（三）数字化矿山过电压防护的必要性

数字化煤矿过电压防护解决方案一、数字化矿山过电压防护的必要性煤矿开采场所空气湿度相对较大，地形结构复杂，土质差，电阻率在500～2000Ω.m之间，雷电流泄放能力差，容易遭受雷击。煤矿动力电源、配电柜、电气设备易遭受感应雷击；排风口处风速快、排出的空气中含有大量的高浓度瓦斯、尘埃、氢气等，遭受雷电闪击后易引起瓦斯爆炸，造成重大安全事故；主井口地面金属轨道有利于直击雷电流导引闪击，可能导致雷电流引入矿井中造成重大雷击事故，同时，提升铁轨轨道与提升机轮的摩擦使轨道容易带静电，如轨道接地不良造成静电放电火化，也可能引起瓦斯爆炸。过电压已经成为当前精密仪器和电子信息技术设备最为重要的安全隐患。对过电压的防护也成为了当前国际、国内所共同面对的重要课题。对于数字化矿山的建设和发展而言，同样面临着过电压防护问题。随着现代化管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿安全监控技术的日益成熟，煤矿安全生产监控系统在全国大中型矿井中已比较广泛地得到应用。这些系统从中心监控微机系统、通讯设备、检测设备和执行设备等的投资到安装调试，其资金投入少则几百万元，多则几千万元。但是，目前在煤矿安全生产监控系统发展上，生产厂家的注意力主要集中在监测与控制的性能指标上，对一些不常发生的系统安全问题则关注不够，因此在电路设计时没能给予充分的重视。如系统自身的过电压防护能力就不同程度地存在缺陷。近年来，行业主管部门注意到了这个问题，并组织专家对原《煤矿监控系统总体设计规范》进行了修订，对相关内容提出了明确要求。但是很多较早安装并正工作在煤矿中的系统，其固有隐患仍没能得到解决。当携带有大能量的雷电击中系统防雷能力较薄弱的通讯传输线路，尤其在击中有一定高度的架空传输线路后，尽管传输线路使用的是屏蔽线缆，并要求做可靠接地(如果屏蔽效果不好，接地质量较差则更危险)，但雷电的危险能量仍能窜入线路中，并进入正在运行的设备，轻则造成设备损坏，重则有可能因设备损坏造成电火花外漏，由电火花引起井下瓦斯和煤尘的爆炸。二、设计的理论依据雷电过电压保护并非是简单的、单一的雷电过电压保护器件应用，而是应用电磁兼容的原理，综合系统设计，整体防护与分区防护相结合。传统的雷电浪涌保护方法，在选择浪涌防护设备（SPD）时，仅考虑被保护设备本身，没有根据电磁兼容（EMC）原理，把局部或单一的防护措施归结到系统防雷，即整体防护概念。由于缺乏系统观念，导致在电源系统，甚至在雷电防护薄弱环节的不同点安装过电压保护器时，各类防护器件之间不能相互协调，相互之间不能控制。由于防护器件在设计时，其防护性能仅考虑了被保护设备本身的需求，而监测系统防护及各级防护器件是相辅相成的，互相影响的，此时采用局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能，影响了系统的整体防护。根据国际电工委员会IEC1312《雷电电磁脉冲的防护第1部分：一般原则》，将一个需要保护的空间划分为几个防雷区的原则，结合监测系统的具体情况，从电磁兼容的角度出发，煤矿安全生产监测系统中心站和井下分站作为欲保护的空间区域，由外到内可分为几个防雷区，以规定各部分空间区域不同雷电电磁脉冲（LEMP）的严重程度。三、方案设计（一）防直击雷避雷针（或避雷带、避雷网），引下线和接地装置构成建筑物的防直击雷保护措施。检查工业广场范围内所有避雷针（或避雷带、避雷网）引导下线和接地装置，检查做到认真细致，对发现接地电阻阻值变大或引下线断裂，腐蚀严重的逐一进行排查处理，使其达到防护直接雷的设计要求。对主井、副井等高大建筑物上方的避雷针装置进行定期检查和更换。北京思博安泰科技有限公司自主研制开发的系列避雷针产品，针对常规避雷针的不足，采用不同的结构设计及特种组件，使之增强引雷强度，扩大避雷针保护范围，有效降低雷电流的脉冲前沿陡度，转化雷电能量，抑制避雷针的二次雷击效应。（二）防感应雷击和雷击电磁脉冲感应雷击和雷击电磁脉冲是造成电子设备损坏的主要原因。除了附近发生雷击时，感应电磁脉冲可通过传输线形成入侵波。同样道理，即使在远处发生雷击时，只要传输线通过那个区域，一样可以引入感应雷电波。因此，传输线涉及的范围越广，进雷的机率就越高。从电子设备本身讲，微电子设备耐过压的能力很差，且这些电子设备大部分通过各种传输线相互关联，当这些传输线上产生过电压时，设备的接口部分，甚至整个设备都容易损坏。要解决传输线的引雷问题，除了做好防直接雷外，还要在暴露于室外的以及长距离敷设的各种传输线上安装相应的过电压防护装置（SPD），来对侵入到传输线上的感应雷电波进行控制和泄放,以确保设备的安全。1、电源系统防护在各种各样的传输线中，电源线是分布最广的传输线，也就意味着受雷电感应的机率最高，最容易引入感应雷。另外，根据对雷电波的频谱分析，雷电波的绝大部分能量集中在40KZ以下，其中最大的谐波分量就在工频附近，因此，雷电波最易和电源线发生偶合。事实也证明60%～80%的感应雷和雷电入侵波来自于电力传输线。根据IEC防雷的有关规定，对雷电入侵波应分区域进行防护，在每个区域的界面上采取相应的措施，逐级对电流进行泄放，直到将感应对电压降到设备可以承受的水平。因此，电源系统的防雷应采取多重保护，层层设防的原则，根据设备的重要程度和地理位置进行有重点、有层次的保护。2、信号系统过电压防护众所周知，网络通讯设备的接口芯片抗过电压能力很差，为尽量避免上述灾害的发生，需针对不同设备选用相应的数据通讯信号过电压防护装置作为通讯线路上防感应雷电压波的保护措施，将由外部侵入的感应过电压波和由内部感应的过电压波拒之设备之外，以保护整个网络中心控制设备的安全。3、防雷接地系统地网是提供雷电泄放的重要通道，一个良好的接地地网是非常重要的，它是防雷的基础。良好的接地和合理的接地方式能够充分发挥防雷器件的作用，接地电阻越大，越不利于过压过流的消散，因此接地电阻应严格控制在规定的范围内。参照相关行业的技术标准，煤矿企业防雷工程的接地极的接地阻值为：通讯机房、计算机房等重点保护对象点接地阻值小于1Ω，一般保护对象点接地阻值小于4Ω。四、设计依据的标准和规范1、国际电工委员会（IEC）标准《ProtectionofStructuresagainstLightning》IEC61024；2、国际电工委员会（IEC）标准《ProtectionagainstLightningelectromagneticimpulse》(雷电电磁脉冲的防护)IEC61312；3、国际电信联盟ITU-TSG5相关建议书：K.11（过电压和过电流保护的原则），K.27（电信大楼内的连接结构和接地），K.34（电信设备电磁环境条件分类），K.35（远端小型机房的连接结构和接地），K.40（电信中心对雷电电磁脉冲的防护）。4、中华人民共和国信息产业部标准《通信工程电源系统防雷技术规定》YD5078-98；5、国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94；6、国家煤矿安全监察局《煤矿安全规程》7、《电子设备雷击保护规则》GB7450-87；8、《低电压配电设计规范》GB90054-95