廣東中為智能防雷技術有限公司
港口起重設備（岸橋、場橋、龍門架等）智能防雷系統設計
傳統港口設備防雷，一般都是安裝普通的模塊式電源浪涌保護器、信號浪涌保護器等，本文針對集裝箱碼頭單臺起重機安裝防雷措施存在保護缺陷的現狀，對港口大型起重設備進行了智能防雷監控技術改進，經過兩年多的實踐應用，取得很好的防雷保護效果，實現了實時監控防雷設備工作狀態，并有效采集了雷電沖擊基礎數據，為日后港口起重機的管理提供依據。
0 引言
雷電災害是聯合國公布的10 種最嚴重的自然災害之一，也是目前中國十大自然災害之一。進入20 世紀80 年代以來，隨著電子信息系統在國民生產、生活和工作中的廣泛應用，雷電災害造成的損失也越來越嚴重。中國有21 個省、區、市雷暴日在50 d 以上，最多的可達134 d。我國雷暴活動主要集中在每年的6 ～ 8 月。據統計，每年我國有上千人因雷擊傷亡，造成財產損失達到50 億～ 100 億元。
雷擊對電子電氣設備同樣有著嚴重的危害，如網絡機房服務器主機主板、服務器端口、監控機房設備損壞、電視機、路由器、電梯主板、門閘、監控攝像頭等。我國廣州港瀕臨南海，地處我國外向型經濟最活躍的珠江三角洲地區中心，于東經 113°36′，北緯23°6′，屬亞熱帶氣候和海洋性氣候決定了廣州港屬于雷電高風險區。目前配備有大型集裝箱起重機共計96 臺，港區照明高桿燈74 座，變電站15 座。
1 集裝箱碼頭起重設備防雷的重要性
1.1 集裝箱碼頭起重設備簡介
大型集裝箱碼頭常見的起重機有岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）、門座起重機（以下簡稱門機）、輪胎式集裝箱門式起重機（以下簡稱場橋）和軌道式集裝箱門式起重機（以下簡稱軌道吊），本文則以某港高度最大的岸橋和數量最多的場橋為主，岸橋結構見圖1。
岸橋的作用是將集裝箱從貨船上卸下并放置于集卡，集卡再將集裝箱出港或轉到堆場，由場橋將集裝箱卸下放置于堆場，或將堆場的集裝箱轉移至集卡。集裝箱碼頭集裝箱的裝卸和堆垛，主要由岸橋與場橋完成，其設備完好率與綜合利用率，是港口滿足客戶高效裝卸船速度的必要保證，直接經濟效益創造單位。
1.2 集裝箱碼頭起重設備的雷電風險
雷電對人體、電氣設備的危害來源主要有4 種方式，分別為雷擊設備、設備附近發生閃電、雷擊公共設施（供配電線路，通信線路等）和公共設施附近發生閃電等。相應的損壞類型有由接觸和跨步電壓造成對人的傷害、雷電效應包括火花產生的物理損壞（火災、爆炸、機械破壞、化學物質釋放等）以及雷電電磁干擾造成的內部系統故障，這些風險均可能會導致人員傷亡、設施損壞及經濟損失等損失。
1.3 雷擊對集裝箱碼頭起重設備的破壞形式
在集裝箱碼頭起重設備上，雷擊經常損壞集裝箱碼頭起重設備的風速儀、質量傳感器、監控設備、小車/俯仰變頻器、通訊模塊、光耦、通訊 DP 接頭、電源模塊 、電纜卷盤箱內絕對值編碼器、大車電機速度編碼器、PLC 等設備。雷擊原因為臨近的雷擊或雷擊建筑物（含集裝箱碼頭起重設備）的電磁脈沖引起感應過電流，導致設備損壞。
2 集裝箱碼頭原始防雷方案
2.1 集裝箱碼頭起重設備的防雷相關要求裝卸現場的龍門起重機、岸橋、散糧筒倉倉頂的金屬結構和礦石、煤、油等專用碼頭的大型裝卸機械及其金屬構筑物等，如符合JT 556-2004 規定的要求，可作為防直擊雷的裝置。
龍門起重機等裝卸機械設備的軌道必須接地，接地點不少于2 處，沿軌道每隔30 ～ 40 m 設一個接地點，并同時與并行的另一軌道相跨接。軌道的接地線與跨接線采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，圓鋼直徑不小于20 mm，扁鋼截面積不小于160 mm2，厚度不小于4 mm，每個接地點的接地電阻不得大于10 Ω。
場地運行的場橋、輪胎式正面吊等輪胎式起重機械不能作防直擊雷設施使用，發生雷暴時應停放在有防直擊雷設施的保護區內，并人機分離。
岸橋和場橋上安裝的無線通訊設備的接收或發射天線應有防直擊雷的設施及安裝浪涌保護器，保護器的接地線與車體就近連接。
集裝箱碼頭起重設備由于其高度及金屬鋼架結構，極易接閃直擊雷。此外，港區高架高壓線路遭受的直擊雷會沿供電線路通過變電所和箱變等供配電設施引入到集裝箱碼頭起重設備，變電所和箱變內的中高壓避雷裝置主要針對較高雷電流進行泄放，而泄放之后的殘壓值依舊對岸橋等用電設備有著較高的風險。
集裝箱碼頭起重設備采用的外部避雷針防直接雷擊，接地線接地泄放雷電流，依防雷分級(IEC 62305標準）保護原理，從電源進線側開始對電氣各保護點進行電源類浪涌保護器（SPD）進行1、2、3 級防雷保護，同時也需對設備信號傳輸的兩側進行信號類防雷保護，確保起重設備安全穩定的運行，防雷配置依防雷分區進行，岸橋和場橋防雷如圖2、圖3 所示。
圖2 岸橋防雷示意圖
圖3 場橋防雷示意圖
2.2 原始防雷解決方案存在問題
原始雷方案電源類采用浪涌保護器（SPD）進行1、2、3 級防雷保護，同時也應對設備信號傳輸的兩側進行信號類防雷保護。由于設備使用后SPD 老化與失效，接地線的接地狀態要進行有效監測。為此，GB/T 21431-2015 規定：防雷系統的檢測主要分為3 中，竣工驗收檢測、定期監督檢測和單位自行安全檢測。其中，竣工驗收檢測應符合設計要求和GB/T 21431-2015 標準的規定，定期檢測要求每年雷雨季節到來之前進行全面檢測，單位自行安全檢測則要求單位不定期的經常性檢測。對此檢測，涉及到人員及需求、人為因素、設備停機影響、檢測及時性的問題，時時不能有效及時進行。在SPD 已失效，接地不良，未能及時檢測到，造雷擊時即造成設備損壞。
2.3 問題解決方案
對于檢測不及時的解決方案是可增加人力與時間投入，但隨著人力的增加，同時保證集裝箱碼頭起重設備投入，公司的經濟效益考慮，該方案不是行之有效的。因此，隨著工業4.0 的發展，物聯網的應用，應用物聯網的感測技術，通訊技術的發展，智能防雷監控技術應運而生。
1）智能防雷監控原理
① SPD 監測模塊監測SPD 狀態的正常 通過采集SPD 失效時表現狀態（遙信端子的通斷）來評定SPD是否失效。同時監測雷擊次數與時間，通過檢測不同部位的雷擊次數與分析，使SPD 的配置更合理，減少重復配置或少配。數據采集器：接收各設備通過有線方式或無線方式 ，傳入數據通訊機，供實時監測。
②雷電流監測儀監測雷電流 通過安裝在SPD 接地（PE）線上的雷擊感線圈，實時檢測分析記錄雷擊電流的大小、方向、峰值，通過統計分析報表，檢測SPD選擇合理性，提供更科學的防雷方案。
③接地電阻檢測儀 通過接地檢測儀，實時檢測設備的設備接地不良。
④數據通訊機 將系統傳送的數據通過有線或無線方向傳入工控機做數據分析、整理，形成報表，并對異常做能過報警裝置報警。整個系統也可通過云臺供手機APP，其他網絡分析使用。
2）智能防雷監控技術框架圖，如圖4 所示。
圖4 智能防雷監控技術框架圖
2.4 智能防雷監控技術的主要功能
記錄并查詢雷電擊中次數及所對應的雷電流峰值、方向、雷擊能量，通過數據分析集裝箱碼頭起重設備的雷擊情況；實時SPD 狀態監測，快速有效地維護SPD，防止因不能及時更換SPD 所造成的損失；實時接地電阻監測，每天定時采集接地電阻阻值，防止接地異常帶來的電氣系統損壞。短信通知與郵件通知，產生報警，立即發送短信到所指定的手機端（或郵箱地址），通知相關人員處理異常；數據統計分析，圖表化管理，提供報表查詢及打??；提供SPD 產品信息錄入窗口，系統化的管理SPD 產品檔案及維護記錄；可根據需求擴展多個終端設備，并支持多種信號傳輸方式。
3 智能防雷監控技術的應用
該系統技術于2015 年下半年始分期、分批對20 臺岸橋和60 臺場橋進行了防雷系統應用改造以及相應的軟件建設，改進投入實踐2 a 以來，每年經歷數次強臺風及強雷雨考驗，岸橋和場橋沒有發生任何雷擊故障，有效保障了起重機安全，減少了起重機自然災害損失，強臺風和強雷雨之后起重機迅速投入生產，同時起重機上防雷檢測設備和元器件實時狀態得到有效監控，雷電
沖擊次數、強度等數據實時得到采集和后臺分析，實踐證明智能防雷監控技術應用于港口起重機上是成功的。
4 結束語
經過現場應用檢驗，該智能防雷監控技術現階段在集裝箱碼頭起重設備防雷保護方面是行之有效的，直接保障了港區的生產作業。不斷完善起重設備防雷保護措施，就是不斷減少應雷擊產生的財產損失、減少人員傷亡，提高設備的綜合效益，創造良好的經濟效益。
