煤礦的雷擊安全隱患及防雷保護(hù)

景東平 延雪花,

（1.山西省臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2.南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。隨著我國煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種敏感的電子設(shè)備不斷應(yīng)用到煤礦的電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦的雷電防護(hù)形勢日趨嚴(yán)峻。本人所處地區(qū)煤礦較多，擁有便利的條件到實(shí)地進(jìn)行考察，然后運(yùn)用自己的理論知識對煤礦的雷擊安全隱患進(jìn)行分析并提出防雷保護(hù)措施。

1 煤礦易遭雷擊的原因分析

根據(jù)雷擊的選擇性，空曠地帶和土壤電阻率有突變的地方容易遭受雷擊。煤礦都處于空曠地帶，并且很多煤礦同時處于巖石和土壤的交界處及土壤電阻率有突變的地點(diǎn)，煤礦礦區(qū)是一個容易遭受雷擊的地點(diǎn)。

地形對雷暴的移動有以下影響：當(dāng)積雨云遇山地阻擋時，由于迎風(fēng)面有上升氣流影響，使雷暴在山地的迎風(fēng)面停滯少動；當(dāng)積雨云受山脈阻擋時，雷暴即沿山脈走向移動，如山脈有缺口，則雷暴順著山口移動。我國大部分地區(qū)山地的東坡、南坡較北坡、西北坡易受雷擊，山地的平地較峽谷容易受雷擊。因此如果煤礦處于上述地帶的話是容易遭受雷擊的。

另一方面煤礦在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生大量的煤炭粉塵，這些粉塵懸浮在礦區(qū)上方的空氣中，無疑增加了礦區(qū)上方空氣的電導(dǎo)率。當(dāng)雷雨云到達(dá)礦區(qū)上空時，這些懸浮的粉塵為雷雨云與礦區(qū)大地電場之間提供了有利的導(dǎo)電通道，從而使雷雨云更容易對地放電，造成地面人員傷亡和設(shè)備損壞。

2 煤礦雷擊安全隱患分析

直擊雷是閃電直接擊在建筑物、其他物體、大地或防雷裝置上，產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力。煤礦的辦公樓建筑主體、炸藥庫、主、副井提升機(jī)房（架）和變電所這些突出地面越高的物體很易遭受雷擊。強(qiáng)大的雷電流通過被擊物體時產(chǎn)生大量的熱量，如果在短時間不易發(fā)散出來，極容易造成金屬被融化，建筑物被炸裂，尤其是通過雷電流流過存放易燃易爆物品的炸藥庫時，會引起火災(zāi)或爆炸。

雷電感應(yīng)分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。采用架空供電線路時，在雷雨天氣由于靜電感應(yīng)架空線路上感應(yīng)的大量電荷形成感應(yīng)過電壓波沖擊煤礦的供電設(shè)備。煤礦里的金屬屋頂或其他導(dǎo)體同樣會由于雷電靜電感應(yīng)產(chǎn)生過電壓損壞設(shè)備。由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強(qiáng)大的變化的磁場，處在這電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢。當(dāng)存在較大環(huán)路且不閉合時，在開口處容易產(chǎn)生火花和高電壓，引起易燃物品著火、易燃?xì)怏w爆炸和電子設(shè)備損壞。在煤礦的信息系統(tǒng)、供、配電系統(tǒng)和炸藥庫易產(chǎn)生靜電荷和存在較大環(huán)路的部位最容易遭受雷電感應(yīng)的損害。

雷電波侵入的主要途徑有3種：①直接雷擊擊中室外的金屬導(dǎo)線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導(dǎo)線侵入室內(nèi)；②來自間接雷的電磁脈沖在導(dǎo)線金屬體上感應(yīng)產(chǎn)生高電位，然后以脈沖波的形式沿著導(dǎo)線傳播侵入室內(nèi)；③由于云地閃電擊在建筑物上或建筑物附近時，在地中產(chǎn)生高電位，這種形式的高電位通過零線和接地線侵入室內(nèi)。按照以上的雷電波侵入的主要途徑分析，煤礦容易遭受雷電波侵入的部位是存在較多線路和電子設(shè)備的信息系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、主、副井提升機(jī)房，當(dāng)雷電波侵入脆弱的電子設(shè)備時極易造成這些設(shè)備的損壞，進(jìn)而引發(fā)生產(chǎn)事故，嚴(yán)重是造成人員傷亡。

雷擊電磁脈沖是閃電通道在先導(dǎo)主放電過程中向外輻射的高頻和甚高頻電磁能量。電磁脈沖主要由傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種方式傳送到被干擾對象。對于煤礦而言，雷擊電磁脈沖主要作用于通信系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等信息系統(tǒng)。在井內(nèi)的電子設(shè)備同樣也會受到干擾或損壞，電磁脈沖可以穿透巖層或者通過井口干擾或損壞井內(nèi)的電子設(shè)備，雖然電磁脈沖在穿透巖層時有一定衰減，但是其對井內(nèi)設(shè)備的破壞力還是不容忽視的。雷擊電磁脈沖同時也可作用于進(jìn)入礦井的各種金屬管道和線纜形成過電壓干擾或損壞井內(nèi)電子設(shè)備，造成瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓，造成生產(chǎn)事故。

煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總。

經(jīng)過以上分析可以將煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總見表1。

表1 煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總

3 煤礦的防雷保護(hù)

現(xiàn)代防雷技術(shù)原則強(qiáng)調(diào)全方位保護(hù),綜合治理,多層設(shè)防，多思路考慮,把防雷作為一個系統(tǒng)工程來設(shè)計(jì)。表1得出了煤礦的各個系統(tǒng)和部位主要易遭受何種雷害，以下就煤礦上述各部位和系統(tǒng)如何有效防止主要雷害做了防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1 煤礦辦公樓建筑主體的防雷保護(hù)

一般在煤礦礦區(qū)辦公樓建筑主體是最高的構(gòu)筑物，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的建筑物防雷分類要求，屬第三類防雷建筑物。辦公樓建筑主體應(yīng)沿屋角、屋脊和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)避雷網(wǎng)（帶），并應(yīng)在整個屋面組成不大于 20m×20m 或24m×16m的網(wǎng)格。對于突出屋面的物體，如為金屬物體可不裝接閃器，但應(yīng)就近與避雷帶連接。在屋面避雷帶保護(hù)范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器，和屋面避雷帶連接。如圖1所示。

圖1 辦公樓建筑主體屋面等電位連接示意圖

辦公樓建筑主體直擊雷防護(hù)裝置的引下線及其接地裝置應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于第三類防雷建筑物的相關(guān)要求。

3.2 煤礦信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)

煤礦的信息系統(tǒng)包括通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)，其防雷措施應(yīng)符合《電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的要求。在進(jìn)入信息系統(tǒng)機(jī)房的導(dǎo)電物均應(yīng)在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接。當(dāng)外來導(dǎo)電物、電力線、通信線在不同地點(diǎn)進(jìn)入建筑物時，宜設(shè)若干等電位連接帶，并應(yīng)就近連到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體或此類鋼筋上。它們在電氣上是貫通的并連通到接地體，含基礎(chǔ)接地體。

信息系統(tǒng)機(jī)房電源系統(tǒng)采用三級防護(hù)。信息系統(tǒng)信號線路浪涌保護(hù)器的選擇，應(yīng)根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù)，選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的浪涌保護(hù)器。

圖2 監(jiān)控機(jī)房防雷保護(hù)示意圖

在煤礦井口處將電源線、信號線分槽布設(shè)，護(hù)套信號線加套屏蔽金屬管，各條信號電纜之間作了橫向均壓連接，并將進(jìn)入井內(nèi)的金屬管道、軌道、電纜金屬屏蔽層等均作了等電位連接并接地。在井下信息設(shè)備的終端加裝信號浪涌保護(hù)器。

3.3 煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)

煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)從直擊雷、雷電波侵入這兩個方面考慮，其主要防護(hù)部位有變電所、變電所內(nèi)變壓器和輸電線路。

變電所防直擊雷的有效措施就是在變電所安裝避雷裝置，按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，煤礦變電所應(yīng)按第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

變電所內(nèi)的主變壓器最重要，應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。利用變電所母線安裝閥型避雷器，把它接在主變壓器旁邊。在雷電波入侵到主變壓器時，產(chǎn)生全反射使它們身上的電壓升高，雷電波電壓曲線與閥型避雷器的較平坦的伏秒特性相交，使避雷器動作。對有正常防雷的110～220kV變電所，流過避雷器的雷電流不大于 5kA，在主變壓器沖擊耐壓大于避雷器沖擊放電電壓時，主變壓器得到可靠保護(hù)。其次要選擇好安裝避雷器的位置，它與主變壓器及其它設(shè)備的距離都應(yīng)小于最大允許電氣距離，當(dāng)一組不滿足要求時可再增一組。

圖3 電源防雷器整體示意圖

3.4 煤礦炸藥庫的防雷保護(hù)

炸藥庫是煤礦井上最危險的部位，應(yīng)從防直擊雷和防雷電感應(yīng)兩個方面考慮。在防直擊雷方面，按照《小型民用爆炸物品儲存庫安全規(guī)范》（GA838-2009）要求，應(yīng)按第一類防雷建筑物的防雷措施設(shè)計(jì)。炸藥庫應(yīng)安裝獨(dú)立的避雷針，為了降低在設(shè)計(jì)中避雷針的高度，建議盡量避免采用單針保護(hù)。在庫區(qū)內(nèi)設(shè)置防雷電感應(yīng)的接地裝置,建筑物的金屬屋頂、金屬門窗、放靜電裝置、視頻監(jiān)控裝置等金屬物,均應(yīng)可靠連接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。防雷電感應(yīng)的接地裝置和電氣設(shè)備的接地裝置可共用,接地電阻不大于10Ω。防感應(yīng)雷部分，主要有監(jiān)控設(shè)施等，其防范措施嚴(yán)格依照《民用爆炸物品儲存庫治安防范要求》（GA837-2009）規(guī)范執(zhí)行，具體做法在前文已有敘述。

3.5 立井提升機(jī)房（架）的防雷保護(hù)

立井提升機(jī)房的防雷級別按照《煤礦安全規(guī)程》要求屬第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)。

立井提升機(jī)房的防雷電波侵入、雷電電磁感應(yīng)、雷擊電磁脈沖的措施和信息系統(tǒng)機(jī)房的措施大致相同。

立井提升架應(yīng)按第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，立井提升架一般雖為金屬框架，可作為接閃器和引下線使用，但前提是立井提升架本身必須接地良好且雷電流泄放能力足夠好，這就要求其接地面積較大，能夠泄放絕大部分的雷電流入地。同時要做好纜繩、金屬管道和線纜的等電位連接，相鄰金屬物的跨接處理。

4 結(jié)論

由于煤礦雷電環(huán)境的特殊性,在對煤礦防雷工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時，必須對所設(shè)計(jì)煤礦的地理、地質(zhì)、氣象、環(huán)境、雷電活動規(guī)律、保護(hù)對象的狀況和特點(diǎn)等條件認(rèn)真了解，深入到煤礦進(jìn)行實(shí)地勘察，才能達(dá)到保障煤礦安全生產(chǎn)的目的。本文分析了煤礦的雷擊安全隱患及防雷保護(hù)，雖然比較簡要，但還是比較全面的。有錯誤和不足之處，敬請各位專家、同仁批評斧正。

[1] 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50057—2010.

[2] 《電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343—2004.

[3] 《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50052—93.

[4] 《煤礦安全規(guī)程》2009版.

[5] 《小型民用爆炸物品儲存庫安全規(guī)范》GA838—2009.

[6] 《民用爆炸物品儲存庫治安防范要求》GA837—2009.

[7] 周振濤,周道剛.煤礦防雷技術(shù)初探[J].貴州氣象,2004(增刊): 49.

[8] 許學(xué)先,魏濤.煤礦防雷技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2004(4): 103.

[9] 丁志平.淺談小型煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)與安裝[J].山西氣象, 2007(2): 20.

[10] 周壁華,陳彬,石立華.電磁脈沖及其工程防護(hù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2004: 341-344.

[11] 梅衛(wèi)群,江如燕.建筑防雷工程與設(shè)計(jì)[M].北京:氣象出版社, 2004.

[12] 李思軍,王磊.關(guān)于煤礦雷擊保護(hù)[Z]. 2007.

[13] BAZELYAN E M, RAIZER Y P.2000: Lightning Physics and Lightning Protection[M]. Institute of Physics Publishing: 325.

[14] IEC 62305-3, Protection against lightning-Part 3:Physical damage to structures and life hazard.

[15] IEC 62305-4, Protection against lightning-Part 4:Electrical and electronic systems within structures.