金礦系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)研究

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礦山防雷技術(shù)要求

礦山信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)工作要堅(jiān)持預(yù)防為主、安全第一的原則，主要是從影響到礦山電子信息系統(tǒng)的雷電波侵入通道和途徑著手，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，將被保護(hù)的設(shè)備遭受雷擊損害的風(fēng)險(xiǎn)降到最低限度．外部防雷措施中的屏蔽，主要利用建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)金屬框架組成的屏蔽籠(即法拉第籠)、屋頂金屬表面、立面金屬表面和金屬門窗框架等，這些措施是內(nèi)部防雷措施中使雷擊產(chǎn)生的電磁場(chǎng)向內(nèi)遞減的第一道防線．建筑物外部防雷措施、內(nèi)部防雷措施構(gòu)成了礦山建筑物綜合防雷系統(tǒng)，其中內(nèi)部防雷措施包括對(duì)礦山信息系統(tǒng)設(shè)備中各種傳輸線路端口分別安裝與之適配的浪涌保護(hù)器(SurgeProtectiveDevice簡(jiǎn)稱SPD)，其中電源SPD不僅具有抑制雷電過電壓的功能，同時(shí)還具有防止操作過電壓的作用［5］．

雷電感應(yīng)過電壓入侵礦山電子信息系統(tǒng)的途徑及其影響

在配電線路上產(chǎn)生的雷電感應(yīng)過電壓(電流)，直接通過配電線路感應(yīng)到弱電設(shè)備，并將設(shè)備損壞，一般是將設(shè)備的電源部分擊壞．根據(jù)配電線路上雷電感應(yīng)過電壓的成因及危害性可分為以下幾種情況:(1)在野外架設(shè)的礦山供電線路遭受閃擊，因線路較長(zhǎng)，發(fā)生的概率較大，線路上的雷電感應(yīng)過電壓相當(dāng)大，會(huì)造成很大的損失．(2)在野外架設(shè)的礦山供電線路，附近發(fā)生閃擊時(shí)，雷電電磁場(chǎng)使得線路上感應(yīng)到雷電過電壓．有較大的發(fā)生幾率，但雷電過電壓電流較小．(3)樓內(nèi)配電線路受大樓引下線電磁場(chǎng)感應(yīng)而產(chǎn)生雷電過電壓，雷電過電壓的大小與發(fā)生幾率與建筑物結(jié)構(gòu)及樓內(nèi)布線有關(guān)．垂直方向的線路沒有屏蔽而靠近引下線時(shí)，發(fā)生雷電感應(yīng)過電壓幾率較大．(4)樓內(nèi)配電線路受大樓附近閃擊時(shí)，因電磁場(chǎng)感應(yīng)而產(chǎn)生雷電過電壓，雷電過壓電的大小與建筑物的屏蔽、布線、閃擊位置、閃擊點(diǎn)電流等有關(guān)．當(dāng)建筑物屏蔽較差、線路靠外墻、閃擊點(diǎn)靠樓較近、閃擊點(diǎn)電流大時(shí)，線路感應(yīng)雷電過電壓較大．(5)樓內(nèi)線路相互感應(yīng)．由于較多的線路交叉敷設(shè)(如電源線、地線等相互距離在10cm內(nèi))時(shí)，其中的一條上有感應(yīng)過電壓，則其它線路上多會(huì)感應(yīng)到過電壓，但感應(yīng)電流不大．(6)樓內(nèi)大型設(shè)備操作過電壓，該過電壓不是閃擊引起但其危害不低于閃擊，主要是加速電子設(shè)備老化．該操作過電壓類似于閃擊過電壓，用同樣的方法能抑制．

招遠(yuǎn)市金礦系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

1雷害防護(hù)措施應(yīng)依據(jù)國(guó)標(biāo)和國(guó)家相關(guān)規(guī)則實(shí)施《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—2010)對(duì)建筑物防直擊雷和感應(yīng)雷己有明細(xì)規(guī)定．對(duì)于防感應(yīng)雷僅靠避雷針己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須做好電源和信號(hào)線路的防雷［3］．(1)雷擊主要是通過進(jìn)出戶的電源線路進(jìn)入的，對(duì)關(guān)鍵的系統(tǒng)設(shè)備，要在其電源上加裝電源電涌保護(hù)器，這樣既可以保護(hù)電源系統(tǒng)，又可以保護(hù)重要設(shè)備和弱電系統(tǒng)．(2)信號(hào)線路防雷是在信號(hào)系統(tǒng)的線路進(jìn)口處安裝與之相適應(yīng)的線路電涌保護(hù)器，它包括微機(jī)、電話、監(jiān)控等．通常的線路電涌保護(hù)器都采用一級(jí)以上過電壓和過電流保護(hù)，遇雷電壓時(shí)，立即與地導(dǎo)通，將雷電流分流引入大地，雷電過后又恢復(fù)正常而不影響系統(tǒng)的正常工作．(3)線路電涌保護(hù)器還可抗工業(yè)浪涌．大的浪涌也會(huì)損壞電源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這對(duì)電源和計(jì)算機(jī)平常的保護(hù)也是不能少的．雷電“無孔不入”，因此防感應(yīng)雷是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須依據(jù)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估情況和有關(guān)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行全面、系統(tǒng)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，從而保護(hù)設(shè)備免遭雷擊．

2直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB50057—2010及GB50343—2004的規(guī)定，需做以下防護(hù)措施:(1)接閃器必須有獨(dú)立的接閃裝置，進(jìn)行直接閃電的攔截;(2)引下線利用獨(dú)立接閃裝置的金屬支撐桿體作為引下線，進(jìn)行雷電流的下泄入地的通道;(3)接地裝置根據(jù)規(guī)范要求，必須制作沖擊接地電阻不大于10Ω的人工地網(wǎng)，作為下泄的雷電流入地的通道;(4)電源避雷器在電源進(jìn)線端安裝1級(jí)、2級(jí)SPD防護(hù)，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行雷電脈沖防護(hù);(5)信號(hào)避雷器在各設(shè)備信號(hào)輸出端、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸出端安裝信號(hào)SPD防護(hù)，對(duì)通信及信號(hào)傳輸設(shè)備進(jìn)行雷電脈沖防護(hù)．以上5項(xiàng)措施，將形成完善的直擊雷以及雷電脈沖防護(hù)，使被保護(hù)對(duì)象受到保護(hù)［4］．接閃器作為引雷裝置，實(shí)質(zhì)作用是通過避雷針、帶、線、網(wǎng)吸收雷電(即引雷)，把閃電的強(qiáng)大電流傳導(dǎo)到大地中并消耗掉，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析礦山地面建筑物只需在建(構(gòu))筑物天面安裝避雷帶，其材料采用直徑為φ12mm的熱鍍鋅圓鋼，支撐間距為1．0m，拐角處為0．5m．接閃帶沿女兒墻、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不大于20m×20m的網(wǎng)格．若女兒墻相對(duì)較寬，接閃帶應(yīng)敷設(shè)在女兒墻的外側(cè)，防止雷擊時(shí)水泥塊落地傷人傷物．另外，所有不在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的金屬物應(yīng)與接閃帶進(jìn)行等電位連接或另樹立接閃桿進(jìn)行保護(hù)，非金屬物應(yīng)樹立接閃桿進(jìn)行保護(hù)［3］．引下線為連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體，作用為分流且把閃電電流傳導(dǎo)至接地極泄放到大地．引下線宜采用圓鋼或扁鋼，優(yōu)先采用圓鋼．引下線應(yīng)沿建筑物外墻明敷，引下線沖擊接地電阻不大于30Ω，該地面建筑物引下線采用Ф8mm圓鋼．如圖1所示在易受機(jī)械損壞和防人身接觸的地方，地面上1．7m至地面下0．3m的一段接地線應(yīng)采用暗敷或鍍鋅角鋼、改性塑料管或橡膠管等保護(hù)措施［3］．接地裝置為接地體和接地線的總和，是雷電流泄放到大地中的重要步驟．該建筑物人工垂直接地體采用50mm×5mm角鋼，水平接地體采用截面100mm2、厚度為4mm的扁鋼，接地體埋深不應(yīng)小于0．5m．防直接雷人工接地體距建筑出入口或人行道不應(yīng)小于3m，當(dāng)小于3m時(shí)候，加大接地極的埋深應(yīng)(不小于1m)或在上面敷設(shè)50～80mm厚的瀝青層(寬度應(yīng)超過接地體2m)．埋入土壤的接地裝置，其連接應(yīng)采用焊接，并在焊接處做防腐處理［3］．

3接地系統(tǒng)和等電位連接

(1)經(jīng)實(shí)地考察，礦區(qū)接地電阻≤4Ω，符合規(guī)范要求．(2)配電室(箱)、機(jī)房?jī)?nèi)部各金屬設(shè)備、構(gòu)件之間應(yīng)作等電位連接處理，防止電位差反擊．(3)將設(shè)備保護(hù)地、防雷地就近連接到機(jī)房地線上，各金屬設(shè)備外殼、金屬線槽、管道用金屬線纜連接．

4礦區(qū)防感應(yīng)雷防護(hù)設(shè)計(jì)

礦區(qū)電子信息系統(tǒng)防雷防護(hù)等級(jí)計(jì)算?！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010第3．0．1條規(guī)定“建筑物應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為3類”。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343—2004第四章第4．2節(jié)第4．2．3條的規(guī)定，將N和Nc進(jìn)行比較，N=0．2321＞Nc=0．0175，確定招遠(yuǎn)市礦區(qū)電子信息系統(tǒng)應(yīng)安裝雷電防護(hù)裝置．根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343—2004第四章第4．2節(jié)第4．2．3條的規(guī)定E=1－Nc/N=1－0．0175/0．2321=0．9246，0．90＜E≤0．98，確定招遠(yuǎn)市礦區(qū)電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)為B級(jí)，其電源系統(tǒng)安裝三級(jí)電源SPD進(jìn)行保護(hù)［4］．電源系統(tǒng)包括電源主配電、UPS電源設(shè)備等．對(duì)于礦區(qū)機(jī)房的電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)，采取以下的防雷保護(hù)方案:在礦區(qū)低壓主配電系統(tǒng)做兩級(jí)防雷保護(hù)(三相電源);其他礦區(qū)設(shè)備進(jìn)出端采取第三級(jí)防雷防護(hù)．電源系統(tǒng)采用TN－S系統(tǒng)．其特點(diǎn)是N線(中線)和PE線(地線)在變壓器的低壓側(cè)合為一條PEN線．因此，需在相線和PEN線之間安裝防雷器．采用TN－S接地系統(tǒng)的電源防雷器的安裝如圖3所示．在礦區(qū)內(nèi)總配電屏中、二級(jí)配電屏中、在設(shè)備前端分別安裝一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)防雷保護(hù)［7］．(1)一級(jí)感應(yīng)雷防護(hù)在礦區(qū)的總配電柜進(jìn)線端安裝GB153B100—100型三相電源避雷器，雷電通流量為100kA．利用其通流量大，予以先導(dǎo)分流，對(duì)通過線路傳輸?shù)闹睋衾缀透邚?qiáng)度感應(yīng)雷實(shí)施瀉放保護(hù)，作為礦區(qū)建筑及用電設(shè)備的電源線路一級(jí)保護(hù)．(2)二級(jí)感應(yīng)雷防護(hù)從高配進(jìn)入低配后，再進(jìn)入各個(gè)建筑及生產(chǎn)設(shè)備．對(duì)這一路低配做二級(jí)防雷處理．安裝ZGB153B(A)－60型三相電源避雷器，通流容量為40kA，作為各建筑及設(shè)備電源線路的二級(jí)保護(hù)，對(duì)侵入的雷電壓進(jìn)行細(xì)泄流保護(hù)．(3)三級(jí)感應(yīng)雷防護(hù)在設(shè)備進(jìn)線電源前采用ZGB151A(B)－20型單相電源避雷器，通流容量為20kA，作為設(shè)備的三級(jí)保護(hù)，確保礦區(qū)的供電安全及內(nèi)部設(shè)備的正常用電［8］．

結(jié)語(yǔ)

招遠(yuǎn)市金礦通過實(shí)施以上綜合解決方案，很好地解決了礦區(qū)建筑及設(shè)備的防雷問題．運(yùn)行至今，其建筑設(shè)施及用電設(shè)備等從未遭受雷擊損壞，說明上述的防雷措施對(duì)該礦區(qū)的弱電系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的防雷效果，為系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行提供了有力的保障．隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越多嚴(yán)重．以往的防護(hù)體系已經(jīng)不能滿足電子計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)安全的要求，應(yīng)從單純一維防護(hù)(避雷針引雷入地———無源防護(hù))轉(zhuǎn)為三維防護(hù)(有源和無源防護(hù))，包括:防直擊雷，防感應(yīng)雷電波侵入，防雷電電磁感應(yīng)，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮．采用任何一種單一的防雷器件都難以保證其安全，必須采取綜合防護(hù)的措施，對(duì)癥下藥將各類可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限．（本文作者：林明華、閆景東、欒紹海 單位：招遠(yuǎn)市氣象局、聊城市氣象局）