浅谈矿井调度中心站电子设备电源的过电压保护

摘要：文章针对一些矿井改造后调度信息中心站的电子设备电源对雷电电磁脉冲十分敏感，根据符合“六大保护”对过压保护要求，结合矿山常见TN-C低压系统的实际情况，介绍了机房通过安装入户屏蔽电缆、分级电涌保护器（以下简称SPD）、等电位等常规措施，使电子设备得到较完善的过电压保护，减少潜在的安全隐患。

关键词：煤矿；矿井改造；调度信息中心站；电子设备电源；过电压保护 文献标识码：A

中图分类号：TM921 文章编号：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

近年来，随着国家对煤矿行业安全监管标准提高，矿井监测监控、人员定位、通信联络等三大避险系统重要敏感信息技术设备常常集中设置在井口附近的调度中心站，该机房通常配置不间断电源（UPS）、稳压、滤波、双回路等措施保障设备的电源安全可靠，有些矿井在改造中忽视了对电子设备电源的过电压保护，电子设备一旦出现过电压时，将考验对这些敏感的电子设备自身保护功能。目前，雷电感应及电磁脉冲对微电子设备的损害呈逐年上升的趋势。因此，适时地采取适当的保护措施，对减少冲击过电压或遭受雷流电磁脉冲的损坏和干扰十分必要的作用。

1 矿井重要电子设备电源的过压保护现状

早期煤矿地面供电通常使用的是TN-C系统方式，这种供电方式在进行安装施工时比较方便，并且这种供电方式能够有效的节约材料，提高供电的经济效益，在总柜后端既能提供380V动力电源又能提供220V照明电源（如图1所示）。

图1

由于升级后电子信息设备往往都设置在配电线路的末端，再加上对过压方面忽视，这种供电方式中可能会出现以下问题：供电线路无重复接地、机房没有等电位连接、单相插座PE保护未接地、避雷插座没有接地泄放通道或通道达不到要求、设备自身对过压保护能力不强、接地电阻偏高等等，这些问题都很有可能导致供电不能正常地进行，甚至会危机人们的生命财产安全。因此，为了及时地降低该供电方式中以上问题的发生概率，必须对电子设备电源的过电压保护系统进行进一步的改造。

2 矿井调度电子设备电源的防过压保护防范措施

2.1 机房局部TN-S供电方式改造

根据《建筑物防雷设计规范（GB 50057-2010）》中的相关规定：当电源采用TN系统时，从建筑物总配电箱起供电给建筑物内的配电线路和分支线路必须采用TN-S系统。

当矿山井口电源采用TN-C系统时，在进入机房建筑物之前应该增加或者利用现有的防雷接地保护系统，将三相四线制改为三相五线制（即将N线分为PE线和N线），供电方式改造成局部TN-S系统（如图2所示），PE线和N线分开后，PE线与N线不能再进行合并，需要注意的是：PE线可以多处接地，但是N线不能再接地。利用就近接地系统可为PE线提供最近泄放通道。

图2

相关注意事项：

TN-C系统进入机房之前用大于15m屏蔽电缆，并严格分为N线和PE线，PE线必须再进行一次接地，电缆屏蔽层两端必须保证有效接地，并严禁将线缆固定在附近的避雷针或者避雷带引下线上。如有专用配变低压电缆出线应尽可能改用直埋敷设的方式，并且电缆一样要将屏蔽层两端接地。

2.2 过电压防护装置的分级配合

根据IEC 61312标准分区防雷、多级保护的理论可知，雷击保护应该采用逐级分流方法，并按照《建筑物防雷设计规范（GB 50057）》规定，建议采用3级（4级）SPD保护，其配置如图2所示。

第一级 防过压保护：对应LPZ0A～LPZ1防雷保护区，应选择开关型SPD（I级试验SPD）开关型，主要泄放开关型SPD（10/350μs）波形直接雷电流，保护耐冲击过电压类型IV类及以下电源系统，安装在总开关位置，电涌保护器的电压保护水平值应选用Up≤2.5kV，在无法确定冲击电流时应该选择Iimp≥12.5kA。其中，典型的SPD参数如下：3极、B级保护、最大放电电流40/60/80kA、其连线铜导线最小截面为6mm2。

第二级 防过压保护：对应LPZ1～LPZ2防雷保护区，应该选限压型SPD（II级试验SPD），主要泄放SPD（8/20μs）波形雷电流，在进入机房用屏蔽电缆后，该SPD安装在终端箱内（此时PE线、N线已经分开）。典型的SPD型号参数如下：4极、C级保护、最大放电电流15/20/30kA、其连线铜导线最小截面为4mm2。

第三级 防过压保护：处于LPZ2或者更高区，安装在机房内单相空开或选择插座位置，适宜选用II级或者III级试验SPD。典型的SPD参数如下：2极、D级保护、最大放电电流为10/20kA、其连线铜导线的最小截面为1.5mm2。

第四级 防过压保护：对应的保护耐冲击过电压类型为I类电源系统，该系统能够对于在微机保护装置或信号设备（LPZ2区和更高区的界面处）进行精细的保护措施，对电子系统应该按照具体情况确定其放电电流，当无法确定放电电流时时应选用1.5kA，或者简单的选择末端专用保护防雷插座、其连线铜导线最小截面为1.2mm2。

2.3 机房内等电位连接

机房内的电子设备应进行等电位连接，即：将各类电子设备的外壳、PE线、金属管路、建筑物钢筋、其他屏蔽构件等统一连接到PE机房内的等电位连接带上，并进行多点连接，并且电子系统不应该再设置独立的接地装置。连接应采用的形式包含以下三种：S型星形结构、M型网形结构或SM混合型结构，根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息系统机房的等级和规模，确定等电位的连接方式。值得注意的是：防雷等电位连接的材料和最小截面积必须要达到国标规范的要求，这样才能有效地降低潜在的安全隐患。

2.4 信号电缆屏蔽及接地

为防止感应雷电压影响，应做各入口、出口全部采用屏蔽信号电线，将两端的屏蔽层可靠接地，并宜埋地敷设。建筑物接地电阻值应达到规定要求。

2.5 保护电子设备的建筑物防直接雷

电子设备机房屋顶需要安装避雷针或者避雷带，这样才能确保防止直接雷。在电子设备机房屋顶安装避雷针或者避雷带时，应该根据第二类防雷建筑物进行精密的计算，对安装中会使用到的闪接器的材料要进行合理的选择，对避雷针或者避雷带的安装高度以及引下线截面等应该严格规范的按照LPZ0A和LPZ0B的相关要求执行。

3 结语

综上所述，本文通过分析当今矿井的实际情况，指出了当今矿井调度中心站电子设备电源的过电压保护中存在的问题，并结合矿井的实际情况，提出了相关的解决方案，应用野外通讯基站、气象站等施工实践，经过电缆屏蔽、TN-C-S局部改造、分流、SPD分级保护和等电位连接等可执行的措施，能够有效的降低过电压的相关危害，进而达到“防雷减灾”的作用，确保矿井机房中重要的且易遭受雷击电子设备电源的安全，促进我国矿产事业持续、安全、稳定的发展。

参考文献

[1] 建筑物防雷设计规范（GB50057-2010）[S].

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB50343-2012）[S].

[3] 王萍.电涌保护器的设置和选用[J].电世界，2004，（7）.

作者简介：潘培庆（1978-），男，漳平煤业供电公司生产办主任，机电工程师。

（责任编辑：王 波）