汪國祥（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院，安徽 合肥230041）

煤礦自動化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略

汪國祥（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院，安徽 合肥230041）

從實質(zhì)上來說，煤礦自動化控制系統(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，除了會給自動化控制系統(tǒng)本身造成一定的損害之外，還極易因為自動化控制系統(tǒng)的失靈而造成更為嚴(yán)重的煤礦生產(chǎn)安全事故，造成財產(chǎn)損失甚至人員傷亡。所以，對于煤礦自動化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略進(jìn)行探討具有重要的現(xiàn)實意義。

煤礦；自動化控制系統(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，加大探究煤礦自動化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)非常有必要。

1 煤礦自動化控制系統(tǒng)雷電安全防護(hù)的重要性

煤礦自動化控制系統(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。雷電會極大地影響煤礦本身的安全和運營，所以更應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)地探究煤礦自動化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)。

（1）煤礦自動化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)可以使煤礦的安全生產(chǎn)實現(xiàn)有效地提升。煤礦自動化控制系統(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)、檢測危險環(huán)境以及監(jiān)控視頻等多個與安全生產(chǎn)有關(guān)的部分都必須依靠煤礦的自動化控制系統(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，而建立煤礦自動化控制系統(tǒng)也正是出于對效能和連續(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)險得以有效地減小。煤礦自動化控制系統(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，由于煤礦自動化控制系統(tǒng)中處理和儲存數(shù)據(jù)的設(shè)備以及傳輸信號的網(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，或者對單枝或多枝獨立的接閃桿加以安置，利用此種獨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，也可以對單獨的接閃器加以安裝，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)。本文以某煤礦自動化控制系統(tǒng)為例，對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，且選用的是四級保護(hù)，圖1為煤礦自動化控制系統(tǒng)中地面電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計。以下是電源避雷器的選取情況：

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

（1）電源一級防護(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）電源二級防護(hù)。針對TN系統(tǒng)電源的第二級雷電防護(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

因為井下供電系統(tǒng)電源線路具有特殊性，在對避雷器進(jìn)行選擇時應(yīng)當(dāng)對以下幾方面加以充分考慮：

應(yīng)當(dāng)將對應(yīng)等級的避雷器安置于電源線路各級變配電系統(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的啟動電壓、漏電壓、殘壓以及能量配合等參數(shù)的選取是一個十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，譬如，660V供電的電源系統(tǒng)不可對常規(guī)啟動電壓560V的避雷器加以選取，不然避雷器會一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，保護(hù)電器將會跳斷電源，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)供電出現(xiàn)不正常現(xiàn)象。

SPD保護(hù)必須是多級的，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)時常會出現(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前端及出線端，圖2為煤礦自動化控制系統(tǒng)中井下電源設(shè)施的雷電防護(hù)設(shè)計示意圖。在SPD能夠?qū)Ω骷壦璧睦碚撚嬎惴烹婋娏骷右詽M足的基礎(chǔ)上，為了使SPD的可靠性得以確保，必須對一個數(shù)量級通流量的SPD加以選取。

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

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。避雷器的啟動電壓不得小于1.15U0，通流容量必須大于20kA，同時接地級截面積必須大于25mm2。

此外，必須對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

傳輸信號的線路必須選用屏蔽線纜，同時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。

針對井下分站和主控接口連接的線路，必須將對應(yīng)分站接口形式的避雷器（RS232/RS422/RS485等）信號SPD1安置于分站總線進(jìn)線的前端。針對井下監(jiān)控分站和主控接口連接的線路，必須將對應(yīng)主控端接口形式的避雷器（RS232/RS422/ RS485等）信號SPD2安置于主控接口設(shè)備的前端。針對主控接口和計算機(jī)主機(jī)相連的線路，應(yīng)當(dāng)將對于適應(yīng)接口形式的主機(jī)避雷器信號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為煤礦綜合自動控制系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計。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 煤礦綜合自動控制系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計

另外，必須將端口數(shù)目相當(dāng)且接口型號一致的多端口信號浪涌保護(hù)器安置于各臺交換機(jī)的前端，同時需要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恢復(fù)和響應(yīng)動作、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)定的運行。

SPD連接必須不會對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，同時應(yīng)當(dāng)盡量確保連接線直且短。

2.4 防護(hù)靜電的對策

倘若在煤礦高瓦斯、高粉塵的工作場所中發(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，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，同時提高煤礦生產(chǎn)的效能。煤礦自動化控制系統(tǒng)除了必須整合強(qiáng)電系統(tǒng)之外，還必須對健全的弱電網(wǎng)絡(luò)加以建立。在此種情形之下，煤礦自動化控制系統(tǒng)只有較低抵抗雷電的能力，倘若不將防護(hù)雷電的工作落實好，除了會對煤礦自動化控制系統(tǒng)的正常運行造成影響之外，還極易導(dǎo)致出現(xiàn)更為嚴(yán)重的安全事故。

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