煤礦的雷擊安全隱患及防雷保護(hù)

景東平 延雪花,

（1.山西省臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2.南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。隨著我國煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種敏感的電子設(shè)備不斷應(yīng)用到煤礦的電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦的雷電防護(hù)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。本人所處地區(qū)煤礦較多，擁有便利的條件到實(shí)地進(jìn)行考察，然后運(yùn)用自己的理論知識(shí)對(duì)煤礦的雷擊安全隱患進(jìn)行分析并提出防雷保護(hù)措施。

1 煤礦易遭雷擊的原因分析

根據(jù)雷擊的選擇性，空曠地帶和土壤電阻率有突變的地方容易遭受雷擊。煤礦都處于空曠地帶，并且很多煤礦同時(shí)處于巖石和土壤的交界處及土壤電阻率有突變的地點(diǎn)，煤礦礦區(qū)是一個(gè)容易遭受雷擊的地點(diǎn)。

地形對(duì)雷暴的移動(dòng)有以下影響：當(dāng)積雨云遇山地阻擋時(shí)，由于迎風(fēng)面有上升氣流影響，使雷暴在山地的迎風(fēng)面停滯少動(dòng)；當(dāng)積雨云受山脈阻擋時(shí)，雷暴即沿山脈走向移動(dòng)，如山脈有缺口，則雷暴順著山口移動(dòng)。我國大部分地區(qū)山地的東坡、南坡較北坡、西北坡易受雷擊，山地的平地較峽谷容易受雷擊。因此如果煤礦處于上述地帶的話是容易遭受雷擊的。

另一方面煤礦在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤炭粉塵，這些粉塵懸浮在礦區(qū)上方的空氣中，無疑增加了礦區(qū)上方空氣的電導(dǎo)率。當(dāng)雷雨云到達(dá)礦區(qū)上空時(shí)，這些懸浮的粉塵為雷雨云與礦區(qū)大地電場(chǎng)之間提供了有利的導(dǎo)電通道，從而使雷雨云更容易對(duì)地放電，造成地面人員傷亡和設(shè)備損壞。

2 煤礦雷擊安全隱患分析

直擊雷是閃電直接擊在建筑物、其他物體、大地或防雷裝置上，產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力。煤礦的辦公樓建筑主體、炸藥庫、主、副井提升機(jī)房（架）和變電所這些突出地面越高的物體很易遭受雷擊。強(qiáng)大的雷電流通過被擊物體時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，如果在短時(shí)間不易發(fā)散出來，極容易造成金屬被融化，建筑物被炸裂，尤其是通過雷電流流過存放易燃易爆物品的炸藥庫時(shí)，會(huì)引起火災(zāi)或爆炸。

雷電感應(yīng)分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。采用架空供電線路時(shí)，在雷雨天氣由于靜電感應(yīng)架空線路上感應(yīng)的大量電荷形成感應(yīng)過電壓波沖擊煤礦的供電設(shè)備。煤礦里的金屬屋頂或其他導(dǎo)體同樣會(huì)由于雷電靜電感應(yīng)產(chǎn)生過電壓損壞設(shè)備。由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強(qiáng)大的變化的磁場(chǎng)，處在這電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)存在較大環(huán)路且不閉合時(shí)，在開口處容易產(chǎn)生火花和高電壓，引起易燃物品著火、易燃?xì)怏w爆炸和電子設(shè)備損壞。在煤礦的信息系統(tǒng)、供、配電系統(tǒng)和炸藥庫易產(chǎn)生靜電荷和存在較大環(huán)路的部位最容易遭受雷電感應(yīng)的損害。

雷電波侵入的主要途徑有3種：①直接雷擊擊中室外的金屬導(dǎo)線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導(dǎo)線侵入室內(nèi)；②來自間接雷的電磁脈沖在導(dǎo)線金屬體上感應(yīng)產(chǎn)生高電位，然后以脈沖波的形式沿著導(dǎo)線傳播侵入室內(nèi)；③由于云地閃電擊在建筑物上或建筑物附近時(shí)，在地中產(chǎn)生高電位，這種形式的高電位通過零線和接地線侵入室內(nèi)。按照以上的雷電波侵入的主要途徑分析，煤礦容易遭受雷電波侵入的部位是存在較多線路和電子設(shè)備的信息系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、主、副井提升機(jī)房，當(dāng)雷電波侵入脆弱的電子設(shè)備時(shí)極易造成這些設(shè)備的損壞，進(jìn)而引發(fā)生產(chǎn)事故，嚴(yán)重是造成人員傷亡。

雷擊電磁脈沖是閃電通道在先導(dǎo)主放電過程中向外輻射的高頻和甚高頻電磁能量。電磁脈沖主要由傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種方式傳送到被干擾對(duì)象。對(duì)于煤礦而言，雷擊電磁脈沖主要作用于通信系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等信息系統(tǒng)。在井內(nèi)的電子設(shè)備同樣也會(huì)受到干擾或損壞，電磁脈沖可以穿透巖層或者通過井口干擾或損壞井內(nèi)的電子設(shè)備，雖然電磁脈沖在穿透巖層時(shí)有一定衰減，但是其對(duì)井內(nèi)設(shè)備的破壞力還是不容忽視的。雷擊電磁脈沖同時(shí)也可作用于進(jìn)入礦井的各種金屬管道和線纜形成過電壓干擾或損壞井內(nèi)電子設(shè)備，造成瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓，造成生產(chǎn)事故。

煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總。

經(jīng)過以上分析可以將煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總見表1。

表1 煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總

3 煤礦的防雷保護(hù)

現(xiàn)代防雷技術(shù)原則強(qiáng)調(diào)全方位保護(hù),綜合治理,多層設(shè)防，多思路考慮,把防雷作為一個(gè)系統(tǒng)工程來設(shè)計(jì)。表1得出了煤礦的各個(gè)系統(tǒng)和部位主要易遭受何種雷害，以下就煤礦上述各部位和系統(tǒng)如何有效防止主要雷害做了防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1 煤礦辦公樓建筑主體的防雷保護(hù)

一般在煤礦礦區(qū)辦公樓建筑主體是最高的構(gòu)筑物，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的建筑物防雷分類要求，屬第三類防雷建筑物。辦公樓建筑主體應(yīng)沿屋角、屋脊和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)避雷網(wǎng)（帶），并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不大于 20m×20m 或24m×16m的網(wǎng)格。對(duì)于突出屋面的物體，如為金屬物體可不裝接閃器，但應(yīng)就近與避雷帶連接。在屋面避雷帶保護(hù)范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器，和屋面避雷帶連接。如圖1所示。

圖1 辦公樓建筑主體屋面等電位連接示意圖

辦公樓建筑主體直擊雷防護(hù)裝置的引下線及其接地裝置應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于第三類防雷建筑物的相關(guān)要求。

3.2 煤礦信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)

煤礦的信息系統(tǒng)包括通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)，其防雷措施應(yīng)符合《電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的要求。在進(jìn)入信息系統(tǒng)機(jī)房的導(dǎo)電物均應(yīng)在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接。當(dāng)外來導(dǎo)電物、電力線、通信線在不同地點(diǎn)進(jìn)入建筑物時(shí)，宜設(shè)若干等電位連接帶，并應(yīng)就近連到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體或此類鋼筋上。它們?cè)陔姎馍鲜秦炌ǖ牟⑦B通到接地體，含基礎(chǔ)接地體。

信息系統(tǒng)機(jī)房電源系統(tǒng)采用三級(jí)防護(hù)。信息系統(tǒng)信號(hào)線路浪涌保護(hù)器的選擇，應(yīng)根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù)，選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的浪涌保護(hù)器。

圖2 監(jiān)控機(jī)房防雷保護(hù)示意圖

在煤礦井口處將電源線、信號(hào)線分槽布設(shè)，護(hù)套信號(hào)線加套屏蔽金屬管，各條信號(hào)電纜之間作了橫向均壓連接，并將進(jìn)入井內(nèi)的金屬管道、軌道、電纜金屬屏蔽層等均作了等電位連接并接地。在井下信息設(shè)備的終端加裝信號(hào)浪涌保護(hù)器。

3.3 煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)

煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)從直擊雷、雷電波侵入這兩個(gè)方面考慮，其主要防護(hù)部位有變電所、變電所內(nèi)變壓器和輸電線路。

變電所防直擊雷的有效措施就是在變電所安裝避雷裝置，按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，煤礦變電所應(yīng)按第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

變電所內(nèi)的主變壓器最重要，應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。利用變電所母線安裝閥型避雷器，把它接在主變壓器旁邊。在雷電波入侵到主變壓器時(shí)，產(chǎn)生全反射使它們身上的電壓升高，雷電波電壓曲線與閥型避雷器的較平坦的伏秒特性相交，使避雷器動(dòng)作。對(duì)有正常防雷的110～220kV變電所，流過避雷器的雷電流不大于 5kA，在主變壓器沖擊耐壓大于避雷器沖擊放電電壓時(shí)，主變壓器得到可靠保護(hù)。其次要選擇好安裝避雷器的位置，它與主變壓器及其它設(shè)備的距離都應(yīng)小于最大允許電氣距離，當(dāng)一組不滿足要求時(shí)可再增一組。

圖3 電源防雷器整體示意圖

3.4 煤礦炸藥庫的防雷保護(hù)

炸藥庫是煤礦井上最危險(xiǎn)的部位，應(yīng)從防直擊雷和防雷電感應(yīng)兩個(gè)方面考慮。在防直擊雷方面，按照《小型民用爆炸物品儲(chǔ)存庫安全規(guī)范》（GA838-2009）要求，應(yīng)按第一類防雷建筑物的防雷措施設(shè)計(jì)。炸藥庫應(yīng)安裝獨(dú)立的避雷針，為了降低在設(shè)計(jì)中避雷針的高度，建議盡量避免采用單針保護(hù)。在庫區(qū)內(nèi)設(shè)置防雷電感應(yīng)的接地裝置,建筑物的金屬屋頂、金屬門窗、放靜電裝置、視頻監(jiān)控裝置等金屬物,均應(yīng)可靠連接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。防雷電感應(yīng)的接地裝置和電氣設(shè)備的接地裝置可共用,接地電阻不大于10Ω。防感應(yīng)雷部分，主要有監(jiān)控設(shè)施等，其防范措施嚴(yán)格依照《民用爆炸物品儲(chǔ)存庫治安防范要求》（GA837-2009）規(guī)范執(zhí)行，具體做法在前文已有敘述。

3.5 立井提升機(jī)房（架）的防雷保護(hù)

立井提升機(jī)房的防雷級(jí)別按照《煤礦安全規(guī)程》要求屬第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)。

立井提升機(jī)房的防雷電波侵入、雷電電磁感應(yīng)、雷擊電磁脈沖的措施和信息系統(tǒng)機(jī)房的措施大致相同。

立井提升架應(yīng)按第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，立井提升架一般雖為金屬框架，可作為接閃器和引下線使用，但前提是立井提升架本身必須接地良好且雷電流泄放能力足夠好，這就要求其接地面積較大，能夠泄放絕大部分的雷電流入地。同時(shí)要做好纜繩、金屬管道和線纜的等電位連接，相鄰金屬物的跨接處理。

4 結(jié)論

由于煤礦雷電環(huán)境的特殊性,在對(duì)煤礦防雷工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)所設(shè)計(jì)煤礦的地理、地質(zhì)、氣象、環(huán)境、雷電活動(dòng)規(guī)律、保護(hù)對(duì)象的狀況和特點(diǎn)等條件認(rèn)真了解，深入到煤礦進(jìn)行實(shí)地勘察，才能達(dá)到保障煤礦安全生產(chǎn)的目的。本文分析了煤礦的雷擊安全隱患及防雷保護(hù)，雖然比較簡(jiǎn)要，但還是比較全面的。有錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)各位專家、同仁批評(píng)斧正。

[1] 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50057—2010.

[2] 《電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343—2004.

[3] 《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50052—93.

[4] 《煤礦安全規(guī)程》2009版.

[5] 《小型民用爆炸物品儲(chǔ)存庫安全規(guī)范》GA838—2009.

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