汪國祥（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230041）

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略

汪國祥（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230041）

從實(shí)質(zhì)上來說，煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)是利用弱電體系來監(jiān)管強(qiáng)電設(shè)備的一種形式，其也是目前現(xiàn)代化改造和煤礦生產(chǎn)的最終目標(biāo)。而弱電體系只具備較低的防護(hù)雷電的能力，當(dāng)發(fā)生雷擊之后，除了會(huì)給自動(dòng)化控制系統(tǒng)本身造成一定的損害之外，還極易因?yàn)樽詣?dòng)化控制系統(tǒng)的失靈而造成更為嚴(yán)重的煤礦生產(chǎn)安全事故，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。所以，對(duì)于煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略進(jìn)行探討具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

煤礦；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；防護(hù)

引言

大氣中劇烈的自然放電現(xiàn)象稱為雷電，其不僅擁有巨大的雷電流變化梯度和巨大的沖擊電流，而且還擁有較高沖擊電壓以及較短的放電時(shí)間。它的破壞作用具有綜合性，主要有機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)以及電效應(yīng)破壞，尤其是因此形成的電磁輻射給弱電設(shè)備帶來的損壞越來越嚴(yán)重。而煤礦礦區(qū)大多數(shù)都位于山區(qū)或空曠地帶，經(jīng)常容易發(fā)生雷擊事故，礦井綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用，而煤礦安全生產(chǎn)中的防護(hù)煤礦雷電的設(shè)施卻未得到重視，加大探究煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)非常有必要。

1 煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)雷電安全防護(hù)的重要性

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)是弱電體系，只有較低的抗擊雷電的能力，縱使建立了屏蔽設(shè)備仍然極易產(chǎn)生感應(yīng)影響，而煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。雷電會(huì)極大地影響煤礦本身的安全和運(yùn)營，所以更應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)地探究煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)。

（1）煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)可以使煤礦的安全生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)有效地提升。煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)與煤礦生產(chǎn)的各方面都緊密相關(guān)，譬如保障排水和通風(fēng)、檢測(cè)危險(xiǎn)環(huán)境以及監(jiān)控視頻等多個(gè)與安全生產(chǎn)有關(guān)的部分都必須依靠煤礦的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。而建立雷電防護(hù)體系可以使以上設(shè)備的完善運(yùn)作得到有效的保障，并確保礦井安全體系的有效性。

（2）煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)可以使煤礦的正常生產(chǎn)得到有效地確保。煤礦生產(chǎn)必須擁有很強(qiáng)的生產(chǎn)連續(xù)性，而建立煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)也正是出于對(duì)效能和連續(xù)性的考慮。健全的雷電防護(hù)體系可以有效地避免氣象風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的煤礦停工或停產(chǎn)，從而使生產(chǎn)的連續(xù)性得到有效的確保。

（3）煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)可以使系統(tǒng)本身的損壞風(fēng)險(xiǎn)得以有效地減小。煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，它本身的系統(tǒng)承載力非常有限。當(dāng)出現(xiàn)雷擊事件時(shí)，由于煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)中處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的設(shè)備以及傳輸信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)都沒辦法承受強(qiáng)大的電壓和電流，所以，極易出現(xiàn)熔斷熱效應(yīng)或擊穿等情況，從而導(dǎo)致有關(guān)的設(shè)備完全損壞，造成大規(guī)模的損失。

2 煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略

2.1 防護(hù)直擊雷的策略

第一類防護(hù)雷電的部分一定要將接閃線或網(wǎng)架空，或者對(duì)單枝或多枝獨(dú)立的接閃桿加以安置，利用此種獨(dú)立的接閃裝置來完成接閃工作。而第二類防護(hù)雷電的部分除了可以借助建筑設(shè)備架構(gòu)接閃器之外，也可以對(duì)單獨(dú)的接閃器加以安裝，還可以應(yīng)用與GB50057-2010自然接閃器規(guī)格要求相符合的結(jié)構(gòu)設(shè)施來當(dāng)作防雷設(shè)施。接閃器只能保護(hù)被三維空間包圍的區(qū)域。

接閃器的接地系統(tǒng)及引下系統(tǒng)必須具有可靠性，通常選擇的沖擊接地電阻不大于10Ω，獨(dú)立防雷設(shè)施與被保護(hù)建筑物、井口、鉆孔及與其有聯(lián)系的管道、電纜等金屬物之間的的間距應(yīng)大于5m，與人行道之間的間距應(yīng)大于3m。

2.2 電源系統(tǒng)防護(hù)雷電的策略

由于煤礦電源線路是由地面和井下兩個(gè)部分組成，所以，從兩方面來研究電源線路的雷電防護(hù)。本文以某煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例，對(duì)具體的雷電安全防護(hù)策略進(jìn)行了分析和介紹。

2.2.1 煤礦地面電源設(shè)備防護(hù)雷電的策略

電源系統(tǒng)選用TN-S系統(tǒng)的接地制式，且選用的是四級(jí)保護(hù)，圖1為煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)中地面電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)。以下是電源避雷器的選取情況：

圖1 煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)中地面電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)示意圖

（1）電源一級(jí)防護(hù)。應(yīng)當(dāng)選擇波形是8/20μs、通流容量是100kA每線，波形是10/350μs、通流容量是25kA每線的B級(jí)電源電涌保護(hù)器，并確保感應(yīng)雷擊過電壓不超過6kV。

（2）電源二級(jí)防護(hù)。針對(duì)TN系統(tǒng)電源的第二級(jí)雷電防護(hù)，應(yīng)當(dāng)選擇波形為8/20μs、通流容量為60kA每線的電源電涌保護(hù)器，并確保線路殘余感應(yīng)雷擊過電壓不超過4kV。

（3）電源三級(jí)防護(hù)。應(yīng)當(dāng)選擇波形為8/20μs、通流容量為20kA每線的電源電涌保護(hù)器，并確保感應(yīng)雷擊過電壓不超過2.5kV。

（4）電源末級(jí)防護(hù)。根據(jù)設(shè)備的具體的狀況，應(yīng)當(dāng)選擇波形為8/20μs、通流容量為20kA的插座型電源電涌保護(hù)器，并確保感應(yīng)雷擊過電壓不超過1.5kV。

（5）后備電源UPS。應(yīng)當(dāng)將相應(yīng)的直流電源電涌保護(hù)器并聯(lián)安置于后備電源UPS線路的前端。

2.2.2 井下電源設(shè)備防護(hù)雷電的策略

因?yàn)榫鹿╇娤到y(tǒng)電源線路具有特殊性，在對(duì)避雷器進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)以下幾方面加以充分考慮：

應(yīng)當(dāng)將對(duì)應(yīng)等級(jí)的避雷器安置于電源線路各級(jí)變配電系統(tǒng)的前端，安置避雷器的要求應(yīng)當(dāng)參考安置地面電源設(shè)備避雷器的要求。

SPD的啟動(dòng)電壓、漏電壓、殘壓以及能量配合等參數(shù)的選取是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，譬如，660V供電的電源系統(tǒng)不可對(duì)常規(guī)啟動(dòng)電壓560V的避雷器加以選取，不然避雷器會(huì)一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，保護(hù)電器將會(huì)跳斷電源，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)供電出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象。

SPD保護(hù)必須是多級(jí)的，可將高壓防爆專用避雷器安裝于采區(qū)變電所、井下中央變電所以及礦井地面變電所的前端。如果礦區(qū)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)雷電現(xiàn)象，那么還必須將專用的避雷器安置于礦井地面變電所的工作面配電點(diǎn)前端及出線端，圖2為煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)中井下電源設(shè)施的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)示意圖。在SPD能夠?qū)Ω骷?jí)所需的理論計(jì)算放電電流加以滿足的基礎(chǔ)上，為了使SPD的可靠性得以確保，必須對(duì)一個(gè)數(shù)量級(jí)通流量的SPD加以選取。

圖2 煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)中井下電源設(shè)施的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

防護(hù)井下供電線路的避雷器必須確保其具備防潮、防水、防爆以及防鼠害等能力。避雷器的啟動(dòng)電壓不得小于1.15U0，通流容量必須大于20kA，同時(shí)接地級(jí)截面積必須大于25mm2。

此外，必須對(duì)井下供電電纜在入井井口處的金屬外皮進(jìn)行接地處理。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)防護(hù)雷電的策略

傳輸信號(hào)的線路必須選用屏蔽線纜，同時(shí)線纜屏蔽層在煤礦入井井口的位置必須進(jìn)行良好的接地處理，保障接地電阻處于合理的范圍。

針對(duì)井下分站和主控接口連接的線路，必須將對(duì)應(yīng)分站接口形式的避雷器（RS232/RS422/RS485等）信號(hào)SPD1安置于分站總線進(jìn)線的前端。針對(duì)井下監(jiān)控分站和主控接口連接的線路，必須將對(duì)應(yīng)主控端接口形式的避雷器（RS232/RS422/ RS485等）信號(hào)SPD2安置于主控接口設(shè)備的前端。針對(duì)主控接口和計(jì)算機(jī)主機(jī)相連的線路，應(yīng)當(dāng)將對(duì)于適應(yīng)接口形式的主機(jī)避雷器信號(hào)SPD3安置于主機(jī)的前端。最后再依據(jù)各服務(wù)器和交換機(jī)的重要性，將SPD4恰當(dāng)?shù)匕仓糜谇岸?。圖3為煤礦綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。SPD建議采用經(jīng)過認(rèn)證的世界知名品牌的元器件，并確保其擁有靈敏的反應(yīng)、防爆功能、較大的通流容量、較小的插入損耗、較可靠的工作性能、較低的殘壓水平以及較穩(wěn)定的性能等。

圖3 煤礦綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

另外，必須將端口數(shù)目相當(dāng)且接口型號(hào)一致的多端口信號(hào)浪涌保護(hù)器安置于各臺(tái)交換機(jī)的前端，同時(shí)需要SPD3和SPD4擁有較寬的頻帶范圍，能夠與10/100/1000Mbps等的傳輸速率相適應(yīng)，且必須擁有較快的自動(dòng)恢復(fù)和響應(yīng)動(dòng)作、較低的殘壓水平、較小的插入損耗、緊湊的機(jī)構(gòu)以及安裝的便捷性，此外，其還必須與綜合布線的需求相對(duì)應(yīng)，可以抗擊浪涌和雷電沖擊，即使遭遇多次雷電沖擊之后防雷器依舊可以循環(huán)應(yīng)用，還必須具備抗干擾能力，保障設(shè)備能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。

SPD連接必須不會(huì)對(duì)電纜的屏蔽效果造成損壞，必須確保接地端的接地電阻不大于2Ω，同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量確保連接線直且短。

2.4 防護(hù)靜電的對(duì)策

倘若在煤礦高瓦斯、高粉塵的工作場(chǎng)所中發(fā)生靜電放電，必將引發(fā)非常嚴(yán)重的安全事故，因此必須高度重視防護(hù)煤礦靜電工作。根據(jù)煤礦的安全規(guī)章制度，倘若礦井選用電雷管時(shí)，那么電雷管庫要安裝人體消靜電裝置以及靜電防護(hù)裝置。此外還必須選用阻燃非鋁芯電纜、阻燃抗靜電輸送帶以及阻燃抗靜電風(fēng)筒等。

3 結(jié)語

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠有效地提高煤礦生產(chǎn)的安全性，減少安全事故發(fā)生的幾率，同時(shí)提高煤礦生產(chǎn)的效能。煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)除了必須整合強(qiáng)電系統(tǒng)之外，還必須對(duì)健全的弱電網(wǎng)絡(luò)加以建立。在此種情形之下，煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)只有較低抵抗雷電的能力，倘若不將防護(hù)雷電的工作落實(shí)好，除了會(huì)對(duì)煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響之外，還極易導(dǎo)致出現(xiàn)更為嚴(yán)重的安全事故。

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2095-2066（2016）22-0034-02

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