煤矿综合防雷技术探讨---论文

 煤矿综合防雷技术探讨

——岱庄煤矿综合防雷技术的探索及应用

-----济南雷讯防雷工程有限公司总工  李小华  张宁

一、煤矿防雷技术研究的重要意义

雷电是一种强烈的大气放电现象，自古以来就是威胁人类生命财产的一大自然灾害。长期以来，防雷保护都是一个重要的问题。

雷电对煤矿生产的影响主要是对配电设备、信息设备和现代化生产设备的影响。

（1）、雷电对配电设备和用户设备的影响。在雷雨季节，经常因雷害事故引起损坏，如绝缘子击穿或爆裂、配电线路断线、避雷器爆裂，造成大面积停电，严重的情况下甚至造成人身伤亡等，给煤矿生产和安全带来巨大的损失，同时给人们日常生活也带来了很大的不便。在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击配电线路引起的故障率是很高的。配电线路能否安全、可靠地运行，不但直接关系到煤炭企业用电的畅通，用电人员的安全，而且涉及到煤矿电力系统能否正常的运行。

（2）、雷电对煤矿现代化设备的影响。雷击时由于雷电过电压产生的雷电过电压干扰、雷电过电流干扰、静电干扰等会对自动化设备中的电子元件造成很的影响，使其无法正常的工作。近年来，也经常发生因雷电造成微机保护和综合自动化系统模块损坏，使得微机保护产生了误动或者拒动，给煤矿生产带来了巨大的安全事故和经济损失。

由上述两点可以看出，煤矿电网防雷技术的研究是符合煤矿安全生产需求的，是十分必要的。我们需要用科学的方法对煤矿电网防雷技术进行研究，提出煤矿防雷措施，以此来降低雷击跳闸率，减少配电网雷击损坏率，减轻电子元件受到的干扰，最终提高配电网供电的可靠性，确保煤矿生产安全经济的运行。

二、雷电过电压造成的危害

随着科学技术的迅速发展和煤矿现代化管理水平的提高，各种先进的测量仪器、保护监控装置、通信装置和计算机电子产品在煤矿中得到了广泛的应用。这些微电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低、过电压耐冲击能力差等致命弱点，一旦受到电磁脉冲或雷电电流的冲击，轻则会造成这些电子设备或系统运行中断，重则导致这些电气设备和通信设备永久性的损坏。

这些设备是煤矿安全生产、自动检测和信息传输不可缺少的仪器和设备，如果不能正常工作，会给煤矿安全生产带来不可估量的直接或间接的经济损失，同时还会造成一系列不利的影响。

雷电造成的危害主要是直击雷和感应雷造成的。

2.1、直击雷的危害

雷电放电主通道，通过被保护物，被保护物被直击雷击中。如果电力系统设备或电力系统所在的建筑物被雷电直接击中，就会带来巨大的损失，如电子、机械设备的损坏，人员的伤亡。

直击雷电过电压的破坏作用表现如下几个方面：

（1）、在数十万至数百万伏的冲击电压下，毁坏发电机、电力变压器、断路器、绝缘子等电器设备的绝缘可能被破坏甚至被直接击穿，可能会引起一些短路故障，导致火灾、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等更严重的灾害事故；

（2）、烧断电线或劈裂电杆，造成大面积停电，给用户带来很大的不便，给企业单位造成经济损失；

（3）、还可能会导致高压窜入低压，引起严重的触电事故，造成人身伤亡；

（4）、巨大的雷电流流入地下时，会在雷击点及其连接的金属部分产生很高的接触电压或跨步电压，造成触电危险。跨步电压是雷电击中地面，雷电流泄入大地并在土壤中散流开，由于土壤电阻率有一定分布，雷电流在地面上各点间就出现电位降，靠近雷击点，电流密度越大，电位降也就越大。如果人站在或行走在落雷点附近，在两脚间的电位降可使雷电流通过两脚和躯干的下部，人就会被击伤。这两脚间的电位降叫“跨步电压”。

2.2、感应雷的危害

雷电放电主通道，没有经过被保护物，但放电过程中在附近的导体中产生强大的瞬变电磁场感应到电磁脉冲，称为LEMP，即感应雷。

LEMP可通过两种不同的感应方式侵入导体：静电感应和电磁感应。

静电感应，就是在雷云中电荷积聚时，就近的导体会感应相反的电荷，当雷击放电时， 雷云中电荷迅速释放， 而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释放通道， 就会在电路中形成 LEMP；

电磁感应，即在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场， 附近的导体中就会产生很高的感应电动势，在电路中形成LEMP。

LEMP 沿导体传播， 损坏电路中的设备或设备中的器件。由于LEMP 可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。而电力系统与外界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生 LEMP，并沿电缆传入电力系统。所以防雷是电力系统过电压的重点。为了确保电力系统和人身的安全，对雷电过电压必须采取相应的防雷保护措施。

三、综合防雷系统

现代建筑，采取综合的防护措施，即对一切有可能引进雷电流通道根据其雷电能量分别采用接闪、分流、均压、屏蔽、接地等手段，对建筑物及其内电子设备进行全方位保护。

接闪(Air-termination)：雷电的第一道防线是采用避雷装置拦截闪电。避雷装置拦截雷电的原理是利用接闪器吸引其附近的雷云放电，并将雷电流通过引下线和接地装置传导入地，把雷电的能量耗散到地下，从而保护地面上的建筑物。

均压（Bonding）即均衡连接或等电位连接。为了避免雷电暂态电流路径与附近金属物体之间的击穿放电，需要对建筑物内的各种金属构件进行等电位连接，即将建筑物内的设备、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电气上连续的整体，这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差，使得它们彼此之间等电位，并维持在地电位水平，这就是均压措施。                                       

分流（Dividing）就是在一切从室外来的导线（包括电源线、信号线、电话线等等）与接地体或接地线之间并联一种防雷保护器（或称电涌保护器、防雷器，SPD），当直击雷或感应雷在室外线路上产生的过电压循着这些导线进入室内时，防雷器短路，雷电流由此分流入地。防雷器可由放电间隙、气体放电管、压敏电阻、半导体放电管、滤波器、保险丝等元器件混合组成。根据不同的防雷要求，可分为电源防雷器、信号防雷器、天馈线防雷器和接口防雷器等。

屏蔽（Shielding）就是用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，把雷电电磁脉冲从空间入侵的通道全部阻断。如传输信号的电缆外皮采用金属网箔、设备外壳采用金属外壳、机房采用金属笼网等，都是用来屏蔽空间电磁脉冲干扰的措施。

接地（Grounding）是分流、泄放直接雷击和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一。目的就是把雷电流通过低电阻的接地体向大地泻放，从而保护建筑物、人员和设备的安全。这种接地称为防雷接地。在电子设备和电子系统中，还涉及到工作接地、保护接地、以及它们与防雷接地系统之间如何连接、它们与电力接地系统之间如何连接等问题。

四、综合防雷实施方案

4.1、设计说明

4.1.1、设计依据

1、GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》

2、GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

3、GA 267-2000 《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》

4、GA 173-1998 《计算机信息系统防雷保安器》

5、IEC 1312-1，2 《雷电电磁脉冲的防护》

6、IEC 61643，1998 《低压供电系统中的过电压保护器》

7、GB 50174-93 《计算机机房防雷设计规范》

8、YD/T1235.1-2002 《通信局站低压配电系统用电涌防护器技术要求》

9、GB2887-2000《计算机场地安全要求》

10、GB50054-95《低压配电设计规范》

11、GB3482-3483-83《电子设备雷击试验》

4.1.2、实施原则

（1）、预防为主，安全可靠原则。将直击雷防雷措施与感应雷防雷措施协调统一，进行全面规划，使电源、信号系统安全、可靠、稳定运行，最大限度的减少雷击灾害。

（2）、技术先进，经济合理原则。应根据产区特点，在技术先进和经济合理的前提下作出恰当选择，尽量减少投资。

4.2、具体处理措施

4.2.1、办公楼雷电防护措施

4.2.1.1、办公楼楼顶直击雷防护

富兰克林避雷针称为传统避雷针，它在接闪后，其引下线的雷电流大，雷电脉冲的前沿陡度高，它的二次雷击效应严重，地电位高，会对现代信息系统电子设备产生较为严重的破坏和影响，随着社会的发展，信息时代的到来和实践的不断深化，它的局限性也越显露了出来。

雷讯优化避雷针采用提前放电、气隙箝位等综合技术，明显地改变了雷电流的放电过程。扩大了避雷针的保护范围，雷电波形展宽、波头平缓、幅值降低，其衰减倍率K≥33，从而有效地抑制、削弱地电位反击、侧击雷和二次雷击效应造成的危害，克服了传统避雷针的局限性和主要弊病。该产品的特点：具有传统避雷针的承接雷电和疏导入地的特长，又能有效的扩大避雷针的保护范围，使入地雷电流的幅度和波头陡度同时降低，雷击危害减到最小。产品的雷电通流大，衰减倍率高，造型美观，具有装饰性。

产品选型

避雷针选型：雷讯LXU-Ⅲ-3A2 阻抗限流型优化避雷针

数量：1支

安装方式：架杆安装

作用：直击雷防护

4.2.1.2、电源线路保护

（1）、第一级保护措施

在1楼总配电双路电源引入总开关处安装济南雷讯LXM-160/4(共2台)作为第一级防护： 

选型：三相电源防雷模块 LXM-160/4

用量：2套。

安装位置：1楼总配电双路输入端。

连接方式：并联。

作用：泻流防护。

（2）、第二级电源保护

在办公楼1-5层分配电箱、二楼机房电源室2台UPS电源输入侧，一楼监控UPS输入侧安装济南雷讯LXM-80/4防雷器各2套。

选型：三电源防雷模块 LXM-80/4

用量：14套。

安装位置： 办公楼1-5层分配电箱、二楼机房电源室2台UPS电源输入侧，一楼监控UPS输入侧

连接方式：并联。

作用：泻流防护。

（3）、第三级电源保护

在二楼机房电源UPS输出开关、行政机房配电箱、1楼监控机房UPS输出端、1-5层网络交换机电源端口处安装济南雷讯LXM-40/4防雷器各1套。

选型：三电源防雷模块 LXM-40/4

用量：9套。

连接方式：并联。

作用：限压防护。

（4）、末级电源保护

在二楼数据机房机柜处，行政机房机柜处、1楼监控机房机柜处重要设备设计防雷集中控制单元。

安装：济南雷讯LXC-10/6PT/220J机柜防雷插座 30套。

选型：机柜专用防雷集中控制单元 LXC-10/6PT/220J

安装位置: 监控屏、网络机柜处

作用:限压保护

4.2.1.3、信号线路保护

（1）、网络交换机线路

在数据机房内核心网络交换机信号线端口处加装1000M 24口交换机避雷器。

选型：LXXH-RJ45-E1000/24PT

数量：2台

作用：保护网线端口，泄放感应雷电流。

在数据机房2台24口网络交换机和1-5层层24口网络交换机、及监控机房交换机信号线端口处加装100M 24口交换机避雷器。

选型：LXXH-RJ45-E100/24PT

数量：8台

作用：保护网线端口，泄放感应雷电流。

（2）、视频线防护

在1楼监控机房视频线设备端口处安装天馈线避雷器。

选用产品：济南雷讯 LXXM-BNC-E10

安装方式：串联

作用：泄放视频线路引入雷电流。

数量：32个

（3）、主控室RS232控制信号线防护

在中控机RS232信号线端口处加装LXXL-1J-24控制信号避雷器

数量：1 只

作用：保护控制线端口，泄放感应雷电流。

4.2.1.4、等电位系统

A、在机房配电箱附近设等电位连接排，选用40*4铜排，在机房各合适位置铺设等电位连接端子板，并用铜芯电缆相连通，将防静电接地、设备保护地、防雷接地就近与其连接。

B、所有进出机房的电缆屏蔽层、电缆金属外皮、金属管道、玻璃幕墙金属框架铝合金门窗、以及进出机房的其他所有金属物体，均就近与等电位连接带连接。

4.2.1.5、接地系统

（1）、制作机房接地装置接地体

接地体采用机房专用石墨接地模块，用济南雷讯LXD-II-1。

水平连接线采用40*4镀锌扁钢。

垂直接地体间距为1-2米，但当空间不允许时可根据实际情况适当缩小。

接地体之间所有焊点均应进行防腐蚀处理。

接地装置的焊接长度：圆钢直径的6倍。

接地体埋深，其上端距地面应不小于0.5米，在寒冷地区，接地体应埋设在冻土层以下。

接地坑回填土壤。

（2）、接地引入线

接地引下线长度应不超过30米。

材料为BVR25平导线。

（3）、接地电阻小于4欧姆。

4.2.2、主副井处理措施

4.2.2.1主副井架直击雷防护

产品选型

1、避雷针选型：雷讯LXU-Ⅲ-3A2 阻抗限流型优化避雷针

数量：2支(主副井各一支)

安装方式：架杆安装

作用：直击雷防护

4.2.2.2、电源系统

1.1、在主副井总电源双路输入侧各加装2套济南雷讯LXM-160/4一级避雷器；

数量：4套

安装位置：主副井总配电双路输入端。

连接方式：并联。

作用：泻流防护。

1.2、在PLC控制室、直流调速、控制室双路电源输入侧各加装2套济南雷讯LXM-80/4采取（防雷）第二级避雷器。

数量：12套

安装位置：主副井PLC控制室、直流调速、控制室双路电源输入侧。

连接方式：并联。

作用：泻流防护。

1.3、在PLC控制柜2台UPS、开关电源柜、调速器、直流调速器、2号整流柜、控制室信号柜、数字监控器柜、操作台电源侧加装济南雷讯LXM-40/4第三级避雷器。

数量：18套

连接方式：并联。

作用：泻流防护。

1.4、在控制室操作间重要设备前端加装末级防雷集中供电单元济南雷讯LXC10-6PT/22OJ。

数量：10套

4.2.2.3、信号系统

在信号柜RS232信号端口出加装济南雷讯LXXL-DB9-E10专用信号避雷器。

数量：2只

在PLC控制线路信号端口出加装济南雷讯LXXL-1J-24K 4-20MA信号避雷器。

数量： 160对

在监控信号传输侧假装济南雷讯LXXH-RJ45-E100信号避雷器。

数量：12只

五、防雷项目的特点及技术先进性

5.1、项目特点

（1）、将外部防雷措施与内部防雷措施集于一体，形成了综合防雷系统，运行稳定，安全可靠。

（2）、性能指标具有较大富余量。本系统所采用的雷讯公司避雷器，其冲击性能的实际值均较其标称值富有高达50%的余量，部分指标按中国信产部标准检测其富余量甚至高达100%。

（3）、实用性强，维护工作量少，具有明显的社会效益和经济效益。

5.2、项目核心技术

（1）、产品工艺的安全性

本项目所选用的雷讯避雷器同比其他产品具有以下明显优点：

①、采用阻燃环氧树脂全封装结构，防止过热起火；

②、氧化锌阀片与脱扣装置之间另加一层阻燃材料以加强绝缘性能，同时防止因氧化锌片过热变形影响脱扣装置正常工作；

③、氧化锌阀片至防雷模块端子之间采用一体式铜片电极进行连接，减少线路的电感量，使设备的残压与同类品牌的功效相比为最低；

④、更少的连接点以减少线路阻抗和增加可靠性；

⑤、更优质的弹簧保证脱扣装置的可靠性；

⑥、脱扣焊点电脑机械控制，保证脱扣温度的一致性，防止因不能脱扣引起的过热起火，或脱扣过早使防雷器损坏频繁，二次雷击时不能起到防护作用，同时也加大维护的工作量。

（2）、产品设计的科学性

雷讯防雷器或防雷箱的连接方式均设计为凯文式接线，此举可以大大降低设备端的压降。

5.3、项目的先进性

（1）、可实现对系统的全面保护

正如前面所述三条雷击途径，采用本防雷处理后，不但完善了直击雷防护，而且也对电源、信号和地电位反击进行了全面的保护，从而全面的预防了雷击的途径。

（2）、具有明显的性价比优势

雷讯系列防雷器，在同类产品中价格是比较低的，而其性能和设计又明显高于其它产品，岱庄煤矿防雷项目的造价和性能足以说明这一点。

（3）、系统易于扩展

岱庄煤矿防雷项目具有独特的模块式叠加式结构，可以很方便的扩展信号部分，对于以后业务的扩展，信号线路的增加有很大的方便性和向后兼容性。

（4）、系统抗干扰能力强

由于信号系统采用的波导分流技术具有独特的滤波功能，可消除99.7%的电磁干扰、射频干扰和其它日常干扰。