智能防雷监控技术在港口起重设备上的应用！

雷电灾害是联合国公布的 10 种最严重的自然灾害之一，也是目前中国十大自然灾害之一。进入 20 世纪80 年代以来，随着电子信息系统在国民生产、生活和工作中的广泛应用，雷电灾害造成的损失也越来越严重。中国有 21 个省、区、市雷暴日在 50 d 以上，最多的可达 134 d。我国雷暴活动主要集中在每年的 6 ～ 8 月。据统计，每年我国有上千人因雷击伤亡，造成财产损失达到 50 亿～ 100 亿元。

雷击对电子电气设备同样有着严重的危害，如网络机房服务器主机主板、服务器端口、监控机房设备损坏、电视机、路由器、电梯主板、门闸、监控摄像头等。

我国广州港濒临南海，地处我国外向型经济最活跃的珠江三角洲地区中心，于东经 113°36 ′， 北纬23°6′，属亚热带气候和海洋性气候决定了广州港属于雷电高风险区。目前配备有大型集装箱起重机共计 96 台，港区照明高杆灯 74 座，变电站 15 座。

1 集装箱码头起重设备防雷的重要性

1.1 集装箱码头起重设备简介

大型集装箱码头常见的起重机有岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)、门座起重机(以下简称门机)、轮胎式集装箱门式起重机(以下简称场桥)和轨道式集装箱门式起重机(以下简称轨道吊)，本文则以某港高度最大的岸桥和数量最多的场桥为主，岸桥结构见图 1。

岸桥的作用是将集装箱从货船上卸下并放置于集卡，集卡再将集装箱出港或转到堆场，由场桥将集装箱卸下放置于堆场，或将堆场的集装箱转移至集卡。集装箱码头集装箱的装卸和堆垛，主要由岸桥与场桥完成，其设备完好率与综合利用率，是港口满足客户高效装卸船速度的必要保证，直接经济效益创造单位。

1.2集装箱码头起重设备的雷电风险

雷电对人体、电气设备的危害来源主要有 4 种方式， 分别为雷击设备、设备附近发生闪电、雷击公共设施(供配电线路，通信线路等)和公共设施附近发生闪电等。相应的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、化学物质释放等)以及雷电电磁干扰造成的内部系统故障，这些风险均可能会导致人员伤亡、设施损坏及经济损失等损失。

1.3 雷击对集装箱码头起重设备的破坏形式

在集装箱码头起重设备上，雷击经常损坏集装箱码头起重设备的风速仪、质量传感器、监控设备、小车 /俯仰变频器、通讯模块、光耦、通讯 DP 接头、电源模块 、电缆卷盘箱内绝对值编码器、大车电机速度编码器、PLC 等设备。雷击原因为临近的雷击或雷击建筑物(含集装箱码头起重设备)的电磁脉冲引起感应过电流，导致设备损坏。

2 集装箱码头原始防雷方案

2.1 集装箱码头起重设备的防雷相关要求

装卸现场的龙门起重机、岸桥、散粮筒仓仓顶的金属结构和矿石、煤、油等专用码头的大型装卸机械及其金属构筑物等，如符合 JT 556-2004 规定的要求，可作为防直击雷的装置。

龙门起重机等装卸机械设备的轨道必须接地，接地点不少于 2 处，沿轨道每隔 30 ～ 40 m 设一个接地点， 并同时与并行的另一轨道相跨接。轨道的接地线与跨接线采用热镀锌圆钢或扁钢，圆钢直径不小于 20 mm，扁钢截面积不小于 160 mm2，厚度不小于 4 mm，每个接地点的接地电阻不得大于 10 Ω。

场地运行的场桥、轮胎式正面吊等轮胎式起重机械不能作防直击雷设施使用，发生雷暴时应停放在有防直击雷设施的保护区内，并人机分离。

岸桥和场桥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。

集装箱码头起重设备由于其高度及金属钢架结构， 极易接闪直击雷。此外，港区高架高压线路遭受的直击雷会沿供电线路通过变电所和箱变等供配电设施引入到集装箱码头起重设备，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。

集装箱码头起重设备采用的外部避雷针防直接雷击，接地线接地泄放雷电流，依防雷分级 (IEC 62305 标准)保护原理，从电源进线侧开始对电气各保护点进行电源类浪涌保护器(SPD)进行 1、2、3 级防雷保护， 同时也需对设备信号传输的两侧进行信号类防雷保护， 确保起重设备安全稳定的运行，防雷配置依防雷分区进行，岸桥和场桥防雷如图 2、图 3 所示。

2.2 原始防雷解决方案存在问题

原始雷方案电源类采用浪涌保护器(SPD)进行1、2、2 级防雷保护，同时也应对设备信号传输的两侧进行信号类防雷保护。由于设备使用后 SPD 老化与失效，接地线的接地状态要进行有效监测。为此，GB/T 21431-2015 规定：防雷系统的检测主要分为 3 中，竣工验收检测、定期监督检测和单位自行安全检测。其中，竣工验收检测应符合设计要求和 GB/T 21431-2015 标准的规定，定期检测要求每年雷雨季节到来之前进行全面检测， 单位自行安全检测则要求单位不定期的经常性检测。

对此检测，涉及到人员及需求、人为因素、设备停机影响、检测及时性的问题，时时不能有效及时进行。在 SPD 已失效，接地不良，未能及时检测到，造雷击时即造成设备损坏。

2.3 问题解决方案

对于检测不及时的解决方案是可增加人力与时间投入，但随着人力的增加，同时保证集装箱码头起重设备投入，公司的经济效益考虑，该方案不是行之有效的。

因此，随着工业 4.0 的发展，物联网的应用，应用物联网的感测技术，通讯技术的发展，智能防雷监控技术应运而生。

1) 智能防雷监控原理

① SPD 监测模块监测 SPD 状态的正常 通过采集SPD 失效时表现状态(遥信端子的通断)来评定 SPD 是否失效。同时监测雷击次数与时间，通过检测不同部位的雷击次数与分析，使 SPD 的配置更合理，减少重复配置或少配。数据采集器：接收各设备通过有线方式或无线方式 ，传入数据通讯机，供实时监测。

②雷电流监测仪监测雷电流 通过安装在 SPD 接地(PE)线上的雷击感线圈，实时检测分析记录雷击电流的大小、方向、峰值，通过统计分析报表，检测 SPD 选择合理性，提供更科学的防雷方案。

③接地电阻检测仪 通过接地检测仪，实时检测设备的设备接地不良。

④数据通讯机 将系统传送的数据通过有线或无线方向传入工控机做数据分析、整理，形成报表，并对异常做能过报警装置报警。整个系统也可通过云台供手机APP，其他网络分析使用。

2) 智能防雷监控技术框架图，如图 4 所示。

2.4 智能防雷监控技术的主要功能

记录并查询雷电击中次数及所对应的雷电流峰值、方向、雷击能量，通过数据分析集装箱码头起重设备的雷击情况; 实时 SPD 状态监测， 快速有效地维护SPD，防止因不能及时更换 SPD 所造成的损失;实时接地电阻监测，每天定时采集接地电阻阻值，防止接地异常带来的电气系统损坏。短信通知与邮件通知，产生报警，立即发送短信到所指定的手机端(或邮箱地址)， 通知相关人员处理异常;数据统计分析，图表化管理， 提供报表查询及打印;提供 SPD 产品信息录入窗口，系统化的管理 SPD 产品档案及维护记录;可根据需求扩展多个终端设备，并支持多种信号传输方式。

3 智能防雷监控技术的应用

该系统技术于 2015 年下半年始分期、分批对 20 台岸桥和 60 台场桥进行了防雷系统应用改造以及相应的软件建设，改进投入实践 2 a 以来，每年经历数次强台风及强雷雨考验，岸桥和场桥没有发生任何雷击故障， 有效保障了起重机安全，减少了起重机自然灾害损失， 强台风和强雷雨之后起重机迅速投入生产，同时起重机上防雷检测设备和元器件实时状态得到有效监控，雷电冲击次数、强度等数据实时得到采集和后台分析，实践证明智能防雷监控技术应用于港口起重机上是成功的。

4 结束语

经过现场应用检验，该智能防雷监控技术现阶段在集装箱码头起重设备防雷保护方面是行之有效的，直接保障了港区的生产作业。不断完善起重设备防雷保护措施，就是不断减少应雷击产生的财产损失、减少人员伤亡，提高设备的综合效益，创造良好的经济效益。