雷電災(zāi)害是聯(lián)合國公布的 10 種最嚴重的自然災(zāi)害之一，也是目前中國十大自然災(zāi)害之一。進入 20 世紀80 年代以來，隨著電子信息系統(tǒng)在國民生產(chǎn)、生活和工作中的廣泛應(yīng)用，雷電災(zāi)害造成的損失也越來越嚴重。中國有 21 個省、區(qū)、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(jù)統(tǒng)計，每年我國有上千人因雷擊傷亡，造成財產(chǎn)損失達到 50 億～ 100 億元。

雷擊對電子電氣設(shè)備同樣有著嚴重的危害，如網(wǎng)絡(luò)機房服務(wù)器主機主板、服務(wù)器端口、監(jiān)控機房設(shè)備損壞、電視機、路由器、電梯主板、門閘、監(jiān)控攝像頭等。

我國廣州港瀕臨南海，地處我國外向型經(jīng)濟最活躍的珠江三角洲地區(qū)中心，于東經(jīng) 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(fēng)險區(qū)。目前配備有大型集裝箱起重機共計 96 臺，港區(qū)照明高桿燈 74 座，變電站 15 座。

1 集裝箱碼頭起重設(shè)備防雷的重要性

1.1 集裝箱碼頭起重設(shè)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(shù)量最多的場橋為主，岸橋結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)到堆場，由場橋?qū)⒓b箱卸下放置于堆場，或?qū)⒍褕龅募b箱轉(zhuǎn)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(shè)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(jīng)濟效益創(chuàng)造單位。

1.2集裝箱碼頭起重設(shè)備的雷電風(fēng)險

雷電對人體、電氣設(shè)備的危害來源主要有 4 種方式， 分別為雷擊設(shè)備、設(shè)備附近發(fā)生閃電、雷擊公共設(shè)施(供配電線路，通信線路等)和公共設(shè)施附近發(fā)生閃電等。相應(yīng)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(yīng)包括火花產(chǎn)生的物理損壞(火災(zāi)、爆炸、機械破壞、化學(xué)物質(zhì)釋放等)以及雷電電磁干擾造成的內(nèi)部系統(tǒng)故障，這些風(fēng)險均可能會導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)施損壞及經(jīng)濟損失等損失。

1.3 雷擊對集裝箱碼頭起重設(shè)備的破壞形式

在集裝箱碼頭起重設(shè)備上，雷擊經(jīng)常損壞集裝箱碼頭起重設(shè)備的風(fēng)速儀、質(zhì)量傳感器、監(jiān)控設(shè)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(nèi)絕對值編碼器、大車電機速度編碼器、PLC 等設(shè)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(shè)備)的電磁脈沖引起感應(yīng)過電流，導(dǎo)致設(shè)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(shè)備的防雷相關(guān)要求

裝卸現(xiàn)場的龍門起重機、岸橋、散糧筒倉倉頂?shù)慕饘俳Y(jié)構(gòu)和礦石、煤、油等專用碼頭的大型裝卸機械及其金屬構(gòu)筑物等，如符合 JT 556-2004 規(guī)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(shè)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(shè)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(shè)施使用，發(fā)生雷暴時應(yīng)停放在有防直擊雷設(shè)施的保護區(qū)內(nèi)，并人機分離。

岸橋和場橋上安裝的無線通訊設(shè)備的接收或發(fā)射天線應(yīng)有防直擊雷的設(shè)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(shè)備由于其高度及金屬鋼架結(jié)構(gòu)， 極易接閃直擊雷。此外，港區(qū)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(shè)施引入到集裝箱碼頭起重設(shè)備，變電所和箱變內(nèi)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(shè)備有著較高的風(fēng)險。

集裝箱碼頭起重設(shè)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(cè)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(shè)備信號傳輸?shù)膬蓚?cè)進行信號類防雷保護， 確保起重設(shè)備安全穩(wěn)定的運行，防雷配置依防雷分區(qū)進行，岸橋和場橋防雷如圖 2、圖 3 所示。

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、2 級防雷保護，同時也應(yīng)對設(shè)備信號傳輸?shù)膬蓚?cè)進行信號類防雷保護。由于設(shè)備使用后 SPD 老化與失效，接地線的接地狀態(tài)要進行有效監(jiān)測。為此，GB/T 21431-2015 規(guī)定：防雷系統(tǒng)的檢測主要分為 3 中，竣工驗收檢測、定期監(jiān)督檢測和單位自行安全檢測。其中，竣工驗收檢測應(yīng)符合設(shè)計要求和 GB/T 21431-2015 標準的規(guī)定，定期檢測要求每年雷雨季節(jié)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(jīng)常性檢測。

對此檢測，涉及到人員及需求、人為因素、設(shè)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(shè)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(shè)備投入，公司的經(jīng)濟效益考慮，該方案不是行之有效的。

因此，隨著工業(yè) 4.0 的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的感測技術(shù)，通訊技術(shù)的發(fā)展，智能防雷監(jiān)控技術(shù)應(yīng)運而生。

1) 智能防雷監(jiān)控原理

① SPD 監(jiān)測模塊監(jiān)測 SPD 狀態(tài)的正常 通過采集SPD 失效時表現(xiàn)狀態(tài)(遙信端子的通斷)來評定 SPD 是否失效。同時監(jiān)測雷擊次數(shù)與時間，通過檢測不同部位的雷擊次數(shù)與分析，使 SPD 的配置更合理，減少重復(fù)配置或少配。數(shù)據(jù)采集器：接收各設(shè)備通過有線方式或無線方式 ，傳入數(shù)據(jù)通訊機，供實時監(jiān)測。

②雷電流監(jiān)測儀監(jiān)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(tǒng)計分析報表，檢測 SPD 選擇合理性，提供更科學(xué)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(shè)備的設(shè)備接地不良。

④數(shù)據(jù)通訊機 將系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)通過有線或無線方向傳入工控機做數(shù)據(jù)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(tǒng)也可通過云臺供手機APP，其他網(wǎng)絡(luò)分析使用。

2) 智能防雷監(jiān)控技術(shù)框架圖，如圖 4 所示。

2.4 智能防雷監(jiān)控技術(shù)的主要功能

記錄并查詢雷電擊中次數(shù)及所對應(yīng)的雷電流峰值、方向、雷擊能量，通過數(shù)據(jù)分析集裝箱碼頭起重設(shè)備的雷擊情況; 實時 SPD 狀態(tài)監(jiān)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(jiān)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(tǒng)損壞。短信通知與郵件通知，產(chǎn)生報警，立即發(fā)送短信到所指定的手機端(或郵箱地址)， 通知相關(guān)人員處理異常;數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，圖表化管理， 提供報表查詢及打印;提供 SPD 產(chǎn)品信息錄入窗口，系統(tǒng)化的管理 SPD 產(chǎn)品檔案及維護記錄;可根據(jù)需求擴展多個終端設(shè)備，并支持多種信號傳輸方式。

3 智能防雷監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

該系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)應(yīng)用改造以及相應(yīng)的軟件建設(shè)，改進投入實踐 2 a 以來，每年經(jīng)歷數(shù)次強臺風(fēng)及強雷雨考驗，岸橋和場橋沒有發(fā)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(zāi)害損失， 強臺風(fēng)和強雷雨之后起重機迅速投入生產(chǎn)，同時起重機上防雷檢測設(shè)備和元器件實時狀態(tài)得到有效監(jiān)控，雷電沖擊次數(shù)、強度等數(shù)據(jù)實時得到采集和后臺分析，實踐證明智能防雷監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于港口起重機上是成功的。

4 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用檢驗，該智能防雷監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)階段在集裝箱碼頭起重設(shè)備防雷保護方面是行之有效的，直接保障了港區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)。不斷完善起重設(shè)備防雷保護措施，就是不斷減少應(yīng)雷擊產(chǎn)生的財產(chǎn)損失、減少人員傷亡，提高設(shè)備的綜合效益，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。