礦山復(fù)雜工況下的監(jiān)測設(shè)備防雷措施及應(yīng)用

冀 虎，楊小聰

（北京礦冶研究總院，北京102600）

隨著數(shù)字化礦山步伐的加快，計算機電子技術(shù)不斷發(fā)展，礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)不斷增加，監(jiān)測設(shè)備為礦山安全高效開采礦產(chǎn)資源提供越來越多應(yīng)用的同時，也面臨著礦山復(fù)雜工況環(huán)境提出的挑戰(zhàn)。以計算機電子技術(shù)為基礎(chǔ)的礦山安全監(jiān)測設(shè)備，在復(fù)雜的礦山環(huán)境下，因防雷失當(dāng)，極易受到雷雨天氣條件下的雷電所產(chǎn)生的直接作用或間接作用的影響和破壞，造成設(shè)備癱瘓甚至損毀，既影響了礦山正常安全作業(yè)，也為工作中的人身財產(chǎn)安全帶來無法估量的隱患。因此，實現(xiàn)礦山復(fù)雜工況下監(jiān)測設(shè)備的有效防雷，是安全監(jiān)測系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、有效可靠監(jiān)測、礦山安全服務(wù)得以實現(xiàn)的重要保障［1－8］。針對以上問題，本文結(jié)合礦山應(yīng)用，分析危害監(jiān)測設(shè)備的雷電類型及方式，以直接防護和間接防護的方法，設(shè)計滿足實際應(yīng)用的防雷措施。

1 危害礦山監(jiān)測設(shè)備的雷電種類

雷電的特點是持續(xù)時間短（8～20ms），通過電流大（2 000～20 000A），當(dāng)帶電云層（雷云）大量積聚帶電粒子致使電場強度達到25～30kV／cm時，就開始放電而形成雷電。雷云放電的方式有云間放電和對地放電兩種。根據(jù)其對地放電引起的危害形式及作用路徑的不同可分為直擊雷和感應(yīng)雷［2］，如圖1所示。

1）直擊雷

圖1 雷電危害種類Fig．1 Kinds of lightning harm

直擊雷是由于大氣層中的雷云與地面之間形成的強電場達到空氣游離臨界值而產(chǎn)生強烈放電，并由此伴隨產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)等一系列破壞作用。其過程中雷云中積聚的電荷與大地中積存的極性相反的電荷直擊放電中和，其放電電流峰值可達上萬安培。直擊雷產(chǎn)生的電壓稱之為直擊雷過電壓或傳導(dǎo)過電壓，電壓峰值通?？蛇_幾萬V甚至幾百萬V。直擊雷可引起強烈破壞的主要原因是雷云中積聚的能量在極短時間內(nèi)進行釋放。

2）感應(yīng)雷

感應(yīng)雷是由于雷云與地面之間發(fā)生放電中和時，伴隨著的強大電磁場引起周邊導(dǎo)體所產(chǎn)生的雷電電磁感應(yīng)脈沖。顯然，感應(yīng)雷是由直擊雷引起的，所以感應(yīng)雷也稱為二次雷，通過電纜、管線等類似導(dǎo)體，將產(chǎn)生的感應(yīng)電壓傳入設(shè)備內(nèi)部，損毀設(shè)備。因此，以間接方式造成設(shè)備破壞是感應(yīng)雷危害的主要特點。

2 礦山潛在的雷電危害方式

1）直擊雷危害方式

在雷雨天氣條件下，雷云中電荷的不斷積累，由于靜電感應(yīng)使地面同時積聚極性相反電荷，最終在雷云與地面之間形成強靜電高壓電場。在電場力的作用下，雷電對被擊中的設(shè)備形成放電作用，以卸載電荷。因此，當(dāng)?shù)孛娴牡V山安全監(jiān)測設(shè)備被直擊雷擊中時，其過程會產(chǎn)生強烈的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械力等作用，危害設(shè)備正常工作。

2）感應(yīng)雷危害方式

礦山安全監(jiān)測設(shè)備多以電子設(shè)備、通信設(shè)備和計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等為主，由于雷云感應(yīng)作用，監(jiān)測系統(tǒng)中導(dǎo)體上感應(yīng)出強靜電感應(yīng)電壓，直接損壞設(shè)備，這種危害稱為靜電感應(yīng)危害。同時，由于感應(yīng)電壓在導(dǎo)體上形成的強電流變化，形成強大的電磁場，使存在于這一變化磁場中的其他設(shè)備再次感應(yīng)出強電動勢，造成設(shè)備的串聯(lián)損壞，這種危害稱為電磁感應(yīng)危害。研究發(fā)現(xiàn)，靜電感應(yīng)方式引起的浪涌遠大于電磁感應(yīng)引起的浪涌。設(shè)備造成的危害集中體現(xiàn)在電子元器件上，其常見的引雷渠道有監(jiān)測系統(tǒng)中一切電子設(shè)備的天線、饋線、電源線、信號線、接地線等，以及施工中使用到的金屬管路、鋼筋等。如，電源線纜距離較長且傳輸損耗較小、信號線中傳輸高頻信號、接地線路有效阻值較大等，均會引入感應(yīng)雷造成設(shè)備損壞。

3 礦山工況下監(jiān)測設(shè)備防雷措施

面對直擊雷、感應(yīng)雷引發(fā)的靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)的危害，根據(jù)礦山實際工況，并結(jié)合現(xiàn)場可操作性，以信號采集、傳輸、處理、分析、供電等多環(huán)節(jié)交叉防雷應(yīng)用，實現(xiàn)更具實效性防護設(shè)計。

1）接地防護

通過設(shè)備上的金屬體或金屬外殼可靠接地，并使其等效接地電阻盡可能的小，同時保證接地電纜有足夠高的載流能力，以此實現(xiàn)設(shè)備防護接地。這樣設(shè)計的原理如圖2所示，圖為設(shè)備防護接地的等效示意圖，圖中接地電阻、設(shè)備1、設(shè)備2構(gòu)成并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接地電阻足夠小或遠小于設(shè)備的等效內(nèi)阻時，由雷電引起的強放電電流，會通過接地電阻實現(xiàn)快速釋放，從而避免強電流流過設(shè)備，造成設(shè)備損毀。同時，由于接地電阻的有效接地，當(dāng)工作人員接觸設(shè)備時，也可以避免強電流造成人身傷害。此外，當(dāng)分布在多個區(qū)域的設(shè)備實現(xiàn)防護接地時，通常采用圖中的接地扁鐵實現(xiàn)多個設(shè)備與接地極的相連，這樣既實現(xiàn)了設(shè)備的有效接地，也因接地極之間構(gòu)成并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)而減小了等效接地電阻值。

對于等效接地電阻實現(xiàn)有效接地的標(biāo)準(zhǔn)，國家相關(guān)防雷設(shè)計規(guī)范中均有規(guī)定。其中，建筑物防雷中，防雷電感應(yīng)的接地裝置應(yīng)和電氣設(shè)備接地裝置共用，其工頻接地電阻不應(yīng)大于10Ω；電源系統(tǒng)實現(xiàn)接地，要求機房接地與防雷接地系統(tǒng)共用時，接地電阻要求小于1Ω；電子計算機機房接地設(shè)計，要求交流工作接地和安全防護接地，接地電阻不應(yīng)大于4Ω。

2）避雷器防護

圖2 設(shè)備防護接地等效示意圖Fig．2 Schematic diagram of equipment protection grounding

避雷器由接閃器、引下線和接地體組成，這里采用的避雷器防護是以避雷針作為接閃器，安裝在突出部位或以針形導(dǎo)體獨立裝設(shè)，通常采用鍍鋅圓鋼或鍍鋅鋼管制成，適宜短針及多針防護，保證防護半徑。避雷器防護的工作原理是通過避雷針作為引雷針在強電場作用下產(chǎn)生尖端放電，與雷云電場構(gòu)成雷電通路，將雷云與地面形成的電勢差，以雷電流方式對地泄放，避開監(jiān)測設(shè)備引雷，起到避雷作用。如圖3所示，單支避雷針的保護范圍可以通過計算得到，計算方法如下：

式中，R—單支避雷針的保護半徑；H—避雷針的高度；Hx—被防護監(jiān)測設(shè)備的高度；Ha—避雷針的等效高度。此式適用于H≤30m的避雷針，當(dāng)H＞30m時，結(jié)果須乘以如下系數(shù)：

圖3 避雷針防護Fig．3 Protection of lightning arrester

3）電磁屏蔽防護

電磁屏蔽的主要目的是防護雷電引起的強電磁場變化造成電子設(shè)備異?；蚋蓴_數(shù)據(jù)傳輸。由于屏蔽體對來自設(shè)備或系統(tǒng)外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，可利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，抵消外來電磁波影響，實現(xiàn)屏蔽；當(dāng)干擾電磁場的頻率較低時，采用高導(dǎo)磁的材料，使磁力線在屏蔽體內(nèi)傳播，減少磁力線進入屏蔽空間，實現(xiàn)屏蔽。

為了實現(xiàn)有效電磁屏蔽，設(shè)備的線路可穿金屬管進行保護或選用屏蔽線纜，并將金屬管和線纜屏蔽層兩端可靠接地。有些設(shè)備的電子元件器或電路板易受電磁場干擾，可選用帶電磁屏蔽功能的外殼進行屏蔽防護。

4）浪涌保護器防護

浪涌保護器通常采用抑制瞬態(tài)過電壓和泄放浪涌電流的方式，實現(xiàn)對雷電引起的瞬間過電壓和浪涌電流的防護。浪涌保護器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)以防護電網(wǎng)中過壓過流，保證供電系統(tǒng)中的電子電氣設(shè)備及配電裝置能夠免受浪涌影響［5］。通常，根據(jù)設(shè)備工作電壓及電流的不同，選用不同類型浪涌保護器。當(dāng)供電電壓超出設(shè)備正常工作電壓時，浪涌保護器對線路上的電壓峰值進行限幅，并泄放掉部分浪涌電流。

浪涌保護器的使用多采用三級防護，即：第一級防護設(shè)置在設(shè)備系統(tǒng)的供電進線處，實現(xiàn)線路傳導(dǎo)的雷電流被抑制在系統(tǒng)之外；第二級防護可安裝在系統(tǒng)中單個機柜或機箱的電源進線處，防止瞬態(tài)過壓過流引起的設(shè)備危害；第三級防護常用于單個設(shè)備的供電防護，保護對電源變化較敏感的設(shè)備免受損壞。

4 礦山監(jiān)測設(shè)備防雷應(yīng)用

國內(nèi)某銅礦建設(shè)尾礦在線安全監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)該尾礦庫監(jiān)測需求，系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)測內(nèi)容包括庫水位、壩體位移、壩體浸潤線、降雨量、視頻監(jiān)控等。結(jié)合監(jiān)測內(nèi)容，實施方案設(shè)計如下：采用西門子公司SITRANS Probe LU系列超聲波液位計測量庫水位及灘頂高程的動態(tài)變化；采用Trimble公司具有工業(yè)防護等級的雙頻GPS接收機與全站儀相結(jié)合方式監(jiān)測壩體表面位移，采用BGK公司的測斜儀監(jiān)測壩體內(nèi)部位移；采用BGK公司的振弦式滲壓計監(jiān)測壩體浸潤線；采用雨量計監(jiān)測降雨量；采用高防護夜視槍機對壩體關(guān)鍵點進行視頻監(jiān)控。

圖4 尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的防雷應(yīng)用Fig．4 Lightning protection in security monitoring system of tailings pond

該尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測信號傳輸路徑為主線，通過多環(huán)節(jié)交叉防護的原則布設(shè)防雷，即信號采集、信號傳輸、信號基站、設(shè)備供電等環(huán)節(jié)聯(lián)合布設(shè)，并采用接地、避雷器、電磁屏蔽以及浪涌保護器等方式交叉防護。最終，設(shè)計從采集站點、采集基站、調(diào)度室等環(huán)節(jié)實施全過程多方式交叉的設(shè)備防雷措施，如圖4所示，主要防雷應(yīng)用如下：

1）采集站點防雷。分析采集站點的引雷渠道，采用通用防雷方式，并以信號標(biāo)準(zhǔn)的不同對其傳輸進行分別防護。采集站點接地端有效接地，滿足接地規(guī)范，多個接地極間通過接地扁鐵連接，降低接地阻值，提高強電流泄放能力；信號傳輸采用鎧裝屏蔽線纜，并將屏蔽層可靠接地；采集信號進入采集基站前根據(jù)信號標(biāo)準(zhǔn)的不同，添加相應(yīng)信號防雷模塊；針對GPS、視頻監(jiān)控等易引雷站點，采用接地、避雷器、電磁屏蔽以及浪涌保護器等多方式交叉防護。

2）采集基站防雷。將采集設(shè)備所有對外連接的路徑進行多方式交叉防雷，如采集設(shè)備放入高防護機箱，基站機箱接地端有效接地，供電輸入采用三級浪涌保護器等。

3）調(diào)度室防雷：所有采集站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)采集基站處理后，以網(wǎng)絡(luò)傳輸方式進入調(diào)度室。因此，調(diào)度室防護采用網(wǎng)絡(luò)防雷模塊、供電輸入浪涌保護器、有效接地等交叉措施實施防雷應(yīng)用。

5 結(jié)論

由于礦山環(huán)境復(fù)雜并多有雷雨天氣，安全監(jiān)測設(shè)備極易受到雷電的影響和破壞。因此，本文通過分析礦山存在的雷電危害類型及危害方式，結(jié)合監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境和防護需求，以信號采集、信號傳輸、信號基站、設(shè)備供電等多環(huán)節(jié)聯(lián)合布設(shè)，接地防雷、避雷器防雷、電磁屏蔽防雷、浪涌保護器防雷等多方式交叉防護的設(shè)計，制定更具針對性的防雷方案和應(yīng)用措施，預(yù)防和降低雷電對監(jiān)測設(shè)備的損害。最終，實現(xiàn)礦山復(fù)雜工況下的監(jiān)測設(shè)備對直擊雷和感應(yīng)雷的有效防護，確保礦山安全監(jiān)測設(shè)備的正常工作，為輔助礦山安全高效開采礦產(chǎn)資源提供保障。

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