煤礦自動化控制系統的雷電安全防護策略

汪國祥（煤炭工業合肥設計研究院，安徽 合肥230041）

煤礦自動化控制系統的雷電安全防護策略

汪國祥（煤炭工業合肥設計研究院，安徽 合肥230041）

從實質上來說，煤礦自動化控制系統是利用弱電體系來監管強電設備的一種形式，其也是目前現代化改造和煤礦生產的最終目標。而弱電體系只具備較低的防護雷電的能力，當發生雷擊之后，除了會給自動化控制系統本身造成一定的損害之外，還極易因為自動化控制系統的失靈而造成更為嚴重的煤礦生產安全事故，造成財產損失甚至人員傷亡。所以，對于煤礦自動化控制系統的雷電安全防護策略進行探討具有重要的現實意義。

煤礦；自動化控制系統；防護

引言

大氣中劇烈的自然放電現象稱為雷電，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，主要有機械效應、熱效應以及電效應破壞，尤其是因此形成的電磁輻射給弱電設備帶來的損壞越來越嚴重。而煤礦礦區大多數都位于山區或空曠地帶，經常容易發生雷擊事故，礦井綜合自動化控制系統在安全生產中發揮著極其關鍵的作用，而煤礦安全生產中的防護煤礦雷電的設施卻未得到重視，加大探究煤礦自動化控制系統的雷電安全防護非常有必要。

1 煤礦自動化控制系統雷電安全防護的重要性

煤礦自動化控制系統是弱電體系，只有較低的抗擊雷電的能力，縱使建立了屏蔽設備仍然極易產生感應影響，而煤礦自動化控制系統在煤礦的安全生產中發揮著極其關鍵的作用。雷電會極大地影響煤礦本身的安全和運營，所以更應當系統地探究煤礦自動化控制系統的雷電安全防護。

（1）煤礦自動化控制系統的雷電安全防護可以使煤礦的安全生產實現有效地提升。煤礦自動化控制系統與煤礦生產的各方面都緊密相關，譬如保障排水和通風、檢測危險環境以及監控視頻等多個與安全生產有關的部分都必須依靠煤礦的自動化控制系統。而建立雷電防護體系可以使以上設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的雷電安全防護可以使煤礦的正常生產得到有效地確保。煤礦生產必須擁有很強的生產連續性，而建立煤礦自動化控制系統也正是出于對效能和連續性的考慮。健全的雷電防護體系可以有效地避免氣象風險引發的煤礦停工或停產，從而使生產的連續性得到有效的確保。

（3）煤礦自動化控制系統的雷電防護可以使系統本身的損壞風險得以有效地減小。煤礦自動化控制系統屬于弱電系統，它本身的系統承載力非常有限。當出現雷擊事件時，由于煤礦自動化控制系統中處理和儲存數據的設備以及傳輸信號的網絡都沒辦法承受強大的電壓和電流，所以，極易出現熔斷熱效應或擊穿等情況，從而導致有關的設備完全損壞，造成大規模的損失。

2 煤礦自動化控制系統的雷電安全防護策略

2.1 防護直擊雷的策略

第一類防護雷電的部分一定要將接閃線或網架空，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。而第二類防護雷電的部分除了可以借助建筑設備架構接閃器之外，也可以對單獨的接閃器加以安裝，還可以應用與GB50057-2010自然接閃器規格要求相符合的結構設施來當作防雷設施。接閃器只能保護被三維空間包圍的區域。

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

2.2 電源系統防護雷電的策略

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。本文以某煤礦自動化控制系統為例，對具體的雷電安全防護策略進行了分析和介紹。

2.2.1 煤礦地面電源設備防護雷電的策略

電源系統選用TN-S系統的接地制式，且選用的是四級保護，圖1為煤礦自動化控制系統中地面電源系統的防雷設計。以下是電源避雷器的選取情況：

圖1 煤礦自動化控制系統中地面電源系統的防雷設計示意圖

（1）電源一級防護。應當選擇波形是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級電源電涌保護器，并確保感應雷擊過電壓不超過6kV。

（2）電源二級防護。針對TN系統電源的第二級雷電防護，應當選擇波形為8/20μs、通流容量為60kA每線的電源電涌保護器，并確保線路殘余感應雷擊過電壓不超過4kV。

（3）電源三級防護。應當選擇波形為8/20μs、通流容量為20kA每線的電源電涌保護器，并確保感應雷擊過電壓不超過2.5kV。

（4）電源末級防護。根據設備的具體的狀況，應當選擇波形為8/20μs、通流容量為20kA的插座型電源電涌保護器，并確保感應雷擊過電壓不超過1.5kV。

（5）后備電源UPS。應當將相應的直流電源電涌保護器并聯安置于后備電源UPS線路的前端。

2.2.2 井下電源設備防護雷電的策略

因為井下供電系統電源線路具有特殊性，在對避雷器進行選擇時應當對以下幾方面加以充分考慮：

應當將對應等級的避雷器安置于電源線路各級變配電系統的前端，安置避雷器的要求應當參考安置地面電源設備避雷器的要求。

SPD的啟動電壓、漏電壓、殘壓以及能量配合等參數的選取是一個十分關鍵的環節，譬如，660V供電的電源系統不可對常規啟動電壓560V的避雷器加以選取，不然避雷器會一直處在導通狀態，保護電器將會跳斷電源，進而導致生產供電出現不正常現象。

SPD保護必須是多級的，可將高壓防爆專用避雷器安裝于采區變電所、井下中央變電所以及礦井地面變電所的前端。如果礦區時常會出現雷電現象，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中井下電源設施的雷電防護設計示意圖。在SPD能夠對各級所需的理論計算放電電流加以滿足的基礎上，為了使SPD的可靠性得以確保，必須對一個數量級通流量的SPD加以選取。

圖2 煤礦自動化控制系統中井下電源設施的雷電防護設計示意圖

防護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行接地處理。

2.3 監控系統防護雷電的策略

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安置于分站總線進線的前端。針對井下監控分站和主控接口連接的線路，必須將對應主控端接口形式的避雷器（RS232/RS422/ RS485等）信號SPD2安置于主控接口設備的前端。針對主控接口和計算機主機相連的線路，應當將對于適應接口形式的主機避雷器信號SPD3安置于主機的前端。最后再依據各服務器和交換機的重要性，將SPD4恰當地安置于前端。圖3為煤礦綜合自動控制系統雷電防護設計。SPD建議采用經過認證的世界知名品牌的元器件，并確保其擁有靈敏的反應、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定的性能等。

圖3 煤礦綜合自動控制系統雷電防護設計

另外，必須將端口數目相當且接口型號一致的多端口信號浪涌保護器安置于各臺交換機的前端，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，且必須擁有較快的自動恢復和響應動作、較低的殘壓水平、較小的插入損耗、緊湊的機構以及安裝的便捷性，此外，其還必須與綜合布線的需求相對應，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應用，還必須具備抗干擾能力，保障設備能夠穩定的運行。

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，同時應當盡量確保連接線直且短。

2.4 防護靜電的對策

倘若在煤礦高瓦斯、高粉塵的工作場所中發生靜電放電，必將引發非常嚴重的安全事故，因此必須高度重視防護煤礦靜電工作。根據煤礦的安全規章制度，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筒等。

3 結語

煤礦自動化控制系統能夠有效地提高煤礦生產的安全性，減少安全事故發生的幾率，同時提高煤礦生產的效能。煤礦自動化控制系統除了必須整合強電系統之外，還必須對健全的弱電網絡加以建立。在此種情形之下，煤礦自動化控制系統只有較低抵抗雷電的能力，倘若不將防護雷電的工作落實好，除了會對煤礦自動化控制系統的正常運行造成影響之外，還極易導致出現更為嚴重的安全事故。

[1]張華明，張義軍，劉耀龍，李 強，胡俊清，楊世剛.煤礦雷電災害特征及防御研究[J].煤炭科學技術，2013（S2）.

[2]《建筑物電子信息信息系統防雷技術規范》（GB50343-2012）.

[3]劉 雋，黃巖彬，楊先和.爆炸和火災危險環境雷電防護安全評價方法淺析[J].民營科技，2010（11）.

[4]張軍利.淺析煤礦自動化發展現狀和應對策略[J].電子世界，2013（14）.

TM862

A

2095-2066（2016）22-0034-02

2016-7-10