谈岸边集装箱起重机防雷措施及应用

肖炳林

（广州港股份有限公司南沙集装箱码头分公司，广东广州 511462）

1 雷电风险评估

参考IEC 62305-2-2006，雷电对人体，电气设备的危害来源，主要有雷击设备，设备附近发生闪电，雷击公共设施（供配电线路，通信线路等），公共设施附近发生闪电。相应损坏类型有：由接触和跨步电压造成对人的伤害，雷电效应包括火花产生的物理损坏（火灾，爆炸，机械破坏，化学物质释放）以及雷电电磁干扰带来的内部系统故障，这些风险均可能导致损失包括人员伤亡，设施损坏及经济损失等。雷电风险分析的目的在于明确该区域的潜在雷电危害，并将危害细化、量化，进而根据具体数据分析危害的种类和级别，判断该区域的防雷设施是否满足防护需求，作为雷电防护整改的主要依据。

大型集装箱专业港口，普遍建设于城市郊区较为空旷的临水地带，所配置岸桥整体的高度较高易接闪，当雷电发生时引入雷电之后经过钢结构泄放到大地，同时电气系统内接地系统与外部系统共用接地，当发生雷电流时，会串入电气系统的接地系统，造成瞬间带电线路与外部电压差，造成电气设备损坏。当岸桥附近发生雷电流，会造成岸桥整体因为地电位反击，导入部分雷电流，同样存在对于电气系统的危险。

2 港口防雷与接地技术要求

岸边集装箱起重机和场地轮胎式集装箱龙门起重机上安装的无线通讯设备的接收或发射天线，应有防直击雷的设施及安装浪涌保护器，保护器的接地线与车体就近连接。电源浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）的选择和安装因考虑以下因素。

（1）被保护设备对冲击过电压的承受能力和技术要求。

（2）建筑物或保护设备所处环境的自然状况和LPZ的界面位置。

（3）在LPZ0之与LPZ1界面处安装通过I级分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作第一级保护，LPZ1之后（含LPZ1区）各分区界面处应根据设备承受过电压的能力安装限压型分级浪涌保护器。直流设备视其工作电压的要求，宜采用适配的直流电源浪涌保护器。

（4）电源浪涌保护器必须能承受预期通过它的浪涌电流和有熄灭工频续流的能力。

（5）电源浪涌保护器的残压和两端引线的感应电压（压降）之和应低于被保护设备额定耐冲击过电压值。

（6）一级SPD应由熔断器作热熔和过流保护。熔断器在主电路上的熔丝电流比宜为1∶1.6或1∶2，并能在额定通流容量下不断开。

（7）电源浪涌保护器宜有声、光报警，或有遥控信号装置和雷击次数显示等状态功能和劣化显示等。

3 岸桥防雷措施

3.1 外部避雷针防雷措施

在港区内，一般情况下岸桥均为最高建筑物，加上其全部由金属构成，极易遭受直接雷击。根据岸桥的金属和电气结构组成，需要在最高点处设置避雷针，用于接闪可能发生的直接雷击，并利用钢结构作为引下线，再通过海陆侧接地点，将雷电流引入大地（图1）。

根据外部避雷针设计计算公式，如使用原始的避雷针，需要在岸桥顶部设置高度至少10 m以上的避雷针，才能够保护岸桥各部位都不受直接雷击，但是现实操作中存在较大难度，无法实现。

然而，提前预放电式避雷针，自带离子发生器，可准确控制落雷点，安装高度仅为1.5 m。工作原理：当雷雨云层形成或到达时便在云层与地间产生一个电场（大气）。此电场可能在地面上达到5 kV/m，因而从地面凸起部份或金属部件上开始出现电晕放电。当雷电云层内部形成一个下行先导时，闪电电击便开始了。下行先导电荷放电以步进形式向地面移动。下行先导携带着的电荷使地面建立起来了电场。从地面上的建筑物式物体（岸桥）产生了一个上行的先导。此上行先导向上传播一直到与下行先导会合，此时，闪电电流便流过所形成的通道。提前预放电式避雷针的主要特性是相较于其他位于避雷针保护区域内的物体，避雷针会提前放出向上的上行先导电荷的能力。

图1 岸桥模型

采用“滚球法”计算避雷针的保护范围（GB 50075—1994）。按照国际标准NF C17-102，以及岸桥前大梁平放的情况下，前大梁平面上的保护半径，其中，h为避雷针相对于被保护物体的水平高度差，岸桥A字梁比前大梁约高30 m；D为滚球半径（闪击距离），岸桥属于第二类防雷建筑物类，故D=45 m；ΔL为上行先导的抢先距离，且由式ΔL=vΔt来定义，v 是先导传播速度，试验值为 1 m/μs，Δt是避雷针的提前放电时间，一般产品Δt=43 μs，故ΔL=43 m。通过计算，Rp=86 m，故岸桥在整个保护范围内。岸桥通过避雷针接闪直击雷，将雷电引入大地。结合内部防雷保护器，对岸桥进行全面保护。

3.2 岸桥供配电系统防雷措施

供配电系统由于其布线面积广，架空敷设，遭受直接雷击及空间雷电感应并电涌过电压引入至低压配电系统的风险较高，是造成设备损坏的主要原因。港区高架高压线路遭受的直击雷会沿着供电线路，通过变电所，箱变等供配电设施引入到岸桥等设备，变电所和箱变内的中高压避雷装置主要针对较高雷电流进行泄放，而泄放之后的残压值依旧对岸桥等用电设备有着较高的风险。供配电系统应采用分级保护原理如图2所示。

图2 供配电系统分级保护原理

10 kV交流电源经港区配电房引出，沿电缆沟敷设至每台岸桥底部，再经过电缆拖动转盘架空引入高约50 m的电气房后分配到2个变压器，其中主变压器降为440 V系统，主要供给电机（小车、大车、起升和俯仰）使用。另一副变压器降压为380 V系统，供控制电源，司机室，照明等辅助设备使用。

从供电回路的布线及电气设备的安装位置来看，供配电系统在架空段存在接闪直接雷击电流（10/350 μs）和未衰减雷电电磁感应（8/20 μs）的风险，由于外部防雷系统（避雷针/引下线）未设置安全隔离距离（参考 IEC 62305-3—2006），所有供配电设备及用电设备存在因电势差和地电位反击的风险。

10 kV供电电缆引入电气房的高压进线柜，在变压器柜前端基本都安装了1套中高压避雷器，但从变压器低压进线柜至终端用电设备的各配电回路之间还需增加适配的1级，2级，3级雷电及电涌保护装置。由于中高压避雷器（瓷套）的元器件（压敏电阻）仅能对感应雷进行防护，且其残压较高，一般为40 kV以上，对低压侧的供配电设备起不到保护作用。建议从变压器低压侧重新增补适配的分级防雷保护器件。

依据IEC 62305-4—2006及南方电网防雷标准建议，港口设备应按第二类防雷设施设计，其具有接闪和传导直接雷击电流的电源回路应在进线侧安装第一级雷电流保护器，雷电放电电流≥25 kA（10/350 μs）。

3.3 岸桥通讯及控制系统防雷措施

在岸桥电气系统中，现场传感器及通信模块，PLC是在雷击事故中损坏率最高的弱电信号设备，风险源除了来自于设备的供电回路外，还包括信号回路接闪雷电流（常见为空气击穿电缆的绝缘层）及空间电磁感应过电压对信号端的破坏。所以对于这些耐压较低的终端设备，最为重要的防护措施主要是信号线路的全程屏蔽及两端设备的输入/输出端安装适配的电涌保护器。

4 岸桥整机防雷工程实践体会

广州港地处广州市陆域最南端的珠江出海口（东经113°58′05″，北纬 22°50′08″），从中国气象局雷电监测数据来看，广州市年平均雷暴日为80 d以上，属多雷区，4—9月为雷电活动高发区，雷电活动分布不均。从强度来看，南沙港地闪强度较大，雷电流集中在（10～25）kA。广州港岸桥整机针对性布置实施防雷工程已使用3 a多，至今该系统运行状态良好，对岸桥起到了很好的防雷保护，取得了不错的防雷效果，为港区装卸生产提供了可靠保障。

[1]顾明观.岸边集装箱防雷设计初探[J].港口装卸，2012（2）：1-4.

[2]赵国.起重机的防雷[J].起重运输机械，1994（1）：16-18.

[3]IEC 62305—2006，Protection against lightning[S].2006.

[4]JT 556—2004，港口防雷与接地技术要求[S].2004.