尾礦庫安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的防雷接地設(shè)計(jì)

歐陽偉，徐瑋環(huán)

（1.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西贛州341000；2.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

尾礦庫安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的防雷接地設(shè)計(jì)

歐陽偉1,2，徐瑋環(huán)1

（1.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西贛州341000；2.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

雷電通常通過交流電源線、信號(hào)線、地電位反擊等方式入侵電子信息設(shè)備,從而對(duì)信息設(shè)備造成破壞。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中新的防雷接地設(shè)計(jì)要求,對(duì)尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,提出采用生物菌降阻新技術(shù)，可有效降低其接地電阻阻值,為電子設(shè)備防雷接地設(shè)計(jì)提供有力保障。

電子信息設(shè)備；防雷設(shè)計(jì)；保護(hù)接地;生物菌降阻

對(duì)于目前使用越來越普及、工藝越來越精密、靈敏性高、抗壓、抗干擾能力低的各類電子信息設(shè)備而言,很容易受到雷電入侵的損害。為了保障電子設(shè)備在遭受雷擊后不被損壞,而且還能正常運(yùn)行,必須采取相應(yīng)的防雷接地保護(hù)措施。江西銅業(yè)公司德興銅礦處于多雷區(qū),年平均雷暴日數(shù)為83天,最多年份為90天。每年雷雨季節(jié)來臨時(shí),礦區(qū)時(shí)常會(huì)發(fā)生因雷擊造成的生產(chǎn)和生活供電設(shè)施的破壞。尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了大量的集成電子設(shè)備,主要有尾礦庫各個(gè)不同方位的視頻監(jiān)測(cè)、主壩和副壩的落地機(jī)柜、副壩無線網(wǎng)橋以及各觀測(cè)房監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。這些電子信息設(shè)備普遍裝置在野外桿頂上或野外突出建筑物中,與周邊環(huán)境相比,更容易遭受雷擊,從而導(dǎo)致信息設(shè)備破壞,安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)癱瘓。本文擬從雷電侵入電子信息設(shè)備的方式入手,對(duì)尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 雷電波入侵電子信息設(shè)備的方式

雷電波主要分為直擊雷與感應(yīng)雷這兩種形式。通常直擊雷發(fā)生的幾率比較小[1],但直擊雷放電迅速，會(huì)給目標(biāo)造成嚴(yán)重的損壞。感應(yīng)雷是雷云與地面之間的放電在傳輸導(dǎo)線上產(chǎn)生了電磁感應(yīng),對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生了干擾。雖然感應(yīng)雷的損壞強(qiáng)度達(dá)不到直接雷的損壞強(qiáng)度，但對(duì)于靈敏性高的電子設(shè)備來說也足以造成干擾。雷電波對(duì)弱電設(shè)備的入侵主要是通過設(shè)備的電源線、信號(hào)線以及控制線等傳輸導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)。雷擊發(fā)生時(shí),通常會(huì)在雷擊點(diǎn)周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場,對(duì)附近的電子設(shè)備造成干擾,這種形式的干擾稱為近場耦合干擾。還有一種情況是雷電以電磁波的方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)方,對(duì)遠(yuǎn)方電子設(shè)備進(jìn)行干擾,即遠(yuǎn)場輻射干擾。

1.1 通過交流電源線入侵設(shè)備

通常電子設(shè)備的電源提供主要由室外架空電力線路輸入來供應(yīng)。雷擊架空線路的幾率比較大，一旦線路遭到雷擊，高壓線就會(huì)通過電容耦合的方式，把雷電脈沖傳輸?shù)骄€路低壓側(cè)，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行破壞。與此同時(shí)，低壓線路也可能存在被直擊雷擊中或感應(yīng)出過電壓的現(xiàn)象,由220 V的電源線上產(chǎn)生的過電壓對(duì)電子設(shè)備造成損害,是電子信息設(shè)備發(fā)生雷擊事故的主要原因[2]。

1.2 通過信號(hào)線入侵設(shè)備

雷電波通過信號(hào)線對(duì)電子設(shè)備入侵情況主要可分為以下3種：1)通常在平坦的地面上有明顯突起物遭受雷擊侵害時(shí),雷擊的強(qiáng)度可以把土壤擊穿,然后入侵其導(dǎo)線外皮，接著擊穿導(dǎo)線外皮侵入導(dǎo)線芯線,最后可在其芯線上感應(yīng)出過電壓。2)當(dāng)有電力設(shè)備周圍發(fā)生雷電現(xiàn)象時(shí),由于雷云對(duì)地的放電在其上感應(yīng)出強(qiáng)大的過電壓,導(dǎo)致電子信息設(shè)備的通信線和接口上也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的過電壓從而造成損壞,如擊壞調(diào)制解調(diào)器、驅(qū)動(dòng)接收器和通信單元等。過電壓甚至可能入侵系統(tǒng)內(nèi),對(duì)下一級(jí)電路造成損壞。3)當(dāng)有兩根導(dǎo)線平行傳輸時(shí),兩根導(dǎo)線間也會(huì)有感應(yīng)電壓的問題。在系統(tǒng)內(nèi)部線路中，線路用途的使用性需要把不同用途的線路用一根電纜傳輸,這樣當(dāng)其中一根導(dǎo)線被雷電入侵時(shí),也必定會(huì)在鄰近導(dǎo)線上感應(yīng)出過電壓,具有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),其通信線入侵雷電過電壓平均有5 kV,有的甚至高達(dá)幾十千伏。

1.3 通過地電位反擊入侵設(shè)備

當(dāng)雷電擊中現(xiàn)場裝置的避雷針時(shí),雷電強(qiáng)度的雷電流會(huì)在雷電泄放入地過程中,在土壤周邊形成半球形的電位,這時(shí)如果設(shè)備采用的接地方式為獨(dú)立接地,則地電位的反擊就會(huì)把電子設(shè)備擊穿。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在雷電泄放中只有50%的雷電流被泄放入地,還有50%的雷電流將平均分?jǐn)偟浇ㄖ飪?nèi)的各設(shè)施中,所以有效的接地是釋放雷電突襲的最佳方式之一。

2 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的防雷接地設(shè)計(jì)

對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備的防雷接地,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的重點(diǎn)是其設(shè)備所在建筑物的防雷等級(jí)判斷、防雷接地電阻要求等級(jí)和接地降阻所用材料3個(gè)方面。

2.1 電子設(shè)備所在建筑物防雷等級(jí)

根據(jù)相關(guān)防雷規(guī)范得知，建筑物防雷等級(jí)需要得知其所在地的預(yù)計(jì)年雷擊次數(shù)，公式如下：

式中：N表示建筑物的年雷擊次數(shù),次;Ng表示建筑物地段的預(yù)計(jì)年平均密度,次/km2;Ae表示建筑物接收次數(shù)一樣雷擊數(shù)的等效面積,km2;k表示其校正系數(shù),通常情況下為2。

通過現(xiàn)場的測(cè)量計(jì)算與查閱相關(guān)防雷規(guī)范可以得知,選礦廠控制室的防雷等級(jí)屬于2類[3]。在防雷接地裝置中,接地電阻阻值越小,其耐雷電波沖擊后接地電壓降就越小,防雷性能就越好。根據(jù)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),控制室電子設(shè)備的防雷接地裝置與其建筑物的強(qiáng)電防雷接地裝置相隔不遠(yuǎn),這勢(shì)必要建立公共地網(wǎng),采取聯(lián)合接地的方式以防雷。所以從中心監(jiān)控機(jī)房弱電保護(hù)需要考慮,應(yīng)把防雷等級(jí)提升為一類,要求接地電阻阻值<1 Ω。

2.2 防雷接地采用的降阻技術(shù)

降低接地阻值的方法有很多,如水平外延接地、深埋式接地極、爆破接地技術(shù)、降阻劑等。目前,降阻劑主要分為化學(xué)降阻劑和物理降阻劑兩大類,本文采用的生物菌降阻技術(shù)[4]屬于化學(xué)降阻劑一類。生物菌降阻劑是由膨潤土、生物菌和水組成,其特點(diǎn)就是以電解質(zhì)為主要成分,利用膠凝物對(duì)金屬具有的強(qiáng)親和力,有效地減少水分與電解質(zhì)的流失。降阻劑中的電解質(zhì)成分會(huì)在有電流流過時(shí)充分電解,以滲透的方式改善土壤產(chǎn)生樹枝狀分叉形的導(dǎo)電回路,擴(kuò)大接地體與土壤的有效面積,從而加快回路電流中的分流，從而達(dá)到降低接地阻值的效果。表1為加生物菌與不加生物菌的膨潤土電阻率變化。

表1 加生物菌與不加生物菌的膨潤土電阻率

由以上分析可知,使用生物菌降阻技術(shù)能有效地降低其土壤電阻率,對(duì)防雷接地模塊有很好的降阻作用。

2.3 接地電阻的計(jì)算

接地網(wǎng)主要由垂直接地體與水平接地體組成,每個(gè)接地體的阻值與接地體的埋地深度、長度、寬度、直徑、所處地的土壤電阻率等都有關(guān)系[5],其垂直接地體與水平接地體的電阻計(jì)算公式分別式(2)、式(3)。

根據(jù)實(shí)際情況與現(xiàn)場測(cè)量,該區(qū)域的土壤電阻率為185 Ω·m左右,要把接地電阻降到1 Ω以下,需要26個(gè)接地極的組合網(wǎng),如圖1所示。垂直接地極用圓鋼,長度為2.5 m。水平接地體用扁鋼,垂直接地極之間用扁鋼連接,之間相間7 m,深埋0.5 m。

圖1 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的防雷接地示意

接地網(wǎng)采用了生物菌降阻技術(shù),其降阻效率能使其土壤電阻率降下一倍,根據(jù)現(xiàn)場接地網(wǎng)安裝數(shù)日后測(cè)量得其接地電阻＜1 Ω,證實(shí)了其防雷接地工作的有效性,為其防雷保護(hù)做有力保障。

3 結(jié)語

在防雷工程當(dāng)中,不管是對(duì)直擊雷的預(yù)防還是對(duì)感應(yīng)雷的預(yù)防,都與其接地電阻有密不可分的關(guān)系。防雷接地工作的可靠性直接影響到其裝置設(shè)備的防雷能力。防雷接地阻值越小，泄放雷電流的能力就越強(qiáng),同時(shí)限制被保護(hù)物上的雷電過電壓,也能保護(hù)其設(shè)備不被雷電所侵害。

[1] 陳洪濤.TD_SCDMA無線通信系統(tǒng)中基站設(shè)備的防雷與接地設(shè)計(jì)[J].移動(dòng)通信,2006(10):85-88.

[2] 徐瑞亞,張智瑋.電子信息設(shè)備的防雷接地系統(tǒng)[J].低壓電器,2009 (6):47-50.

[3] GB50343-2010,建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 歐陽偉,杜曉春.生物菌接地降阻技術(shù)在高土壤電阻率地段的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2010,31(4):25-26.

[5] 劉丙江.實(shí)用接地技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2012.

Lightning Protection Grounding Design of Tailings Safety Monitoring Device

OUYANG Wei1，XU Weihuan2
(1.Institute of Electri
cal Engineering and Automation in Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou, Jiangxi 341000,China;2.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Thunder always invade electronic information equipments through AC power line,signal line,earth potential counterattack so as to cause damage to these devices.According to new lightning protection designing criterion from relevant national standards,probe into the lightning protection designing of tailing online monitoring system.Propose that carry out biological bacterium resistance reduction technology,which can effectively reduce the grounding resistance and powerful guarantee for electronic equipment lightningproof grounding design.

electronic information equipment;lightning protection design;protect the earth;biological bacterium resistance reduction

TU856

B

1004-4345(2014)04-0015-03

2014-06-06

國家科技支撐計(jì)劃課題(編號(hào):2012BAK09B04)。

歐陽偉(1955—),男,教授級(jí)高工,主要從事電網(wǎng)配電及其自動(dòng)化研究工作。