通信论文上海外高桥六期工程的防雷问题探讨.doc

上海外高桥六期工程的防雷问题探讨 上海外高桥六期工程的防雷问题探讨张明，卫立星（中交水运规划设计院有限公司，北京100007）摘要：通过多方面分析论证，得出外六期汽车滚装码头和堆场的防雷设计应按第二类防雷标准设防的结论，可有效地避免对操作人员和商品汽车的伤害和损坏；通过对外六期集装箱堆场高架接电方式试验段遭受雷击现象进行分析，并结合雷击原理，找出解决集装箱堆场高架接电方式雷击隐患的措施.关键词：防雷；接地系统；雷击现象；汽车堆场；集装箱堆场；高架电车滑线中图分类号：tu895文献标志码：a文章编号：1002-4972（2009）11-0108-051概述上海外高桥六期工程（以下简称外六期）是继上海外四期、外五期后的又一个大型港口工程.本工程上游与外五期工程无缝隙连接，建设规模为10万15万吨级集装箱泊位3个，5万吨级汽车滚装泊位2个；内侧长江驳泊位2个。设计年吞吐量分别为210万teu和60万辆汽车。码头总长约1538m，陆域面积约194万m2.外六期与外四期均由集装箱码头和汽车滚装码头组成，不同之处是为了节能和环保要求，外六期集装箱堆场的作业模式由燃油驱动式普通轮胎吊rtg改为电驱动式轮胎吊e-rtg。因此，外六期工程的设计关键点是e-rtg的接电方式以及相应配套的供配电系统。关于接电方式已经在方案设计阶段分别对卷筒拖缆、低架滑触线和高架电车滑线等接电方式做过专题研究，这里就不再叙述，方案最终确定了采用高架电车滑线接电方式和相应的供配电系统。此外，外六期的突出问题是防雷问题，这也是有别于前几期工程的.外六期的防雷包括两大部分，一是汽车堆场的防雷，二是集装箱堆场的高架防雷。汽车堆场的防雷问题主要是如何进行避雷针的最佳合理布置，使堆场有效作业面积最大并且能够实现作业区全覆盖防雷；集装箱堆场的防雷问题主要是如何避免因高架的设置导致雷击几率加大所引起的安全隐患.2汽车堆场防雷2.1汽车防雷类别的划归问题从2002年起，我国居民购买汽车商品总量逐年大幅上升，近几年进入了爆发式增长阶段。我国率先进入汽车消费高速增长的地区是京津地区、西南地区和长江三角洲、珠江三角洲。汽车的高速发展既带动了经济的增长也反映了商品汽车流通方面的不足。从2003年上海外四期内支线第一个汽车滚装码头开始，我国相继在大连、广州也建起了商品汽车滚装码头，从而汽车滚装码头的建设标准问题也暴露出来。当时交通部正在组织有关单位进行相关设计规范的制定，在设计规范尚未出台的情况下，设计只能经过分析论证、调研、征询用户意见等方式进行。汽车码头防雷问题就是其中之一，作为一个陌生行业笔者是从调研开始的，调研了上海大众和上海通用汽车公司，同时还调研了国外一些汽车码头。结论也不尽相同，上海的汽车堆场基本都设置了避雷针，国外的汽车堆场从外观上没有看到装设避雷针。基于这种情况，对汽车滚装码头的防雷从以下几个方面进行了分析.2.1.1计算分析由于没有相应标准规范可循，故外六期汽车堆场设计参照国家标准gb500571994建筑物防雷设计规范进行设计。按上海地区年雷击次数及被保护物汽车的商品价值计算，汽车码头及堆场应属于第二类防雷标准.鉴于当时年代发展思维的局限，国家标准gb500571994建筑物防雷设计规范中没有针对汽车这种特殊商品的防雷归类，按其含义汽车应按最低的三类防雷标准设防，但按上海地区的年雷击次数进行计算，应归属为二类防雷.建筑物年预计雷击次数按下式计算：n=kngae上海地区年平均雷暴日td=32.2d/a，被保护物所处地区雷击大地的平均密度ng=0.024t1.3d次/（km2a），一般情况下k=1（系数最小的情况），ae为与被保护物截收相同雷击次数的等效面积（km）2，应为其实际面积扩大后的面积3。当被保护物低于100m时：ae=lw+2(l+w)姨h(200-h)+h(200-h)10-6式中：l，w，h分别为被保护物的长、宽、高。针对本工程汽车堆场划块面积，l=925m，w=520m，h=2m。ae=540000m210-6，n=kngae=1.18。从计算得出被保护物年预计雷击次数为1.18次/a.不满足小于或等于0.3次/a的三类建筑物标准。故应按第二类防雷标准考虑.2.1.2通过汽车的商品价格分析与我国居民的收入水平相比，目前商品汽车在我国尚属于贵重物品，汽车物价和居民收入水平相差较大，而在国外汽车属于普通物品。从而说明在我国汽车商品的损毁对运营商来讲经济损失也相对较大.2.1.3从雷击对汽车的危害分析汽车因有金属壳体，当遭受雷击时相当于法拉第笼，此时汽车内部装置和人身均处于保护状态，根据德国梅塞德斯奔驰汽车公司在2003年对clk系列轿车进行抗雷电试验，把汽车放在一个能产生140万v的高压发生器下面进行雷击试验，多次雷击试验过后，汽车内部的电子装置及安装传感器的假人均无损坏。这样人们也许认为汽车不会遭雷击，其实不然，汽车也是容易遭到雷击的。有资料表明，雷电流通过汽车轮胎释放（图1），雷击可击穿汽车轮胎，并可在汽车金属表面留下雷击痕迹（图2）。在北京顺义就有卡车遭受雷击10个轮胎被击穿9个的案例.图1和2表明了雷击对汽车的危害。汽车比较容易遭受雷击的位置大多集中在汽车的顶棚、图1雷电流通过汽车轮胎释放车轮的金属圈部分，因为闪电击中汽车后电流会迅速向地面发展，而在潮湿情况下，雷电流会通过车体表面达到车轴的位置，由于车轮橡胶是非导体，所以雷电流会在车轮的金属部分留下电流疤痕，当车轮潮湿的情况雷电会通过车轮接地；而在车轮干燥的情况下或者敞篷车雷电就会很大程度地破坏汽车的电子系统并危及人身安全.鉴于以上分析和国内汽车生产厂家防雷的习惯做法，本工程按二类防雷实施.2.2避雷针的选型和布置2.2.1选型根据外六期防雷设计产品选型，采用提前放电原理的ese6000避雷针，其原理是当雷电尚未到达或接近防雷区域时，采用提前放电击穿雷云，使雷电通过避雷针释放到大地，从而避免雷击发生。设计选用产品的提前放电时间为60s，属于目前保护半径最大的产品。经计算，该型号避雷针安装在30m高时对距地面2m的物体保护半径为第2类防雷约为91m，第3类防雷约为101m.根据第2类防雷保护半径91m布置，港区避雷针布置纵距最大为172m，横距为75m左右，满足防雷要求。第3类防雷布置避雷针间距可以加大，同时也加大了物品被雷击的几率，存在汽车被雷击的隐患，故按2类防雷设防符合设计要求.2.2.2布置1）方案1：汽车堆场平面按满足防雷标准布置，即堆场纵向以172.5m间距布置了4条2.5m绿化带兼做照明、防雷、消防等管线带。根据平面，可以按75m172m的矩形布置避雷针，防雷覆盖面边缘达到临界交合，正好达到全堆场和主要作业区覆盖，满足全覆盖防雷要求（图3）3.2）方案2：汽车堆场平面以满足生产功能块布置，即堆场纵向以207.5m间距布置了3条2.5m绿化带兼做照明、防雷、消防等管线带。根据平面，以75m207.5m的矩形布置避雷针，防雷覆盖面边缘无法达到交合，出现2条约30m宽和1条44m宽的避雷盲区，未保护区域约占面积为5.367万m2，不满足二类防雷全覆盖要求3。见图4.3）方案1与方案2主要技术指标及优缺点.方案1.主要技术指标:避雷针塔架共36座，其中24座同时兼作照明塔架；堆场车位为18601个.优点：可以全覆盖防雷，对汽车被雷击的隐患很低；满足堆场照度值.缺点：避雷针数量多7支，投资略有增加，约20万元.方案2.主要技术指标:避雷针塔架共29座，其中20座同时兼作照明塔架；堆场车位为18624个.优点：相对方案1塔架数量少，投资略低.多23个车位.缺点：约有5.4万m2面积得不到防雷保护.可兼作照明的塔架数量少，照度值较低，要增加照明灯具约75100套。有2860辆商品汽车存在被雷击的隐患.图2汽车金属表面留下雷击痕迹图3方案1：防雷全覆盖经比较，方案1比方案2除少23个车位外，优点是显而易见的.2.3相关工程防雷设计状况据了解大连港汽车码头防雷按第二类防雷标准设计。施工图防雷设计是由大连港设计院完成，经过和相关设计人员沟通，了解到原设计没有考虑到汽车防雷特殊情况，仅按普通做法设计，在高杆灯上布置了普通避雷针。之后大连港的设计人员因其他问题咨询上海汽车物流园区的初步设计时发现报告要求汽车防雷按第二类防雷考虑.有关国内其他汽车码头关于防雷设计的资料尚未得到.2.4结论根据以上计算和分析，我们认为在上海地区按第三类防雷标准设计存在隐患，故应按第二类防雷标准设防。汽车商品目前在我国尚属于贵重物品，雷击次数的多少表明物体遭受雷击次数的几率多少。国家标准划分的三类防雷标准是根据建筑物的重要程度和地区出现雷击的频次划分的，不表明完全可以防止雷击现象，只是在雷击的几率上达到最小.否定方案2的原因除堆场有2860个车位属于未保护区域，存在汽车被雷击隐患外，雷雨天气作业还会造成人身伤亡事故。此外，照明灯杆间距拉大，必然会造成平均照度值的下降，对照明均匀度也会有影响。在水规院设计回访时，用户曾提出“上海港汽车码头照度低，满足不了需求（主要是进口汽车不能有刮蹭损坏，造成成本提高）”的诉求.另外，从堆场车位布置来讲，方案1与方案2基本相同，从汽车装运流程的功能上，方案1只要在管理上划分好区块，同样可以满足生产要求，况且方案1在防雷及照明方面有着很明显的优势.故建议推荐方案1. 3集装箱堆场防雷3.1堆场高架布置状况外六期集装箱堆场工艺设备电动轮胎吊采用高架电车滑线方式，故防雷问题显得尤为突出.目前国内各个港口由于节能减排的需要已完成或正在做“油改电”的实验和设计，比如上海港外二五期、深圳盐田港、妈湾港、青岛港及宁波港等都先后对已有普通rtg进行全面或部分接电改造，深圳大铲湾则在施工图阶段将堆场设备全部改为e-rtg。各地采用的接电方式也各不相同，青岛港采用的是低架滑触线方式，深圳港采用的是卷筒拖缆方式，而上海港采用的是高架方式.各种接电方式有各自的优缺点4.外六期工程集装箱堆场作业区前方为重箱区，布置尺度按高架电车滑线供电方式供电的电动轮胎吊作业要求设计。集装箱重箱堆场作业区宽度为860880m，纵深约404m，共配置e-rtg26台，共设置49个高架，分为7排，每排7座高架，共14条作业线。高架高度为38m左右。每排两高架之间跨距约为150m左右。排间距约58m左右5。高架布置见图5和图6.3.2雷击现象分析从现代防雷的观点看，雷电的损害主要分为两种：直击雷和雷击电磁脉冲（过去常称之为感应雷）。外六期集装箱堆场大面积高架布置对于防雷提出了更高的要求，高架顶部设置避雷针，另在两高架之间顶部两侧架设两条避雷线。外二期到外五期所做的高架接电试验段改造工程也采取了以上防雷措施，但是从外二期到外五期的e-rtg图4方案2：不满足防雷覆盖皆有遭受雷击现象发生，为什么做了防雷还有雷击现象发生呢？按理论讲，高于滑线的上方空间架设了避雷线，应该可以防止雷击，但实际上是不可避免的。试验段的高架架设面积虽小但都有雷击现象，那么外六期这样大面积设置高架，雷击几率肯定会加大。理论上做防雷设计将雷云作为滚球状考虑，滚球状是理想的形状，实际上雷云的形状是不规则的。除了直击雷，还要重视雷击电磁脉冲的影响，所以仅靠架设避雷针和避雷线是不够的.普通rtg正常作业时也有雷击发生，此时rtg是个独立体，自身引雷，但该设备本身具有法拉第笼效应，雷击时设备整体均压，没有电压差产生，故设备自身是安全的。而e-rtg之所以会遭到雷击，是因为雷击是通过高架电车滑线引来，而滑线是有源体并与接地体绝缘，不可能接地，这便在e-rtg设备上产生雷击压差，雷击现象便发生了.针对这种现象，在外二期至外五期高架接电实验段改造工程中防雷设计上都存在缺陷，设计除在高架上做了避雷针和避雷线外，按常规设计也在e-rtg电源供电箱变进线处高压侧加了避雷器。而雷电是从滑触线方向引来，不是从进线端引至，故发生雷击还是避免不了的。再有试验段的接地为tn-c系统，这样就存在e-rtg设备本身没有接地，因为e-rtg对地是轮胎绝缘的.3.3防雷处理措施经过以上分析，同时也吸取原试验段设计的经验，采取以下处理措施完善设计：1）将原出线tn-c接地系统改为tn-s接地系统，也就是在滑触线上增加pe线；2）除了在电源进线端设置避雷器外，在与滑线连接的出线端也增加避雷器；3）在电动轮胎吊e-rtg接电进线处加装避雷器.这样，由于采用了tn-s接地系统，通过pe线将电动轮胎吊e-rtg设备本身与接地线相接，增加了设备自身的泄流通道。同时在雷击电流的来路上进行了双重堵截，通过供电出线