煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略

汪国祥（煤炭工业合肥设计研究院，安徽 合肥230041）

煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略

汪国祥（煤炭工业合肥设计研究院，安徽 合肥230041）

从实质上来说，煤矿自动化控制系统是利用弱电体系来监管强电设备的一种形式，其也是目前现代化改造和煤矿生产的最终目标。而弱电体系只具备较低的防护雷电的能力，当发生雷击之后，除了会给自动化控制系统本身造成一定的损害之外，还极易因为自动化控制系统的失灵而造成更为严重的煤矿生产安全事故，造成财产损失甚至人员伤亡。所以，对于煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略进行探讨具有重要的现实意义。

煤矿；自动化控制系统；防护

引言

大气中剧烈的自然放电现象称为雷电，其不仅拥有巨大的雷电流变化梯度和巨大的冲击电流，而且还拥有较高冲击电压以及较短的放电时间。它的破坏作用具有综合性，主要有机械效应、热效应以及电效应破坏，尤其是因此形成的电磁辐射给弱电设备带来的损坏越来越严重。而煤矿矿区大多数都位于山区或空旷地带，经常容易发生雷击事故，矿井综合自动化控制系统在安全生产中发挥着极其关键的作用，而煤矿安全生产中的防护煤矿雷电的设施却未得到重视，加大探究煤矿自动化控制系统的雷电安全防护非常有必要。

1 煤矿自动化控制系统雷电安全防护的重要性

煤矿自动化控制系统是弱电体系，只有较低的抗击雷电的能力，纵使建立了屏蔽设备仍然极易产生感应影响，而煤矿自动化控制系统在煤矿的安全生产中发挥着极其关键的作用。雷电会极大地影响煤矿本身的安全和运营，所以更应当系统地探究煤矿自动化控制系统的雷电安全防护。

（1）煤矿自动化控制系统的雷电安全防护可以使煤矿的安全生产实现有效地提升。煤矿自动化控制系统与煤矿生产的各方面都紧密相关，譬如保障排水和通风、检测危险环境以及监控视频等多个与安全生产有关的部分都必须依靠煤矿的自动化控制系统。而建立雷电防护体系可以使以上设备的完善运作得到有效的保障，并确保矿井安全体系的有效性。

（2）煤矿自动化控制系统的雷电安全防护可以使煤矿的正常生产得到有效地确保。煤矿生产必须拥有很强的生产连续性，而建立煤矿自动化控制系统也正是出于对效能和连续性的考虑。健全的雷电防护体系可以有效地避免气象风险引发的煤矿停工或停产，从而使生产的连续性得到有效的确保。

（3）煤矿自动化控制系统的雷电防护可以使系统本身的损坏风险得以有效地减小。煤矿自动化控制系统属于弱电系统，它本身的系统承载力非常有限。当出现雷击事件时，由于煤矿自动化控制系统中处理和储存数据的设备以及传输信号的网络都没办法承受强大的电压和电流，所以，极易出现熔断热效应或击穿等情况，从而导致有关的设备完全损坏，造成大规模的损失。

2 煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略

2.1 防护直击雷的策略

第一类防护雷电的部分一定要将接闪线或网架空，或者对单枝或多枝独立的接闪杆加以安置，利用此种独立的接闪装置来完成接闪工作。而第二类防护雷电的部分除了可以借助建筑设备架构接闪器之外，也可以对单独的接闪器加以安装，还可以应用与GB50057-2010自然接闪器规格要求相符合的结构设施来当作防雷设施。接闪器只能保护被三维空间包围的区域。

接闪器的接地系统及引下系统必须具有可靠性，通常选择的冲击接地电阻不大于10Ω，独立防雷设施与被保护建筑物、井口、钻孔及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的的间距应大于5m，与人行道之间的间距应大于3m。

2.2 电源系统防护雷电的策略

由于煤矿电源线路是由地面和井下两个部分组成，所以，从两方面来研究电源线路的雷电防护。本文以某煤矿自动化控制系统为例，对具体的雷电安全防护策略进行了分析和介绍。

2.2.1 煤矿地面电源设备防护雷电的策略

电源系统选用TN-S系统的接地制式，且选用的是四级保护，图1为煤矿自动化控制系统中地面电源系统的防雷设计。以下是电源避雷器的选取情况：

图1 煤矿自动化控制系统中地面电源系统的防雷设计示意图

（1）电源一级防护。应当选择波形是8/20μs、通流容量是100kA每线，波形是10/350μs、通流容量是25kA每线的B级电源电涌保护器，并确保感应雷击过电压不超过6kV。

（2）电源二级防护。针对TN系统电源的第二级雷电防护，应当选择波形为8/20μs、通流容量为60kA每线的电源电涌保护器，并确保线路残余感应雷击过电压不超过4kV。

（3）电源三级防护。应当选择波形为8/20μs、通流容量为20kA每线的电源电涌保护器，并确保感应雷击过电压不超过2.5kV。

（4）电源末级防护。根据设备的具体的状况，应当选择波形为8/20μs、通流容量为20kA的插座型电源电涌保护器，并确保感应雷击过电压不超过1.5kV。

（5）后备电源UPS。应当将相应的直流电源电涌保护器并联安置于后备电源UPS线路的前端。

2.2.2 井下电源设备防护雷电的策略

因为井下供电系统电源线路具有特殊性，在对避雷器进行选择时应当对以下几方面加以充分考虑：

应当将对应等级的避雷器安置于电源线路各级变配电系统的前端，安置避雷器的要求应当参考安置地面电源设备避雷器的要求。

SPD的启动电压、漏电压、残压以及能量配合等参数的选取是一个十分关键的环节，譬如，660V供电的电源系统不可对常规启动电压560V的避雷器加以选取，不然避雷器会一直处在导通状态，保护电器将会跳断电源，进而导致生产供电出现不正常现象。

SPD保护必须是多级的，可将高压防爆专用避雷器安装于采区变电所、井下中央变电所以及矿井地面变电所的前端。如果矿区时常会出现雷电现象，那么还必须将专用的避雷器安置于矿井地面变电所的工作面配电点前端及出线端，图2为煤矿自动化控制系统中井下电源设施的雷电防护设计示意图。在SPD能够对各级所需的理论计算放电电流加以满足的基础上，为了使SPD的可靠性得以确保，必须对一个数量级通流量的SPD加以选取。

图2 煤矿自动化控制系统中井下电源设施的雷电防护设计示意图

防护井下供电线路的避雷器必须确保其具备防潮、防水、防爆以及防鼠害等能力。避雷器的启动电压不得小于1.15U0，通流容量必须大于20kA，同时接地级截面积必须大于25mm2。

此外，必须对井下供电电缆在入井井口处的金属外皮进行接地处理。

2.3 监控系统防护雷电的策略

传输信号的线路必须选用屏蔽线缆，同时线缆屏蔽层在煤矿入井井口的位置必须进行良好的接地处理，保障接地电阻处于合理的范围。

针对井下分站和主控接口连接的线路，必须将对应分站接口形式的避雷器（RS232/RS422/RS485等）信号SPD1安置于分站总线进线的前端。针对井下监控分站和主控接口连接的线路，必须将对应主控端接口形式的避雷器（RS232/RS422/ RS485等）信号SPD2安置于主控接口设备的前端。针对主控接口和计算机主机相连的线路，应当将对于适应接口形式的主机避雷器信号SPD3安置于主机的前端。最后再依据各服务器和交换机的重要性，将SPD4恰当地安置于前端。图3为煤矿综合自动控制系统雷电防护设计。SPD建议采用经过认证的世界知名品牌的元器件，并确保其拥有灵敏的反应、防爆功能、较大的通流容量、较小的插入损耗、较可靠的工作性能、较低的残压水平以及较稳定的性能等。

图3 煤矿综合自动控制系统雷电防护设计

另外，必须将端口数目相当且接口型号一致的多端口信号浪涌保护器安置于各台交换机的前端，同时需要SPD3和SPD4拥有较宽的频带范围，能够与10/100/1000Mbps等的传输速率相适应，且必须拥有较快的自动恢复和响应动作、较低的残压水平、较小的插入损耗、紧凑的机构以及安装的便捷性，此外，其还必须与综合布线的需求相对应，可以抗击浪涌和雷电冲击，即使遭遇多次雷电冲击之后防雷器依旧可以循环应用，还必须具备抗干扰能力，保障设备能够稳定的运行。

SPD连接必须不会对电缆的屏蔽效果造成损坏，必须确保接地端的接地电阻不大于2Ω，同时应当尽量确保连接线直且短。

2.4 防护静电的对策

倘若在煤矿高瓦斯、高粉尘的工作场所中发生静电放电，必将引发非常严重的安全事故，因此必须高度重视防护煤矿静电工作。根据煤矿的安全规章制度，倘若矿井选用电雷管时，那么电雷管库要安装人体消静电装置以及静电防护装置。此外还必须选用阻燃非铝芯电缆、阻燃抗静电输送带以及阻燃抗静电风筒等。

3 结语

煤矿自动化控制系统能够有效地提高煤矿生产的安全性，减少安全事故发生的几率，同时提高煤矿生产的效能。煤矿自动化控制系统除了必须整合强电系统之外，还必须对健全的弱电网络加以建立。在此种情形之下，煤矿自动化控制系统只有较低抵抗雷电的能力，倘若不将防护雷电的工作落实好，除了会对煤矿自动化控制系统的正常运行造成影响之外，还极易导致出现更为严重的安全事故。

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2016-7-10