雷電災(zāi)害是聯(lián)合國公布的 10 種最嚴(yán)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(jìn)入 20 世紀(jì)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(yán)重。中國有 21 個(gè)省、區(qū)、市雷暴日在 50 d 以上，最多的可達(dá) 134 d。我國雷暴活動(dòng)主要集中在每年的 6 ～ 8 月。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國有上千人因雷擊傷亡，造成財(cái)產(chǎn)損失達(dá)到 50 億～ 100 億元。

雷擊對(duì)電子電氣設(shè)備同樣有著嚴(yán)重的危害，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)房服務(wù)器主機(jī)主板、服務(wù)器端口、監(jiān)控機(jī)房設(shè)備損壞、電視機(jī)、路由器、電梯主板、門閘、監(jiān)控?cái)z像頭等。

我國廣州港瀕臨南海，地處我國外向型經(jīng)濟(jì)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(xiǎn)區(qū)。目前配備有大型集裝箱起重機(jī)共計(jì) 96 臺(tái)，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(jī)有岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)、門座起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))、輪胎式集裝箱門式起重機(jī)(以下簡稱場(chǎng)橋)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)(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(chǎng)橋?yàn)橹?，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(chǎng)，由場(chǎng)橋?qū)⒓b箱卸下放置于堆場(chǎng)，或?qū)⒍褕?chǎng)的集裝箱轉(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(chǎng)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(jì)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(xiǎn)

雷電對(duì)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(duì)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(jī)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(xiǎn)均可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)施損壞及經(jīng)濟(jì)損失等損失。

1.3 雷擊對(duì)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(duì)值編碼器、大車電機(jī)速度編碼器、PLC 等設(shè)備。雷擊原因?yàn)榕R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(chǎng)的龍門起重機(jī)、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(jī)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(jī)等裝卸機(jī)械設(shè)備的軌道必須接地，接地點(diǎn)不少于 2 處，沿軌道每隔 30 ～ 40 m 設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)， 并同時(shí)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(gè)接地點(diǎn)的接地電阻不得大于 10 Ω。

場(chǎng)地運(yùn)行的場(chǎng)橋、輪胎式正面吊等輪胎式起重機(jī)械不能作防直擊雷設(shè)施使用，發(fā)生雷暴時(shí)應(yīng)停放在有防直擊雷設(shè)施的保護(hù)區(qū)內(nèi)，并人機(jī)分離。

岸橋和場(chǎng)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(hù)器，保護(hù)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(huì)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(duì)較高雷電流進(jìn)行泄放，而泄放之后的殘壓值依舊對(duì)岸橋等用電設(shè)備有著較高的風(fēng)險(xiǎn)。

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(jí) (IEC 62305 標(biāo)準(zhǔn))保護(hù)原理，從電源進(jìn)線側(cè)開始對(duì)電氣各保護(hù)點(diǎn)進(jìn)行電源類浪涌保護(hù)器(SPD)進(jìn)行 1、2、3 級(jí)防雷保護(hù)， 同時(shí)也需對(duì)設(shè)備信號(hào)傳輸?shù)膬蓚?cè)進(jìn)行信號(hào)類防雷保護(hù)， 確保起重設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，防雷配置依防雷分區(qū)進(jìn)行，岸橋和場(chǎng)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(hù)器(SPD)進(jìn)行1、2、2 級(jí)防雷保護(hù)，同時(shí)也應(yīng)對(duì)設(shè)備信號(hào)傳輸?shù)膬蓚?cè)進(jìn)行信號(hào)類防雷保護(hù)。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(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。為此，GB/T 21431-2015 規(guī)定：防雷系統(tǒng)的檢測(cè)主要分為 3 中，竣工驗(yàn)收檢測(cè)、定期監(jiān)督檢測(cè)和單位自行安全檢測(cè)。其中，竣工驗(yàn)收檢測(cè)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和 GB/T 21431-2015 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，定期檢測(cè)要求每年雷雨季節(jié)到來之前進(jìn)行全面檢測(cè)， 單位自行安全檢測(cè)則要求單位不定期的經(jīng)常性檢測(cè)。

對(duì)此檢測(cè)，涉及到人員及需求、人為因素、設(shè)備停機(jī)影響、檢測(cè)及時(shí)性的問題，時(shí)時(shí)不能有效及時(shí)進(jìn)行。在 SPD 已失效，接地不良，未能及時(shí)檢測(cè)到，造雷擊時(shí)即造成設(shè)備損壞。

2.3 問題解決方案

對(duì)于檢測(cè)不及時(shí)的解決方案是可增加人力與時(shí)間投入，但隨著人力的增加，同時(shí)保證集裝箱碼頭起重設(shè)備投入，公司的經(jīng)濟(jì)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(cè)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(yùn)而生。

1) 智能防雷監(jiān)控原理

① SPD 監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè) SPD 狀態(tài)的正常 通過采集SPD 失效時(shí)表現(xiàn)狀態(tài)(遙信端子的通斷)來評(píng)定 SPD 是否失效。同時(shí)監(jiān)測(cè)雷擊次數(shù)與時(shí)間，通過檢測(cè)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(jī)，供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

②雷電流監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)雷電流 通過安裝在 SPD 接地(PE)線上的雷擊感線圈，實(shí)時(shí)檢測(cè)分析記錄雷擊電流的大小、方向、峰值，通過統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，檢測(cè) SPD 選擇合理性，提供更科學(xué)的防雷方案。

③接地電阻檢測(cè)儀 通過接地檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的設(shè)備接地不良。

④數(shù)據(jù)通訊機(jī) 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(jī)做數(shù)據(jù)分析、整理，形成報(bào)表，并對(duì)異常做能過報(bào)警裝置報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)也可通過云臺(tái)供手機(jī)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(duì)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(shí)時(shí) SPD 狀態(tài)監(jiān)測(cè)， 快速有效地維護(hù)SPD，防止因不能及時(shí)更換 SPD 所造成的損失;實(shí)時(shí)接地電阻監(jiān)測(cè)，每天定時(shí)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(bào)警，立即發(fā)送短信到所指定的手機(jī)端(或郵箱地址)， 通知相關(guān)人員處理異常;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，圖表化管理， 提供報(bào)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(hù)記錄;可根據(jù)需求擴(kuò)展多個(gè)終端設(shè)備，并支持多種信號(hào)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(duì) 20 臺(tái)岸橋和 60 臺(tái)場(chǎng)橋進(jìn)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(jìn)投入實(shí)踐 2 a 以來，每年經(jīng)歷數(shù)次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)雷雨考驗(yàn)，岸橋和場(chǎng)橋沒有發(fā)生任何雷擊故障， 有效保障了起重機(jī)安全，減少了起重機(jī)自然災(zāi)害損失， 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)雷雨之后起重機(jī)迅速投入生產(chǎn)，同時(shí)起重機(jī)上防雷檢測(cè)設(shè)備和元器件實(shí)時(shí)狀態(tài)得到有效監(jiān)控，雷電沖擊次數(shù)、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)得到采集和后臺(tái)分析，實(shí)踐證明智能防雷監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于港口起重機(jī)上是成功的。

4 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢驗(yàn)，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(hù)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(hù)措施，就是不斷減少應(yīng)雷擊產(chǎn)生的財(cái)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(jì)效益。