تصنيف الحماية من الصواعق وتصميم مانعة الصواعق

تُعد الرافعة الخارجية المكشوفة منشأة معدنية شاهقة، وتُصنف ضمن مباني الفئة الثانية للحماية من الصواعق وفقًا للمعيار GB 50057-2010 «مواصفة تصميم الحماية من الصواعق للمباني». يجب تقييم احتياجات الحماية من الصواعق بشكل منفصل في حالة العمل وحالة عدم العمل: في حالة العمل، يتواجد المشغلون في كابينة المشغل، ويُستخدم أسلوب الكرة الدحرجة للحماية بنصف قطر 45م؛ وفي حالة عدم العمل (بدون مشغل)، يمكن للهيكل الصلب للرافعة أن يعمل كمانعة صواعق طبيعية لتحمل تيار الصاعقة. يُحسب تقييم مخاطر الصواعق وفقًا لعدد الصواعق المتوقعة سنويًا N=k×Ng×Ae، حيث k هو معامل التصحيح (يُؤخذ 2 للهياكل المعدنية الشاهقة المعزولة)، وNg هو الكثافة السنوية للصواعق على الأرض (مرات/كم²·سنة)، وAe هي مساحة الالتقاط المكافئة. رافعة قنطرية بارتفاع 30م في منطقة بها 40 يومًا من العواصف الرعدية سنويًا، يبلغ عدد الصواعق المتوقعة سنويًا حوالي 0.5~1 مرة.

تُثبت مانعة الصواعق في أعلى نقطة في الرافعة، أي أعلى العربة أو أعلى كابينة المشغل. تُصنع مانعة الصواعق من فولاذ مقاوم للصدأ دائري (قطر ≥12مم) أو أنبوب فولاذي مجلفن (DN25)، بارتفاع ≥1م فوق أعلى نقطة في الرافعة. يُستخدم اللحام الموثوق لربط مانعة الصواعق بالهيكل الصلب للرافعة، بحيث لا يقل طول اللحام عن 6 أضعاف قطر الفولاذ الدائري، وارتفاع خط اللحام ≥4مم، مع طلاء بطلاء مضاد للصدأ بعد اللحام. في البيئات الساحلية أو شديدة التآكل، يصل عمر مانعة الصواعق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى 15~20 سنة، بينما يبلغ عمر الأنبوب الفولاذي المجلفن حوالي 8~12 سنة. في الحالات المناسبة، يمكن تركيب مانعة صواعق نشطة ذات تفريغ مبكر (ESE)، والتي توسع نطاق الحماية بنسبة 30%~50% مقارنة بمانعة الصواعق التقليدية من نوع فرانكلين، ولكن يجب التأكد من حصول المنتج على شهادة GB/T 21431.

عندما تكون الرافعة في حالة العمل، تحتاج كابينة المشغل نفسها إلى حماية إضافية من الصواعق المباشرة. يجب تركيب شريط أو شبكة حماية مستقلة أعلى كابينة المشغل، بحيث لا يزيد حجم الشبكة عن 5م×5م. يُستخدم فولاذ دائري مجلفن بقطر ≥8مم أو فولاذ مسطح بمقطع ≥48مم² (سمك ≥4مم) لشريط الحماية. عندما يكون سمك الصفائح المعدنية لهيكل كابينة المشغل ≥4مم، يمكن استخدامها مباشرة كمانعة صواعق، وعندما يكون أقل من 4مم، يجب تركيب شريط حماية إضافي. تخضع جميع وصلات اللحام لشريط وشبكة الحماية والمعالجة المضادة للتآكل لنفس متطلبات مانعة الصواعق الرئيسية. في حالة عدم العمل، تتوقف الرافعة في وضع التثبيت، ويتحمل الهيكل الصلب بأكمله وظيفة استقبال الصواعق.

الموصل الهابط والتوصيل الكهربائي للهيكل الصلب

تتمثل وظيفة الموصل الهابط في نقل تيار الصاعقة الذي تلتقطه مانعة الصواعق إلى نظام التأريض. يمكن استخدام الأجزاء المعدنية الكبيرة من الهيكل الصلب للرافعة مثل العارضة الرئيسية والعارضة الطرفية والرافعة كموصلات هابطة طبيعية، دون الحاجة إلى تركيب كابلات نحاسية هابطة إضافية. يكمن المفتاح في ضمان موثوقية التوصيل الكهربائي بين جميع الأجزاء المعدنية — يجب تركيب سلك توصيل عابر عند وصلات البراغي، ويُستخدم سلك نحاسي مجدول بمقطع لا يقل عن 50مم²، مع ضغط الطرفين بكتلة طرفية نحاسية، وتثبيت البراغي بعزم ربط وفقًا للمعيار GB/T 1228. يجب ألا تتجاوز المقاومة الكلية للموصل الهابط من مانعة الصواعق إلى نظام التأريض 1Ω، ويمكن قياسها بجهاز قياس مقاومة التأريض في كل مقطع توصيل من الموصل الهابط.

يجب أن تغطي أسلاك التوصيل العابرة جميع نقاط التوصيل غير الملحومة: وصلة البراغي بين العارضة الرئيسية والعارضة الطرفية، وصلة الشفة بين العارضة الطرفية والرافعة، وصلة هيكل العربة بمجموعة العجلات، وصلة كابينة المشغل بالعارضة الرئيسية. يُثبت سلك توصيل عابر واحد في كل نقطة توصيل، ويُستخدم سلك نحاسي مرن ثنائي اللون (أصفر/أخضر) من نوع BVR-50مم²، مع حمايته بأنبوب مموج مقاوم للهب. لا يقل نصف قطر انحناء سلك التوصيل العابر عن 6 أضعاف القطر الخارجي للسلك، مع ترك هامش حركة 200مم في الطرفين لمنع التمزق أثناء التشغيل. تضع كيلود للصناعات الثقيلة لوحات تعريف تأريض واضحة في طرفي كل سلك توصيل عابر، لتسهيل الفحص الدوري لحالة التوصيل من قبل موظفي الصيانة.

يجب أيضًا إدراج نظام خط التغذية في مسار الموصل الهابط. يُثبت نقطة توصيل تأريض كل 10م على غلاف خط التغذية، مع توصيلها بشكل موثوق بالهيكل الصلب للعارضة الرئيسية للرافعة باستخدام سلك أصفر/أخضر من نوع BVR-16مم². يتم تأريض طبقة الدروع المعدنية للكابل عند الطرفين، مع تكرار التأريض كل 50م في المنتصف، لضمان تساوي جهد طبقة الدروع مع الهيكل الصلب. للحصول على التصميم الشامل لنظام التحكم الكهربائي للرافعة وطرق تصحيح أخطاء برنامج PLC، يمكن الرجوع إلى المقالات ذات الصلة في نفس السلسلة التصميم الشامل لنظام التحكم الكهربائي للرافعة: من رسم المخططات إلى الممارسة الهندسية لتصحيح أخطاء برنامج PLC. في حالة التغذية بمحول التردد، يجب أيضًا عمل تأريض EMC لطبقة حماية الكابل — يُستخدم تأريض حلقي بزاوية 360° في جانب محول التردد، وتأريض HF (تأريض اقتران سعوي عالي التردد) في جانب المحرك، لقمع انتشار التوافقيات على طول طبقة الحماية.

تصميم نظام التأريض ومقاومة التأريض

يتكون نظام التأريض للرافعة من قطب أرضي أفقي وقطب أرضي عمودي معًا، ويُثبت على طول السكة بالكامل. يُستخدم فولاذ مسطح مجلفن (-40مم×4مم) أو فولاذ دائري مجلفن (قطر ≥12مم) للقطب الأرضي الأفقي، بعمق دفن لا يقل عن 0.8م، وعلى مسافة لا تقل عن 0.5م من حافة أساس السكة. يُستخدم فولاذ زاوي مجلفن (∠50×50×5مم، بطول L=2.5م) للقطب الأرضي العمودي، مع توزيع منتظم بمسافة 5م، وعدد لا يقل عن 4 أقطاب. لا تقل المسافة من أعلى الفولاذ الزاوي إلى سطح الأرض عن 0.8م، مع توصيل الفولاذ الزاوي بالقطب الأرضي الأفقي باللحام، وإجراء معالجة مضادة للتآكل بعد اللحام. يجب ألا تتجاوز مقاومة التأريض الكلية للنظام 4Ω، ويمكن زيادتها إلى ≤10Ω في المناطق ذات المقاومة العالية للتربة مع اشتراط معالجة التساوي.

يُعد توصيل السكة بنظام التأريض الحلقة الأخيرة في نظام التأريض. يُثبت نقطة توصيل تأريض في كل طرف من طرفي كل سكة، مع لحام أو ضغط السكة بالقطب الأرضي الأفقي مباشرة باستخدام سلك نحاسي مجدول من نوع BVR-50مم². تُثبت نقطة توصيل عابر للتأريض على جانبي وصلة السكة (وصلة لوحة الوصل)، بمقطع لا يقل عن 50مم² لسلك التوصيل العابر. يُثبت نقطة توصيل تأريض متكررة كل 30م على طول السكة. عند وصلة التمدد في السكة، يجب ترك هامش في سلك التوصيل العابر (انحناء قوسي ≥150مم) لتعويض التمدد الحراري. يجب ألا تتجاوز مقاومة التلامس لجميع نقاط توصيل التأريض 0.03Ω، ويُتحقق منها بجهاز قياس الميكروأوم.

يُجرى قياس مقاومة التأريض مرة بعد اكتمال البناء ومرة قبل موسم العواصف الرعدية كل عام. تُستخدم طريقة الأقطاب الثلاثة (جهاز قياس مقاومة التأريض، مثل Fluke 1625)، مع توزيع قطب التيار وقطب الجهد على مسافات متساوية C:20م، P:15م. يكون القياس في حالة عدم عمل الرافعة، مع توصيل جميع نقاط توصيل التأريض بشكل طبيعي. عندما تتجاوز قيمة المقاومة المقاسة 4Ω، يجب اتخاذ إجراءات لخفض المقاومة — زيادة عدد الأقطاب الأرضية العمودية، أو استخدام مواد خافضة للمقاومة (مثل البنتونيت أو مواد كيميائية خافضة للمقاومة، بنسبة خفض تبلغ 30%~50%)، أو زيادة طول القطب الأرضي الأفقي. في المناطق الصخرية، يمكن النظر في استبدال التربة (استبدال تربة الأساس الأصلية بتربة منخفضة المقاومة).

التوصيل المتساوي والتوصيل العابر

من العناصر التي غالبًا ما يتم إغفالها في نظام التسوية المحتملة هو التوصيل الكهربائي بين الحبل السلكي والخطاف. يجب ضمان التوصيل الكهربائي بين الخطاف والحبل السلكي لمنع حدوث تفريغ كهربائي ساكن عندما يقترب الخطاف من الحمولة. يتم تركيب فرشاة تأريض (فرشاة كربونية أو نحاسية، بضغط تلامس ≥ 15 نيوتن) عند نقطة اتصال الحبل السلكي بالخطاف، ويجب ألا يقل مقطع سلك التأريض عن 4 مم². كما يجب دمج بكرات مجموعة البكرات المعدنية في نظام التسوية المحتملة، حيث يتم توصيل مبيت محمل البكرة بسلك مرن BVR-6mm² مع هيكل العربة. أما ممتصات الصدمات المطاطية ووصلات الاقتران المرنة وغيرها من المكونات العازلة، فيتم تركيب سلك توصيل عابر BVR-10mm² على جانبي كل منها.

نظام توزيع TN-S وحماية الطفرة SPD

يجب أن يعتمد نظام توزيع الجهد المنخفض للرافعة على نظام TN-S (ثلاثي الأطوار بخمسة أسلاك)، أي أن سلك العمل المحايد N وسلك الحماية الأرضي PE يتم فصلهما تمامًا بدءًا من نقطة التعادل للمحول، ويتم إعادة تأريض سلك PE عند خزانة الدخول للرافعة. الميزة الأساسية لنظام TN-S هي: في التشغيل العادي لا يمر تيار في سلك PE (تيار السلك N لا يمر عبر سلك PE)، وجميع هياكل المعدات تتصل مباشرة بجهاز التأريض عبر سلك PE. عند حدوث انهيار عازل، يتشكل مسار قصر عبر نقطة تأريض PE، مما يؤدي إلى تفعيل قاطع الدائرة أو المنصهر العلوي وفصل الدائرة المعطوبة. الحد الأدنى لمقطع سلك PE وفقًا للمواصفة GB 50054: عندما يكون مقطع سلك الطور S ≤ 16 مم² يكون PE = S، وعندما 16 مم² 35 مم² يكون PE = S/2.

يتم تركيب حامي الطفرات الكهربائية (SPD) في خزانة توزيع الكهرباء للرافعة وعند مدخلات مصدر الطاقة للمعدات الحرجة. يتم تركيب SPD من المستوى الأول (موجة 10/350 ميكروثانية، تيار الصدمة Iimp ≥ 25 كيلو أمبير) عند المفتاح الرئيسي لخزانة الدخول، لتفريغ الطاقة الهائلة الناتجة عن الصواعق المباشرة. أما عند مدخلات الطاقة للمعدات الحرجة (PLC، محول التردد، المشفر، المستشعر) فيتم تركيب SPD من المستوى الثاني (موجة 8/20 ميكروثانية، تيار التفريغ الاسمي In ≥ 20 كيلو أمبير)، لتقليل الجهد المتبقي إلى مستوى يتحمله الجهاز (< 1.5 كيلو فولت). يجب ألا يتجاوز طول توصيلات SPD 0.5 متر، مع اتباع مبدأ التوصيل النجمي "L/N/PE"، ويجب تزويد مقدمة SPD بحامي تيار زائد (قاطع دائرة أو منصهر، بتيار مقنن لا يتجاوز القيمة القصوى للحماية الخلفية لـ SPD).

خطوط الإشارة تحتاج أيضًا إلى حماية SPD — إشارات الإدخال التناظري لـ PLC (4~20 مللي أمبير)، إشارات نبض المشفر، ناقل الاتصالات (PROFINET، RS485)، وسلك إشارة المستشعر يجب تركيب SPD إشارة على طرفيها. يجب أن يكون تيار التفريغ الاسمي لإشارة SPD ≥ 5 كيلو أمبير، وقت الاستجابة ≤ 1 نانوثانية، وفقدان الإدخال ≤ 0.5 ديسيبل. كما يجب تركيب مفاعل خرج ومرشح dv/dt على كابل خرج محول التردد، لكبح الجهد الذروي الناتج عن موجة PWM لمحول التردد من الاقتران بعزل المحرك ونظام التأريض. يجب أن تكون جميع وحدات SPD مزودة بنافذة مؤشر الحالة (أخضر = طبيعي، أحمر = عطل)، ويتم فحص حالة المؤشر سنويًا قبل موسم الرعد.

الفحص والصيانة وفحص موسم الرعد

يتم تنفيذ فحص وصيانة نظام الحماية من الصواعق والتأريض وفق دورة سنوية. قبل موسم الرعد من كل عام (مارس~أبريل) يتم إجراء فحص شامل، وتشمل البنود: قياس مقاومة التأريض (بطريقة الأقطاب الثلاثة، القيمة القياسية ≤ 4 أوم)، فحص الاستمرارية الكهربائية لموصلات النزول (مقاومة الخط بالكامل ≤ 1 أوم)، الفحص البصري لأسلاك التوصيل العابر (للتآكل أو الارتخاء أو تكسر الأسلاك)، وفحص عزم الربط لمسامير أطراف التسوية المحتملة (مسامير M8 بعزم ≥ 20 نيوتن·متر، M10 ≥ 35 نيوتن·متر). يتم توثيق نتائج الفحص وإنشاء ملف صحي لنظام الحماية من الصواعق. إذا كانت مقاومة التأريض غير مطابقة للمعيار لمدة عامين متتاليين، يجب ترقية جهاز التأريض.

يركز التفتيش الدوري اليومي على ثلاثة مكونات معرضة للتلف. الأول: نقاط اتصال أسلاك التوصيل العابر بالهيكل الصلب — المسامير في بيئة الاهتزاز تميل إلى الارتخاء، ويجب إعادة ربطها مرة واحدة على الأقل سنويًا مع وضع مثبت خيوط لولبية (لوكيتايت 243 متوسط القوة). الثاني: نقاط تأريض خط التغذية — غلاف خط التغذية يهتز باستمرار أثناء التشغيل، وقد تتعرض مسامير التأريض لكسر الإجهاد. الثالث: تسوية كابينة المشغل — كابينة المشغل هيكل معلق مرن، والكابلات تتحرك مع الكابينة مما قد يؤدي إلى اهتراء طبقة العزل. يجب إضافة بند الفحص البصري لخطوط التأريض في الفحص الشهري للمعدات، للتحقق من عدم وجود أسلاك مكسورة أو وصلات مؤكسدة أو تلف في طبقة العزل.

إدارة عمر SPD لا تقل أهمية. اختبارات التأريض واختبارات العزل أثناء التشغيل التجريبي للنظام الكهربائي هي ضمان للتشغيل الموثوق لنظام الحماية من الصواعق، ويمكن الرجوع إلى طرق اختبار العزل في المقالة ذات الصلة التشغيل التجريبي للنظام الكهربائي للرافعات من المبتدئ إلى الاحتراف. المقاومات المتغيرة (فاريستور) وأنابيب تفريغ الغاز المدمجة في SPD تتدهور تدريجيًا بعد التعرض المستمر لصدمات الطفرة، وعمر التصميم عادة 5~8 سنوات (أو بعد تحمل 20 صدمة اسمية). عند ظهور اللون الأحمر في نافذة مؤشر الحالة يجب استبدال SPD فورًا؛ أما SPD بدون نافذة مؤشر فيتم فحص تيار التسرب سنويًا قبل موسم الرعد باستخدام جهاز اختبار SPD (يتم الاستبدال عندما يتجاوز تيار تسرب الفاريستور 1 مللي أمبير أو عند حدوث قصر). يجب فصل مصدر الطاقة قبل استبدال SPD، ويُمنع منعًا باتًا العمل تحت الجهد. نظام الحماية من الصواعق من كيلود للصناعات الثقيلة يُسلَّم مع قطع غيار SPD (قطعة غيار واحدة من المستوى الأول وواحدة من المستوى الثاني لكل جهاز) وجدول سجلات الفحص، ويحتاج المستخدم فقط إلى التسجيل كل ثلاثة أشهر وفقًا للجدول.

الأسئلة الشائعة