为了避免直击雷造成的损害，按照JT556-2004《港口防雷与接地技术要求》，岸桥配备了接闪器；引下线；接地装置等防雷装置[1]。如图1所示。

接闪器指的是避雷针，布置在梯形架及前大梁上。在岸桥作业状态，梯形架避雷针高约82 m，当岸桥涨俯仰停车状态时，避雷针高约128 m。接闪器的作用是把闪电从被保护对象上方引向自己并安全地泄入大地。

引下线指连接接闪器与接地装置的金属导体。由于岸桥自身为钢结构的特性，因此岸桥直接利用钢结构作为引下线保护；同时，在钢结构铰点连接和螺栓连接的地方设至跨界导线，最后通过海、陆侧各自接地靴与大车轨道可靠接触。

图1　岸桥外部防雷系统示意图

岸桥防雷系统的接地装置为大车轨道，按要求每间隔30～50 m设置一个接地点，以便使雷电流顺利导入大地。

2.2内部防雷系统

内部防雷系统主要是针对感应雷采取的保护措施。内部防雷系统保护措施主要包括：等电位系统、合理布线、屏蔽、电涌保护[2]。

等电位系统是指将电器柜、电缆屏蔽线、室外接线箱壳体及变压器的中性点可靠接地，目的是降低钢结构与电器柜内设备之间的电压差。

合理布线要求电线在布置时，强电与弱电电缆分开布置，电气室外围布线尽量走大梁金属结构内部，对于重要信号电缆可通过穿金属管敷设，金属管两端要与钢结构可靠接地连接[3]。

屏蔽措施主要针对弱电信号线路，要求信号电缆使用带金属屏蔽层电缆，在电缆的两端将屏蔽层与等电位系统可靠连接。

电涌保护是指利用电涌保护器将因电磁感应窜入线路的瞬时过电压限制在设备能承受的范围内，或将雷电流泄放流入地，保证设备不会因冲击电压、电流而损坏。

3岸桥防雷系统改进技术

3.1存在的问题

2009年5月至2014年8月，共计有5台次岸桥发生过重量传感器在雷暴天气后损坏，故障现象为传感器输出数值为数值异常。现场勘查未发现损坏的重量传感器有明显的雷击迹象。

岸桥配备了接闪器、引下线、接地装置等防雷装置。 在现场检验时发现，发生损坏的岸桥当时均处于涨俯仰状态，前大梁避雷针处于127 m高空，是码头范围内最高点，雷电通过避雷针接闪，钢结构做引下线，经接地靴及大车轨道进行放电，保护其他位置不被雷电直接击中，外部防雷系统工作可靠。

根据雷击方式，可确定重量传感器因感应雷造成损坏。进一步分析发现，岸桥重量传感器安装在前大梁最前端，距离前大梁避雷针最近处只有1 m距离，且处于雷电流引下线路径中，当前大梁避雷针引雷放电时，重量传感器电源线路和信号反馈线路中耦合串入感应雷电压。

通过说明书可知，重量传感器为销轴式传感器，传感器供电电压为直流24 V，当销轴受力后，传感器内部电阻应变片桥式电路电阻发生变化，再通过传感器内置发大器，对应输出端反馈电流值为4～20 mA；传感器内置放大器对过电流和过电压的耐受能力很低。当感应雷电压耦合到电源线路、反馈信号线路后，会造成内置放大器损坏，传感器输出数值异常。

重量传感器安装位置距离避雷针很近，且未设置电涌保护装置，在安全隔离距离设置不足的情况下，增加了雷电脉冲电流以及空间电磁感应过电压串入传感器线路的风险，进而造成重量传感器内置放大器损坏，数值输出异常。

3.2防雷保护系统改进

鉴于岸桥在内部防雷系统存在缺陷，决定针对重量传感器，加强内部防雷系统的完善。

3.2.1防雷保护系统改进方案

每台岸桥有4个重量传感器，每个重量传感器的供电线路及信号反馈线路都是独立布置，因此应该对每个重量传感器回路单独设置电涌保护器保护。由于重量传感器位于前大梁端部，为了增强保护器保护效果，电涌保护器安装位置尽量靠近重量传感器。根据传感器工作电压等级为直流24 V，选择一款电涌保护器DPI CD EXI+D 2X24 M(见图2)，主要参数如下：标称电压24 V，直流最大持续工作电压48 V。

图2　电涌保护器DPI CD EXI+D 2X24 M 及内部原理图

3.2.2防雷保护系统的改进

在实际安装时，考虑到每个重量传感器接线为三线制，即24 V电源P及N,还有信号反馈线，而重量传感器接地线未与自身金属部分连接，同时考虑到传感器接地线接地点距电涌保护器安装位置距离较远，为保证保护效果，将电涌保护器接地线GN/YE就近与钢结构连接，传感器电源P接电涌保护器BK，然后将电涌保护器公共参考点BL 及RD 短接，再与传感器电源N连接，最后信号反馈线接BR，从而使防雷保护器发挥最优保护效果。

4结语

通过实施重量传感器防雷改造，提高了岸桥设备适应雷电环境的能力，经过1年使用，未再发生重量传感器因雷击损坏情况，设备可靠性大大增强。

由于岸桥小车供电拖链电缆(滑触线)沿着前大梁布置，而且前大梁是雷电引下线路径，司机室及吊具内电气元件也是岸桥上容易发生感应雷击损坏的部位，作为防雷保护的重点也应重视。

参 考 文 献

[1]JT 556-2004 . 港口防雷与接地技术要求[S].

[2]曲之国.浅谈港口设施防雷[J].港口科技，2009( 08) :36-38.

[3]IEC 62305-2006.Protection against lightning[S].

武彬： 300461，天津市塘沽区临海路1698号

Theory and Practice of the Quay Crane's Lightning Protection

Engineering Technology Department of Tianjin Port Alliance International Container Terminal Co.,Ltd.Wu Bin

Abstract:This paper analyzes the Quay Crane's problem caused by lighting, introduces the lightning protection system of port machinery, and proposes the solution of lighting protection and the improvement techniques of the system.

Key words:quay crane; lighting; inductive thunder; weight sensor; lightning protection; SPD

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.003

收稿日期：2015-08-20