陳汝秀,林 峰 ,廖 華

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 423037)

IMS微震系統(tǒng)設(shè)備過電壓解決方案

陳汝秀1,林 峰1,廖 華2

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 423037)

針對國內(nèi)地下礦山各類信息自動化系統(tǒng)設(shè)備故障頻發(fā)，系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠運行的現(xiàn)象，通過對柿竹園礦IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)井下設(shè)備經(jīng)常燒毀模塊故障的深入剖析，找到故障根源是系統(tǒng)過電壓，并對系統(tǒng)的過電壓防范進行優(yōu)化設(shè)計，采取遏制過電壓的產(chǎn)生和入侵的傳播途徑，合理選擇電涌保護器，配合系統(tǒng)的絕緣水平，全面防護系統(tǒng)的安全，成功地解決了系統(tǒng)設(shè)備燒毀的問題，為系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。系統(tǒng)內(nèi)部過電壓在國內(nèi)地下礦山信息自動化系統(tǒng)中普遍存在，其防護措施為如何防范系統(tǒng)設(shè)備燒毀提供了良好的示范作用。

微震監(jiān)測；電子信息系統(tǒng)；過電壓；電涌保護器

0 引 言

自2010年國家安監(jiān)總局第23號《通知》和168號文以及2011年第108號文以來，礦山安全“六大”系統(tǒng)建設(shè)全面展開[1￣8]。同時微震監(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)和礦山地壓安全監(jiān)測[9￣17]，其實時動態(tài)監(jiān)測性和定位特性為地壓安全預(yù)警提供了良好的技術(shù)支持，并取得顯著效果[9￣21]，逐漸取代傳統(tǒng)的便攜式聲發(fā)射儀。微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備國內(nèi)外都有生產(chǎn)，但國內(nèi)設(shè)備還不太成熟，中大型礦山微震系統(tǒng)設(shè)備基本從國外進口。根據(jù)調(diào)研顯示，大多數(shù)地下礦山微震系統(tǒng)和“六大”系統(tǒng)建設(shè)初期效果顯著，但系統(tǒng)正常運行時間不長。經(jīng)常出現(xiàn)地下設(shè)備燒毀、失效等故障，由于維護困難、恢復(fù)周期長，嚴(yán)重影響微震技術(shù)的使用，甚至影響企業(yè)的正常安全生產(chǎn)。因此如何確保監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運行成為微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用及其推廣成敗的關(guān)鍵。

微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備長期穩(wěn)定運行是微震技術(shù)發(fā)揮正常作用的先決條件。探討國外進口設(shè)備在國內(nèi)礦山企業(yè)頻繁出現(xiàn)故障的根源并采取有效的防治技術(shù)措施有重大的價值。首先，確保微震監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為安全管理提供有力的物質(zhì)保障；其次，為微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)的來源保障，第三，為國內(nèi)自主研發(fā)該類設(shè)備提供良好的經(jīng)驗，及如何提高設(shè)備穩(wěn)定性提供依據(jù)，第四，監(jiān)測系統(tǒng)的安全防護措施可推廣應(yīng)用在礦山企業(yè)的其他電子信息系統(tǒng)的安全防護上，譬如：地下礦山“六大”系統(tǒng)，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)等。

1 故障現(xiàn)象與分析處理

湖南省柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司是國內(nèi)典型的地下多金屬老礦山，也是較早引進微震監(jiān)測技術(shù)的地下金屬礦山之一[20￣21]，其IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)地下設(shè)備燒壞故障在國內(nèi)具有很強的普遍性。

1.1 柿竹園微震監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)概況

湖南省柿竹園礦2008年率先在490多金屬采場礦區(qū)建設(shè)完成30通道的數(shù)字微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了地壓變化實時監(jiān)測功能，為多中段、特高大空區(qū)的地壓管理提供了有力的技術(shù)保障。由于微震監(jiān)測技術(shù)具備全天候、全范圍、實時監(jiān)控、破裂源高精度三維定位等技術(shù)特點，該監(jiān)測技術(shù)逐步成為柿竹園地壓監(jiān)測的主要手段[20]。隨著采礦場向東南方向的推進及2012年開天窗大爆破[21]，2012年后柿竹園礦區(qū)東部高陡邊坡及上部局部垂直懸頂成為地壓安全的主要問題。為了更好地監(jiān)控大范圍的高陡邊坡及懸頂?shù)姆€(wěn)定性，柿竹園礦于2014年采用監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測事件能級更大的配備速度型傳感器的IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)。

其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1：在4個中段上布置了共7個臺站，每個臺站接收8個傳感器，共56個通道；臺站采用星形分布，以DSL通信方式把數(shù)據(jù)獨自傳到傳輸口(俗稱大貓)，由傳輸口把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器(地表主機)；同時服務(wù)器的同時步信號也是通過光纜傳到傳輸口，該大貓具有把同時步信號耦合到與臺站連接的DSL口的功能。IMS臺站由UPS、ADC、SP、DSL MODEM 4個模塊組成，傳感器全部接到ADC模塊上，SP負(fù)責(zé)采集、觸發(fā)、控制，DSL MODEM負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 IMS系統(tǒng)架構(gòu)

地表服務(wù)器與地下傳輸口之間采用光纜相連接，臺站到傳輸口和傳感器到臺站之間采用不同的銅芯信號電纜連接。各中段之間線纜通路有儀表井、交通巷道或垂直鉆孔。

1.2 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備故障

故障一：系統(tǒng)在2014年末調(diào)試完成后正常使用，在2015年春節(jié)停產(chǎn)期間按照礦方要求井下動力設(shè)備拉電閘，監(jiān)測設(shè)備繼續(xù)運行的要求執(zhí)行；在節(jié)后開工送電時，IMS系統(tǒng)設(shè)備有部分UPS、ADC模塊出現(xiàn)不能工作的現(xiàn)象，部分采集臺站不能運行，礦方同時稱有“安全六大系統(tǒng)”的電源適配器毀壞情況。經(jīng)鑒定為模塊過電壓損壞，更換后正常運行。

故障二：2015年10 kV高壓電纜貫穿LV558微震硐室和儀表井敷設(shè)施工，高壓電纜直接搭在設(shè)備箱上，通電后造成558硐室內(nèi)臺站的所有模塊燒毀、LV470硐室的傳輸口燒毀(見圖2)；迫使IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)停止運行。

故障三：在IMS系統(tǒng)停止運行期間，傳輸口上的接口同樣出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，同故障二。

圖2 故障設(shè)備照片

1.3 故障分析

針對IMS系統(tǒng)設(shè)備多次燒毀損壞的事故，礦山2016年進行了全面的事故調(diào)查和深入的分析，以挖掘系統(tǒng)故障的根源和阻止事故的發(fā)生。從上述3次故障可見，故障二和故障三是屬于同一類型的故障。

故障一IMS系統(tǒng)UPS模塊、ADC模塊外部完好，但不能工作,，寄回到原廠維修，經(jīng)過原廠的檢查，結(jié)果為主芯片燒毀。故障分析：首先，故障發(fā)生的時間是節(jié)后復(fù)工，動力設(shè)備投切之時；井下潮濕，多有漏電現(xiàn)象發(fā)生；其次，設(shè)備220VAC電源來自地下電源動力總線上的一條火線和一條零線，采用一個穩(wěn)壓器和UPS；第三，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)井下動力變壓器為TT(中性點不接地系統(tǒng))接地系統(tǒng)。綜合以上3點分析可得：故障一是由于中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生中性點漂移造成，如圖3所示N點為正常時期的中性點位置，當(dāng)發(fā)生故障時中性點的位置漂移到N′，造成相電壓增高。TT系統(tǒng)單相對地短路的穩(wěn)態(tài)過電壓正常相電壓為√3U，暫態(tài)過電壓(高頻振蕩，電弧間歇性的熄滅和重燃)初次燃弧正常相電壓最高為2.5U，二次重燃弧時正常相電壓最高為3.5U[22]。這種直接以相電壓為電源的供電方式，容易因為內(nèi)部過電壓造成設(shè)備損壞。這是典型的中性點偏移造成的過電壓，也是燒毀模塊內(nèi)部IC的根本原因。

圖3 中性點漂移電壓矢量圖

故障二從圖2清晰可見因高壓放電擊穿、燒焦發(fā)黑的RJ45接口，有安裝在LV470的傳輸口和各分中段DSL MODEM，結(jié)合圖1發(fā)現(xiàn)：大貓和小貓之間的銅芯信號電纜穿過儀表井，在2015年10 kV高壓電纜未敷設(shè)之前，未發(fā)生圖2中類似的故障，高壓電纜與信號電纜混合在儀表井中敷設(shè)時，一旦高壓電纜絕緣或環(huán)境變化，漏電閃絡(luò)、短路等電氣故障致使高壓電纜四周存在強烈變化的電磁場，臨近導(dǎo)體感應(yīng)出高電壓，這類過電壓雖然沒有象直擊雷過電壓的能量大，但是其電壓很高，足以燒毀電子設(shè)備，本系統(tǒng)中IMS設(shè)備燒黑正是感應(yīng)過電壓引起。

1.4 防過電壓治理

據(jù)以上分析，柿竹園IMS系統(tǒng)設(shè)備多次燒毀有內(nèi)部過電壓和感應(yīng)過電壓。針對過電壓危害防治，通常采取以下策略：第一，防止過電壓的產(chǎn)生：采用合理的方案杜絕過電壓產(chǎn)生；第二，切斷過電壓傳播的途徑，把過電壓隔離在設(shè)備之外；第三，完善接地系統(tǒng)和采取有效的保護措施，以匹配系統(tǒng)的絕緣水平。

由于TT系統(tǒng)供電的高可靠性，國內(nèi)礦山基本采用這類供電方案[23]，解決中性點漂移的方案是采用380/220V的隔離變壓器：利用TT系統(tǒng)接地時線電壓保持平衡的特點，改原單相供電為二相供電，即隔離變壓器一次側(cè)接線電壓，二次側(cè)輸出穩(wěn)定的220V電源供給監(jiān)測設(shè)備。該方案大大提高了供電的可靠性，在地下電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，只要供電系統(tǒng)不拉閘都能正常輸出穩(wěn)定的220 VAC。

切斷過電壓傳輸?shù)耐緩胶头乐惯^電壓的產(chǎn)生是最有效的防范感應(yīng)過電壓的方法。對于柿竹園儀表井中不可避免的10 kV高壓電纜，利用光纖抗強電磁干擾的優(yōu)點，把IMS系統(tǒng)常用的DSL通訊方式改為以太網(wǎng)通訊方式，在光纖線路上不感應(yīng)高電壓，徹底切除感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生和傳播途徑，確保設(shè)備的安全。系統(tǒng)中還有供電的電纜和傳感器的信號線也是連接到設(shè)備上，不能換成光纜，這些都是產(chǎn)生、傳導(dǎo)過電壓的可能和產(chǎn)生干擾的因素，線纜敷設(shè)盡可能避開動力電纜或高壓電纜，無法避開敷設(shè)的，平行和垂直敷設(shè)時應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定的安全距離敷設(shè)。

采取相應(yīng)的避雷措施，降低絕緣配置，必須是建立接地系統(tǒng)和選用合適的電涌保護器，接地系統(tǒng)建設(shè)如圖4所示。由圖4可見，地下監(jiān)控硐室接地系統(tǒng)由等電位連接排和接地裝置組成，還有電涌保護裝置。門窗、欄桿、金屬構(gòu)件、進出保護管、金屬箱外殼、設(shè)備金屬外殼、線纜屏蔽層、電涌保護器等與等電位排以最短的距離連接或焊接，各部分獨立連接等電位排上，禁止采用串聯(lián)方式。等電位連接是確保設(shè)備免受過電壓毀壞的主要裝置。

圖4 接地系統(tǒng)

地下監(jiān)控硐室的重復(fù)接地裝置可就地在硐室內(nèi)四周鉆孔預(yù)埋接地極，孔內(nèi)填滿降阻劑，接地極直接焊接在等電位排上；等電位排必須與井下主接地網(wǎng)可靠連接[23]。礦山地下硐室及四周由高電阻率的巖石構(gòu)成， 供電系統(tǒng)采用中性點不接地形式，漏電電流很小，硐室內(nèi)做了等電位連接，對設(shè)備和人員有安全保障，接地裝置是為了把系統(tǒng)受到電涌入侵的能量釋放，重復(fù)接地電阻無具體的阻值要求，有條件時接地電阻值越低越好。

電涌保護器能有效吸收突發(fā)的巨大能量，降低主要設(shè)備的絕緣配置，應(yīng)視過電壓類別合理選擇電涌保護器。一般地，地下監(jiān)控硐室表現(xiàn)為內(nèi)部過電壓，建議在井下變壓器總盤安裝分Ⅰ級裝置，在監(jiān)控硐室安裝Ⅱ級/Ⅲ級/Ⅳ級裝置把能量釋放。Ⅰ級電涌保護裝置：標(biāo)稱放電電流In≥60 kA，保護水平Up≤2.5 kV；Ⅱ級裝置：標(biāo)稱放電電流In≥20 kA，保護水平Up≤1.2 kV；在設(shè)備端設(shè)置Ⅲ級保護：標(biāo)稱放電電流In≥10 kA，保護水平Up≤1.0 kV；在傳感器側(cè)或通信線路側(cè)設(shè)置Ⅳ級保護：標(biāo)稱放電電流In≥5 kA，按照設(shè)備額定電壓選擇電壓等級[24￣25]；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配備專用防雷裝置。

1.5 過電壓防護的建設(shè)和使用效果

柿竹園多金屬采場微震系統(tǒng)在470/514/558/630中段共設(shè)置4個監(jiān)控硐室，故障后的整改措施：

(1) 微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的供電系統(tǒng)采用380/220 VAC隔離變壓器；

(2) 增加接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)按照圖4中的模板設(shè)計和施工，其中514/558監(jiān)控硐室的接地裝置外接既設(shè)的接地網(wǎng)；

(3) 系統(tǒng)增設(shè)電涌保護器，配置如下：微震系統(tǒng)電源箱內(nèi)設(shè)置了Ⅱ級保護器，傳感器接入處配置了Ⅳ級裝置-安全隔離模塊；同時建議在井下供電動力變壓器低壓總盤設(shè)置Ⅰ級保護模塊；

(4) 數(shù)據(jù)傳輸改線纜為全光纖模式；

(5) 巷道線纜敷設(shè)規(guī)范整理。

柿竹園IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過整改建設(shè)后，系統(tǒng)正常運行，設(shè)備燒毀的故障不再發(fā)生。

2 討 論

安全“六大”系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備在國內(nèi)礦山使用中故障頻發(fā)，設(shè)備毀壞不能及時修復(fù)運行，使用壽命不長，甚至系統(tǒng)短時內(nèi)就癱瘓，嚴(yán)重降低了設(shè)備運行的實際效果，導(dǎo)致地壓安全監(jiān)測處于中斷的危險狀況，各種科研推進受阻，從而在礦山企業(yè)中出現(xiàn)“高端設(shè)備太嬌貴，不適合在粗獷的礦山中使用，應(yīng)采用更為簡單的傳統(tǒng)監(jiān)測手段”等有礙新科技推廣和發(fā)展的保守思想言論。更有甚者，科技被套上腐敗的嫌疑。造成這樣局面，有以下3個方面原因。

首先，微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備是多種專業(yè)共同研發(fā)的一套系統(tǒng)專用設(shè)備，除了最主要的工藝，例如采礦學(xué)、巖石力學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等，系統(tǒng)至少涵蓋：機械學(xué)，材料學(xué)，電子學(xué)，電氣學(xué)，通信學(xué)，計算機學(xué)，軟件學(xué)。微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用時的立項選型缺乏充分的、系統(tǒng)的交流；往往發(fā)生嚴(yán)重的隱形錯誤；而且可能長期得不到專業(yè)的解決方案，并循環(huán)相同的錯誤。這是國內(nèi)科研領(lǐng)域封閉的弊病。

其次，國內(nèi)外礦山使用環(huán)境條件不同，引進國外先進設(shè)備時，往往忽略國內(nèi)礦山環(huán)境的惡劣程度。國外進口設(shè)備在系統(tǒng)選擇時，供應(yīng)商往往參照國外礦山標(biāo)準(zhǔn)選擇系統(tǒng)架構(gòu)和組件，應(yīng)用到國內(nèi)礦山時容易出現(xiàn)突發(fā)故障，國外供應(yīng)商無法解決設(shè)備之外的問題，更換設(shè)備后循環(huán)出現(xiàn)類似問題。國產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備大多是模仿階段水平，實際開發(fā)者并不完全了解生產(chǎn)工藝和應(yīng)用環(huán)境，按照功能指標(biāo)要求設(shè)計和選型，往往無法經(jīng)過礦山苛刻的環(huán)境和時間的檢驗；系統(tǒng)設(shè)備缺乏做為整體裝備進行規(guī)劃設(shè)計，存在原設(shè)計和裝配工藝先天不足，特別是“六大”系統(tǒng)的設(shè)備，更是良莠不齊。

第三，國內(nèi)礦山條件艱苦，各種專業(yè)人員或年輕人員不愿意到礦山企業(yè)服務(wù)，員工專業(yè)技術(shù)水平低下，年齡老化接受能力差。設(shè)備使用、操作、管理和維護技術(shù)力量相當(dāng)薄弱。系統(tǒng)建設(shè)完成驗收移交后，對實際使用和操作者而言，是一個嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生恐懼心理，將下意思的不作為，即使是操作不當(dāng)或不熟悉，首先的反應(yīng)是系統(tǒng)故障，等待外部資源解決問題，且習(xí)以為常，這是國內(nèi)礦山企業(yè)普遍存在的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不利于先進的設(shè)備、方法推廣，所以礦山科技人才的匱乏、斷層成為制約現(xiàn)代礦山科技發(fā)展的重要原因。

3 結(jié) 論

通過對柿竹園礦IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備故障的實際案例分析和解決方案的實施效果展示，以及深入討論故障背后的根源，提出如下建議：

第一、微震監(jiān)測系統(tǒng)的過電壓措施方案應(yīng)做為礦山企業(yè)電子信息系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)配備模板推廣。采用380/220VAC隔離變壓器供電；完善接地系統(tǒng)建設(shè)；選擇合理的電涌保護器配合系統(tǒng)絕緣水平；設(shè)計、選型上減少干擾的產(chǎn)生和引入。

第二、科研單位和生產(chǎn)企業(yè)都應(yīng)該重視和加強自身科技人才隊伍的長期建設(shè)，提倡多學(xué)科，培養(yǎng)交叉學(xué)科年輕技術(shù)人才，有利于現(xiàn)代礦山的發(fā)展建設(shè)和提升競爭力。

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[21]陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林，等.柿竹園礦地下特大爆破的微震監(jiān)測技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，(2)：59￣62.

[22]侯義明,于 輝,王喜偉.配電系統(tǒng)的接地方式及過電壓保護[M].北京：中國電力出版社有限公司，2015.

[23]GB50070-2009.礦山電力設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[24]GB50057-2010.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京：2010.

[25]GB50343-2012.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑出版社，2012.(收稿日期：2017￣08￣19)

陳汝秀(1971-)， 男，福建尤溪人，工程師，主要從事礦山自動化系統(tǒng)和設(shè)備研究，Email：ruxiuchan@163.com。