岸边集装箱起重机防雷设计分析及优化探索

卞索菲　刘佳蔚

摘要：本文根据国家标准中最新防雷设计的规范，理论结合实际，并更注重于实用经验，从生产实践活动出发，简要谈一下目前岸桥产品的防雷设计方案，论证其可靠性。同时，本文将进一步探讨现有防雷方案可能存在的盲点，分析问题，尝试提出自己的解决方案，为优化岸边集装箱起重机上的防雷设计提供一些思路。

關键字：岸桥;防雷;优化;设计;探索

0 引言

雷电灾害作为 “最严重的十种自然灾害之一”，因其巨大的破坏力所造成的直接人员伤亡和经济损失，一直以来都受到相关企事业单位，甚至联合国的广泛关注。

随着科技的进步，对雷电机理的研究，对防雷方法的探索不断取得了新的进展。然而尽管如此，全球的雷电灾害造成的直接或间接损失仍然是十分惊人的。

岸桥集装箱起重机作为码头前沿港口装卸用途的重要设备，其所处的工作环境—前端面海，码头沿岸空旷，四周无高达建筑物，决定了其在港口防雷设计上所处的突出位置。

随着雷电研究和防护技术的发展，如何因地制宜，应用高科技，采取最经济最有效的防雷措施，防止或减少雷击损失自然也成为了集装箱岸桥设计中的一个重要课题。因此， 在集装箱岸桥产品设计中，设计者对于防雷理论知识的掌握及探索应始终与国际接轨，与时代俱进，才能使产品保持在技术上的先进性。

1 集装箱岸桥防雷设计概况

根据GB50057-2010第3.0.4条，对第三类防雷建筑物的定义，一般将集装箱岸桥的防雷措施划归应满足第三类防雷规范。

经测，雷暴天气，直击雷对大地一次闪击放电峰值平均为30多kA，瞬间功率为 ～ W以上，可见瞬间破坏力极大。因此在岸桥的防雷措施中，对于直击雷的防范成为了主要的讨论对象。

岸桥的防雷装置，由外部防雷装置和内部防雷装置组成。外部防雷装置主要采用避雷针（接闪器），避雷电缆（引下线），接地靴（接地装置）。内部防雷主要采用等电位连接，与外部防雷装置的空间间隔距离，电涌保护器。

雷云直击岸桥时，岸桥避雷的原理就是避雷系统通过接闪器向大地放电的过程，可近似用RC放电过程来模拟。下图以韩国GBB项目的避雷常用做法为例（目前要求最高），岸桥上的主要雷电流放电通道为：

2 应用滚球法确定避雷针的保护范围

"滚球法"是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一;我国建筑防雷设计规范GB 50057-2010也采纳"滚球法"作为接闪器保护范围的计算方法。本文也将采用滚球法的计算方法对岸桥起重机上特定位置的避雷针保护范围进行计算。

在岸桥避雷系统中，通常在前大梁头部，梯形架顶上各安装了二支避雷针。以下就以近期美国休斯顿Bayport港采购我司的岸桥产品为例，分别对这两个位置的避雷针保护范围进行计算，验证其是否满足防雷的要求。

2.1梯形架避雷针的保护范围

根据图2（b）， 将梯形架结构面视为基准面，AEC和BEC外侧防雷范围的计算按单支避雷这方法确定。

根据图2（a）可知，避雷针高度始终是小于滚球半径的，于是可按滚球法原理作图3：

h—避雷针顶端离梯形架结构面距离。由图2（a）可知，h=3800（mm）;

hr—滚球半径，在岸桥防雷环境下，根据GB50057-2010表5.2.12和第4.5.5条的规定取值（m）：hr=60000（mm）;

hx—被保护物最高高度;

rx—避雷针在hx高度xx'平面上的保护半径。

可按如下公式：

当hx=0时，避雷针在地面上的保护半径r0如下：

根据图2（b），C、E点位于两针间联线的垂直平分线上，在AOB轴线上，与中心线任一距离X的F点处，其保护范围上边缘的高度hf可做如下图4计算：

当X=0时，h0=3908（mm）。根据图2（b），也就是说在AECB的范围内，当设备高度低于3908mm时，均受到防雷保护。

如图5是双支等高避雷针保护范围的立体图。通过以上的计算过程，我们可以通过公式验证在不同位置不同高度下，电气元件在梯形架上的防雷保护情况。通过计算，本项目电气设备均在保护范围内。

除此之外，一般情况下梯形架上除避雷针外，最高的设备是户外维修行车。如图2（a）中所显示，其高度已基本接近避雷保护范围的上缘。根据GB50057-2010第5.2.8条的规定，“屋顶上永久性金属物宜做为接闪器，但其各部件之间均应连成电气贯通，并符合相关规范。”梯形架上的户外维修行车不含电气设备，因此，在满足与引下线可靠电气贯通等规定的情况下，也可作为接闪器使用，符合防雷规范。

2.2大梁扳起时候前大梁头部雷针的保护范围

根据图5， 将前大梁头部平台侧面结构视为基准面，由于前大梁平台突出部分会有差异，因此，应在布置有电气箱支架的平台同一高度或更高的位置附近布置避雷针保护。如图5所示，在不同平台高度，避雷针A和B作为单支避雷针的保护范围不同。

由图6中，

θ—大梁仰起角度，θ=80。

hq—避雷针及基座高度，目前避雷支架为标准件，高度一定，hq=1708（mm）。

ha—电气箱支架高度，一般小于2200mm，在本项目中，ha=2080（mm）。

hb—电气箱支架离开平台结构侧距离，一般小于430，在本项目中，hb=420（mm）。

hc—大梁仰起后，电器支架最高点离平台结构侧等效高度。

由图6可知，hc =ha+hb= ha +hb ≈775（mm）。

hd—大梁仰起后，避雷针最高点离平台结构侧等效高度。

由图6可知，hd=hq ≈1682（mm）

根据图3单支避雷针的保护范围计算图，可计算出当大梁仰起的时候，避雷针在电气箱支架最高点平面的保护半径rx。

因此，当电气箱支架远端离避雷针距离小于4495（mm）时，整个电气支架都是在防雷范围内的。本项目符合防雷规范。

进一步的，当ha=2200（mm），hb=420（mm）时，hx=hc取最大值hxmax<806

此时，rx≈4305（mm）

因此，只要电气设备定位在离避雷针4305（mm）的范围内，则都可认为受到避雷针的保护。目前电气工艺的设计方案采用2根避雷针均布的方案，通常情况下，当前大梁扳起后，避雷针的防雷范围可覆盖整个前大梁顶端。

2.3滚球法计算的应用与防雷设计的标准化工作

综上所述，应用滚球法计算出梯形架避雷针，大梁扳起时前大梁头部雷针的保护范围是可行的。通过此方式，可以很好得验证在上述2种情况下岸桥防雷系统对电气设备保护的有效性。

目前，在避雷针的定位上还未形成标准。在应用滚球法计算后，可以优化避雷针的布置方案，为电气设备的有效避雷提供理论依据。以此为基础，今后可以制定相关准则，针对不同机型或不同机械结构，电气设计上可以提供几套标准化的避雷设计图。

3 岸桥集装箱起重机上的雷击案例探讨

近些年来随着港口的蓬勃发展，起重机的需求日益增加，产量突飞猛进，在防雷方面，所揭示出的新的问题也引起了我们的注意。比如现场工程师反映，在码头交机阶段，时值雷暴天气，岸桥正处在工作状态，前大梁端部却有一定概率会遭受雷击，由此导致重量传感等重要电气设备的损坏，造成的后果严重。

3.1原因分析

我们根据现场工程师反馈的情况， 以美国休斯顿Bayport港岸桥产品为模型，用滚球法模拟雷击情况进行分析。前大梁离地高度约55米，伸出长度约71米，岸桥梯子型架与前大梁水平高度约31米。从图7的模拟情况可知，当前大梁水平状态时，其端部已超出梯形架顶部避雷针的保护范围。

除此以外，在码头运行时，处于工作状态下的岸桥其前大梁结构都是伸入海面的，高度也可达到50多米，完全远离了码头周围的防护设施。

时值雷暴天气，海面上会有雷雨云块漂浮，当雷雨云飘过前大梁附近区域时，在一定条件下雷雨云将会对前大梁产生放电现象，在这种情况下，前大梁端部缺乏有效的防雷保护，导致了前大梁端部的电气设备直接遭受到了雷击。其次，通常情况下，码头上配备有数台甚至数十台岸桥并排工作，那么岸桥端部遭受雷击的情况也就更加明显了。

通过上述分析，我们基本上找到了前大梁端部遭受雷击的主要原因。

3.2 方案改进

由2.1，2.2论述可知，目前岸桥产品在梯子型架及前大梁端部均安装有一对普通避雷针，在通常情况下已经可以达到相应范围内的防雷要求。但当岸桥处在工作状态时，特别是在雷暴天气，前大梁前端伸向海洋，雷云从海上飘过时，前大梁端部仍有可能发生雷击。可见普通避雷针很难给出较好的解决方案。

3.2.1预放电型避雷针的应用

除普通避雷针外还有一种预放电避雷针也在应用中，其最大优点是在同等高度下，预放电避雷针比普通避雷针保护范围更大。

其工作原理是在雷电云形成区域，利用云地间产生的电场，利用针尖产生的火花放电，使周围空气电离，更早地产生一个上行先导，迅速向雷电方向传播，提前中和下行先导，达到引雷的效果。通过这种方式，不仅提高了避雷效率，还增大了避雷半径。

3.2.2 预放电避雷针保护范围的计算

按法国国标NFC17-102，计算预放电避雷针的保护半径：

rp—为所考虑的水平面上的防雷保护半径;

d—滚球半径，d=60000mm;

h—避雷针针尖相对于被保护物顶部的水平高度差;

△L—提前放电避雷针的上行搶先距离

△L=v·△t=1×30=30（m）

v—先导传播速度，实验数据表明v=1m/μ

△t—为预放电避雷针产品参数，可采用30μs，45μs，60μs。设采用的预放电避雷针预放电时间为30μs。

首先考虑将传统方案中布置于梯形架位置的普通避雷针更换为预放电型避雷针。在模拟项目中，梯子型架高于前大梁水平高度约31米，即h=31000。通过公式计算所得保护半径rp约为85米。如图8所示，通过计算可知，在应用预放电避雷针后，在工作状态下整个岸桥结构都可以处在避雷针的保护范围之内。

综上所述，通过在岸桥上引入预放电避雷针这种新型产品，理论上可以解决上述的雷击问题，但这仅仅是一种理论推导，还需要通过实践应用和长期观察，我们才能得出最正确的结论。

4 岸桥防雷技术展望

尽管雷电技术的研究和防护技术不断取得进展，但目前仍不能做到百分之百地消除雷害。因此岸桥防雷这个课题还有待我们进一步探索和攻关。

展望未来，随着更多的优秀技术人员的加入，锐意创新，突破进取，将更多高科技，高水平的技术和理念应用于岸桥产品和防雷设计中去，我们有理由相信在这一课题上我们终将会有长足的进步和发展。

参考文献：

[1] 《建筑物防雷设计规范》 GB 50057-2010

[2]《电气信息系统防雷技术规范》 GB50343-2004

[3] 岸边集装箱起重机防雷设计初探[J]. 顾明观.港口装卸. 2012（02）

[4]《雷电与避雷工程》