潘 竑，劉 崛，謝俊英

(1.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000;2.貴州省麻江縣氣象局，貴州 麻江 557600)

1 引言

凱里市興隆煤礦是一座現(xiàn)代化的煤礦，除了傳統(tǒng)的礦山建筑外，還設(shè)有礦區(qū)控制、指揮等現(xiàn)代化通信和信息系統(tǒng)，雖然已有外部防雷，但還需對其進行雷電電磁脈沖雷電感應，雷電波侵入進行防雷設(shè)計。其內(nèi)部設(shè)計有電源總配電房低壓柜、通信和計算機網(wǎng)絡等微電子設(shè)備和電子系統(tǒng)，這些電子設(shè)備與計算機系統(tǒng)通常屬于耐電壓等級低，防干擾要求高的弱電設(shè)備，抗雷擊能力很弱，一般電子設(shè)備都承受不了±5 V的電壓波動。普通建筑物防直擊雷的避雷裝置引入了強大的雷電流通過接地引下線入地，在附近空間產(chǎn)生了強大的電磁場變化，會在相鄰的導線(電源線和信號線)上感應出雷電過電壓，因此普通建筑物的直擊雷防護系統(tǒng)不但不能保護這些電子設(shè)備與計算機系統(tǒng)，反而可能會引入雷電的威脅。該煤礦不能僅針對直擊雷的防護設(shè)計，雷擊電磁脈沖的防護尤為重要。因此本文結(jié)合工程實際情況為其設(shè)計一套綜合防雷方案。

2 凱里市興隆煤礦雷擊環(huán)境特征

2.1 地理、地貌及氣候環(huán)境

凱里市興隆煤礦位于凱里龍場鎮(zhèn)老山村，雷電活動主要發(fā)生在4—8月，月平均雷暴日接近9 d;雷暴日最多的年份為1964年(76 d);雷暴日最少年份為1986年(39 d)。年平均雷暴日56 d，屬高雷區(qū)。

2.2 凱里市興隆煤礦概況

煤礦開采規(guī)模為30萬 t/a，井田面積0.15 km2。礦井南部3個井筒，采用斜井開拓方式即新建1個主斜井作為運輸(運煤)和進風，建有1個副斜井作輔助運輸(運料、設(shè)備、出矸)、進風和行人，1個風井作回風井。工業(yè)場地按臺階布置各功能區(qū)。生產(chǎn)區(qū)布置有斜井、絞車房、地面貯煤場、矸石倉、塊煤儲場、煤粉儲場、汽車裝車場地、機修車間、10 kV配電所、地面窄軌車場;輔助生產(chǎn)區(qū)布置有爆破材料庫、綜合材料庫、坑木加工房、井下水、生活污水處理站等;回風井口布置有引風道、通風機房及配電間、生活、生產(chǎn)水池等;行政辦公及生活設(shè)施布置有礦辦公室、食堂、汽車庫、職工宿舍樓等。礦區(qū)內(nèi)工藝生產(chǎn)裝置多，大多數(shù)采用露天布置。工程自動化控制程度高，生產(chǎn)和儲運過程中涉及到的危險物料有爆破材料庫，煤塵、瓦斯、CO等。

2.3 建(構(gòu))筑物、礦井內(nèi)部設(shè)備概況

該建筑內(nèi)部包含以下系統(tǒng):供電系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(安全防范系統(tǒng))等。

2.3.1 供電系統(tǒng) 礦井采用兩回路供電，一回路引至龍場變電站10 kV電網(wǎng)，另一回路引至凱里地方電力公司10 kV電網(wǎng)。礦井設(shè)地面低壓配電室，地面設(shè)備的低壓配電電纜直接從配電室饋出，井下設(shè)備的低壓配電電纜由井下機電硐室饋出，井下機電硐室設(shè)在井下中部車場。向地面供電的變壓器中性點接地，向井下供電的變壓器中性點不接地(TT系統(tǒng))，礦井電力電壓為6 kV→660 V→127 V→36 V→24 V。其余電壓為 380 V220 V、24 V、12 V、5 V。

根據(jù)工業(yè)場地布置及用電負荷分布情況，在主斜井東南場地內(nèi)設(shè)10/0.4 kV變電所一座，并附設(shè)高壓配電室。工業(yè)場地10 kV變配電所擔負場地全部低壓動力負荷及地面部分室內(nèi)外照明，變電所內(nèi)設(shè)S9－630/10變壓器二臺及高、低壓配電柜，主要負荷有:通風機房、地面水泵房、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、排矸系統(tǒng)、主井絞車、機修車間、坑木加工房、井下水及地面污水處理站、燈房浴室及鍋爐房等。工業(yè)場地內(nèi)所有高低壓配電線為架空線或電力電纜線路，穿越公路處采用電纜溝敷設(shè)，電力電纜集中的區(qū)段采用沿擋墻吊掛或電纜橋架敷設(shè)，穿越公路處電纜橋架距地不低于5 m，一般情況距地不低于3 m。

井下工作面、掘進頭等各用電設(shè)備電纜由配電點隔爆型低壓饋電開關(guān)引出。局部通風機采用專用變壓器、專用開關(guān)及專用電纜，并與掘進工作面之設(shè)備做風電、瓦斯閉鎖。主、副斜井、運輸大巷、車場、井下變電所、運輸順槽等處設(shè)固定照明。

2.3.2 計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng) 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)選用重慶煤科院生產(chǎn)的KJ90。地面中心站設(shè)在工業(yè)場地辦公樓調(diào)度室內(nèi)。KJ90型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機、傳輸接口、地面分站、井下分站、傳輸電纜、各種傳感器等組成。該系統(tǒng)融計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、人員監(jiān)測系統(tǒng)及程控調(diào)度通信系統(tǒng)于一體。本系統(tǒng)對全礦的瓦斯、風速、風門開閉、重要采掘運輸設(shè)備開停、電壓等安全與生產(chǎn)參數(shù)進行測量、統(tǒng)計、分析和信息存儲;在參數(shù)超限和設(shè)備故障時，能及時報警、顯示和打印，必要時還可實現(xiàn)超限自動斷電等功能。

3 煤礦的防雷工程設(shè)計

3.1 煤礦防雷建筑物類別劃分

由于該煤礦較高建筑物為辦公樓，根據(jù)建筑物年預計雷擊次數(shù)計算公式確定，建筑物年預計雷擊次數(shù)N為0.270 5次/a。

據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第2.0.4條規(guī)定:預計雷擊次數(shù)≥0.06次/a，且≤0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性建筑物應劃分為第三類防雷建筑物。因此該建筑應劃為第三類防雷建筑物。

爆破器材庫(炸藥庫)按一類建筑物的防雷保護進行設(shè)計。瓦斯抽放站應按第一類防雷建筑物設(shè)計。變電所、鍋爐房、絞車房、主井口、副井口應按第二類防雷建筑物設(shè)計。辦公樓、宿舍樓、材料庫等應按第三類防雷建筑物設(shè)計。

3.2 直擊雷防護

由于煤礦3個井筒，辦公樓及附設(shè)，炸藥庫，也有防直擊雷裝置且合格，所以本方案暫不考慮防直擊雷。

3.3 感應雷防護—電源防雷

①在煤礦的電源總配電房低壓柜電源輸入端，安裝HY38P－80三相交流電源防雷器，作為電源系統(tǒng)的第一級防雷保護。該產(chǎn)品為高速能量釋放，低殘壓等級，快速響應 (tA≤100 ns)，高絕緣電阻(103 mΩ)，適用于網(wǎng)絡系統(tǒng)中電子設(shè)備的電源環(huán)境的防雷保護。②在煤礦洞口下井前的電源輸入端，安裝HY38P－60長壽命三相電源防雷器，作為電源系統(tǒng)的第二級防雷保護。

3.4 接地與等電位聯(lián)結(jié)地網(wǎng)設(shè)計

接地裝置為多根水平或垂直接地體，為了減小相鄰接地體的屏蔽作用，接地體間距一般5 m，相應的利用系數(shù)為0.75～0.85。此距離可根據(jù)實際情況適當減小，但不能小于垂直接地體長度。接地體埋得越深，土壤濕度和溫度的變化越小，接地電阻越穩(wěn)定。根據(jù)計算，在均勻土壤電阻率的情況下埋得太深對降低接地電阻值不顯著。實際上，接地裝置埋設(shè)深度一般不小于0.5～0.8 m，既能避免接地裝置遭受機械毀壞，同時也減小氣候?qū)拥仉娮柚档挠绊憽?/p>

在煤礦變壓器房兩旁的低壓配電房外，新建一組地網(wǎng)。地網(wǎng)垂直接地極使用＜50 mm×50 mm×5 mm的鍍鋅角鋼，水平接地體使用－40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼，配合使用適量降阻劑。使地網(wǎng)阻值達到安全保護接地和防雷接地規(guī)定要求(R≤4Ω)。

3.5 等電位聯(lián)結(jié)

在煤礦變壓器房兩旁的兩個低壓配電房內(nèi)，設(shè)置一套接地匯流排，作為低壓配電房內(nèi)的安全保護接地和防雷接地，接地引下線至低壓配電房新建地網(wǎng);煤礦低壓配電房地網(wǎng)與煤礦鐵軌在井口處做等電位連接。

3.6 井下設(shè)備防雷設(shè)計

進入井下的電源線、信號線必須在地面配電房或控制室按要求安裝相應的電涌保護器，采用埋地進入井下，不能將電涌保護器安裝在井下或井口，電涌保護器應安裝在配電房或控制室。

井下所有設(shè)備必須做可靠接地，防止設(shè)備產(chǎn)生靜電火花引發(fā)事故，接地裝置不能與井上防直擊雷接地裝置共用，在井下采取就近接地，接地電阻要求≤100Ω。煤礦井上部分50 V以上的交流電氣設(shè)備和內(nèi)絕緣損壞可能帶有觸電危險的電氣設(shè)備的金屬外殼、構(gòu)架等，必須設(shè)保護接地。煤礦井下部分電壓在36 V以上和由于絕緣損壞可能帶有危險電壓的電氣設(shè)備的金屬外殼、構(gòu)架，鎧裝電纜的鋼帶(或鋼絲)、鉛皮或屏蔽護套等必須有保護接地。嚴禁井下配電變壓器中性點直接接地。嚴禁由地面中性點直接接地的變壓器或發(fā)電機直接向井，當由架空線路轉(zhuǎn)換為電纜埋地引入時，若其井外埋地長度超過15 m，電纜金屬外皮應在進入處做接地，還應在井外做兩處接地，接地點間距不應＞50 m，接地電阻不宜＞20Ω。采用架空線路引入時，接戶線的絕緣子鐵腳宜接地，接地電阻不宜＞30Ω。當土壤電阻率在200Ω·m及以下時，鐵橫擔鋼筋混凝土桿線路由于連續(xù)多桿自然接地作用，可不另設(shè)接地裝置。屋內(nèi)有電力設(shè)備接地裝置的建筑物，在入口處宜將絕緣子鐵腳與該接地裝置相連，可不另設(shè)接地裝置。

煤礦井下應在以下場所單獨裝設(shè)局部接地裝置:①采區(qū)變電所(包括移動變電站和移動變壓器)。②裝有電氣設(shè)備的硐室和單獨裝設(shè)的高壓電氣設(shè)備。③低壓配電點或裝有3臺以上電氣設(shè)備的地點。④無低壓配電點的采煤機工作面的運輸巷、回風巷、集中運輸巷(膠帶運輸巷)以及由變電所單獨供電的掘進工作面，至少應分別設(shè)置1個局部接地極。⑤連接高壓動力電纜的金屬連接裝置。

3.7 瓦斯抽泵房防雷設(shè)計

在瓦斯抽放泵站房頂上設(shè)置避雷針，并接地。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2004)，設(shè)避雷線保護瓦斯排放管，在瓦斯抽放站房頂裝設(shè)置避雷帶，在變電所設(shè)工作接地，接地電阻＜4Ω;在瓦斯抽放站分別設(shè)防雷接地，接地電阻均＜10Ω。

設(shè)計放空管的高度為7 m，在距放空管5 m之內(nèi)設(shè)一高度為14m的避雷針由于煤礦處于山區(qū)，雷害比較嚴重，應該注意以下幾點:①放空管應高于房脊4 m以上，放空管與避雷針距離＜5 m;②泵房房頂應安放雷網(wǎng);③避雷針接地電阻不得＞4Ω，達不到要求的要增加接地極;④瓦斯抽放泵房內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼都應接地，金屬走線架、水管等金屬物必須接地;⑤為防止井下瓦斯抽放管路帶電，瓦斯抽放管也需接地;⑥瓦斯抽放泵供電采用四芯電纜，其中一芯接地。

4 結(jié)論

針對興隆煤礦在采用已完善直擊雷防護措施的前提下，著重考慮雷擊電磁脈沖對建筑內(nèi)部的信息系統(tǒng)的影響，提出采用屏蔽、共用接地系統(tǒng)、等電位連接、合理布線、加裝浪涌保護器等綜合技術(shù)。

①瓦斯抽放站要求有防雷電措施。由地面直接入井的軌道及露天架設(shè)的金屬管路、架空電纜的金屬外皮等，在井口附近設(shè)防雷接地，接地電阻不＞10Ω。

②通信線路在入井處裝設(shè)熔斷器和避雷器;KJ90煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)線路在井口裝設(shè)一個RS858型避雷器;KJ260井下人員定位系統(tǒng)、設(shè)在井口交界處的 KJ260－J傳輸接口設(shè)2個礦用型KNF32X電源及信號防雷柵。

③井下所有電氣設(shè)備的金屬外殼均采用電力電纜的鎧裝層或橡套電纜的接地芯線作為系統(tǒng)接地線。在水泵房主副水倉各設(shè)1 m×0.75 m×0.005 m鍍鋅鋼板作為主接地極，在配電所及配電點等處的水溝中設(shè)＜50 mm×50 mm×5 mm鍍鋅角鋼作為局部接地極，將所有設(shè)備與主接地極、局部接地極做可靠的電氣連接，接地網(wǎng)上任一保護點測得的接地電阻不得＞2Ω，接地干線采用40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼。

［1］馬明，張義軍.我國的雷電災害及其防御［N］.中國氣象報，2009，4，13.

［2］GB50057－2010.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［3］李祥超.防雷工程設(shè)計與實踐［M］.南京:南京信息工程大學.

［4］建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］.GB50343－2004.

［5］GB50343—2004.建筑物電子信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2004.

［6］楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［7］GB/T1880212.低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器選擇和使用導則［S］.北京:中國計劃出版社，2006.