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煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷技術(shù)研究

文檔作者：張金豪王衛(wèi)軍文檔來(lái)源： 1．中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 2．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月04日
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第41卷第3期
2014年6月
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION
Vo1．41 No．3
Jun．2014
張金豪，王衛(wèi)軍．煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷技術(shù)研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(3)：5l一53
文章編號(hào)：1008—4495(2014)03—0051—03
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷技術(shù)研究
張金豪 一，王衛(wèi)軍
(1．中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037)
摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)中小型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷現(xiàn)狀，分析了造成系統(tǒng)受雷擊的幾個(gè)因素，并提出對(duì)
應(yīng)的防止雷擊技術(shù)措施，研制相關(guān)防雷產(chǎn)品及運(yùn)用多種防護(hù)手段對(duì)機(jī)房進(jìn)行有效保護(hù)。以大量的試驗(yàn)
數(shù)據(jù)證明該技術(shù)措施的可行性，其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該技術(shù)措施在安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷方面的可靠性。
關(guān)鍵詞：直擊雷；感應(yīng)雷；三級(jí)電源保護(hù)；接地電阻；RS485通訊防雷
中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014—05—24 14：06
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／50．1062．TD．20140524．2245．059．html
Study on Lightning Protection Technology for
Coal Mine Safety Monitoring System
ZHANG jinhao ，WANG We~un
( ．China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research， e，Chongqing 400039，China；
2．State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China)
Abstract：In view of the present situation of lightning protection for mine safety monitoring systems in medium and small coal
mines in our country，analysis was made in this paper on some factors causing safety monitoring systems to be struck by lightning，
appropriate measures for lightning protection were proposed，relevant lightning protection products were developed and several
lightning protection measures were taken in the computer control room． A number of test data proved that this technological
measure was feasible，and site test showed that it was reliable for lightning protection of the safety monitoring system．
Key words：direct lightning；induction lightning；three—level power protection；ground resistance； RS485 communication
lightning protection
現(xiàn)階段，根據(jù)國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程規(guī)定，安全
監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的必要手段 j。我國(guó)西南
片區(qū)煤礦主要分布在山區(qū)，礦區(qū)遭受雷擊現(xiàn)象非常
嚴(yán)重，許多礦區(qū)大都不具備雷擊防護(hù)設(shè)施，監(jiān)控系統(tǒng)
時(shí)常受到雷擊破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法對(duì)礦井有毒有害
及易燃易爆氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，影響礦工的生命安全以
及煤礦的正常生產(chǎn)。
1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷構(gòu)思及結(jié)構(gòu)
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)由地面主機(jī)、通訊接口、通訊
電纜、分站、電源、傳感器以及斷電器等組成，雷擊通
過(guò)以下幾種方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行破壞：直擊雷影響監(jiān)控
系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的電腦和接口；感應(yīng)雷擊通訊電纜，破壞
收稿日期：2013—07—27；2014—02—21修訂
作者簡(jiǎn)介：張金豪(1974一)，男，重慶南川人，工程師，瓦
斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有線通訊實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)
人，主要從事礦井?dāng)?shù)據(jù)信息研究。
分站的通信系統(tǒng)；對(duì)電源的影響破壞分站及傳感器。
因此安全監(jiān)控系統(tǒng)必須從以上3個(gè)方面著手設(shè)計(jì)防
雷結(jié)構(gòu)，見圖1。
直擊雷防護(hù)
電源防雷
_ ___ __ ●● -- -●- ●_ -__ - __- — —
． ．．． ．． ．． ．． ．．J．．．．．．．．一
通信線防護(hù)
分站電源防雷f I傳感器防雷I1分站通信防雷
圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷結(jié)構(gòu)方框圖
2 安全監(jiān)控系統(tǒng)受雷擊分析
2．1 雷擊形式及危害
雷擊通常分為直接和感應(yīng)雷擊。直接雷擊通常
指雷電直接擊在建筑物上，由于電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)
械效應(yīng)等混合力作用，直接摧毀建筑物以及引起人
員傷亡等。感應(yīng)雷擊通常指雷云之間或雷云對(duì)地之
間的放電而在附近的架空線路、埋地線路、金屬管線
· 51．
Vo1．41 No．3
Jun．2014
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY &amp;amp; ENVIRONMENTAL PROTECTION
第41卷第3期
2014年6月
或類似的傳導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，其通過(guò)傳導(dǎo)體
傳送至電子設(shè)備，間接摧毀微電子設(shè)備。
2．2 安全監(jiān)控系統(tǒng)受雷擊影響分析
安全監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)房受雷擊來(lái)源：第一，直接雷擊
到機(jī)房電源進(jìn)線上，導(dǎo)致機(jī)房電源設(shè)備產(chǎn)生幾千伏
乃至上萬(wàn)伏的高壓，破壞機(jī)房各種中心控制設(shè)備；第
二，感應(yīng)雷擊到機(jī)房電源線、機(jī)房?jī)?nèi)部沒(méi)備上通過(guò)感
應(yīng)產(chǎn)生高壓，對(duì)機(jī)房設(shè)備造成破壞；第三，感應(yīng)雷擊
通過(guò)室外RS485通訊總線產(chǎn)生感應(yīng)高電壓，通過(guò)總
線進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)通訊接口，直接破壞監(jiān)控系統(tǒng)通訊
接口、通訊分站乃至通訊中心控制主機(jī)等。
3 安全監(jiān)控系統(tǒng)防雷措施
3．1 電源防雷
監(jiān)控機(jī)房的電源容易受到直擊雷以及感應(yīng)雷的
影響，對(duì)設(shè)備造成破壞，因此機(jī)房電源防雷應(yīng)從直擊
雷防護(hù)和感應(yīng)雷防護(hù)兩方面人手。
3．1．1 直擊雷防護(hù)
直擊雷的波形為10／350 s時(shí)問(wèn)與電流的曲
線，是典型雷電擊穿大地的雷電流曲線。一個(gè)
10／350 Ixs雷電流10 kA的雷擊波形，其雷電能量近
似為17 500 J。該能量加載到任何電子產(chǎn)品上都會(huì)產(chǎn)
生極強(qiáng)的破壞作用。對(duì)于安全監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須在
雷擊浪涌到達(dá)設(shè)備以前將浪涌泄放掉。泄放最有效
的措施是在機(jī)房房頂增加避雷針，并輔助以良好的接
地系統(tǒng)(接地電阻R≤l0 Q¨2 )，將該能量泄放到
大地。
3．1．1．1 避雷針設(shè)計(jì)
機(jī)房建筑物屬于第三類防雷建筑物，用滾球法
設(shè)計(jì)接閃器時(shí)滾球半徑取h =60 1TI。直擊雷防護(hù)范
圍包括整個(gè)機(jī)房建筑物和旁邊的高壓線引下線端。
對(duì)監(jiān)控機(jī)房屋頂設(shè)計(jì)獨(dú)立的避雷針h=l0 1TI，機(jī)
房屋頂?shù)某叽绨? ITI×10 nl x 4 m計(jì)算。避雷針保
護(hù)范圍計(jì)算公式為
= ~／ (2h 一h)一~／ (2h 一h ) (1)
rn=Jh(2h 一 ) (2)
式中：r 為避雷針在h 平面的保護(hù)半徑；h 為滾球
半徑，一類防雷取值30 m； 為被保護(hù)物的高度，m，
按最高處8 in計(jì)算；r0為避雷針在地面上的保護(hù)
半徑。
避雷針在h 高度的保護(hù)半徑為
r = Jh(2h 一h)一Jhx(2h 一h )
= 8．589 m
避雷針保護(hù)范圍立體圖見圖2。
· 52 ·
邂暫針
{ R=6ITI
＼ ／
，， ＼＼
、 ／
L一_， 一一一一， 一，， 、’．
、、
、、
、～
- -
一
避雷針在地面的保護(hù)半徑為38．52 m
圖2 避雷針保護(hù)范圍立體圖
3．1．1．2 接地極設(shè)計(jì)
在機(jī)房外的空地開挖1個(gè)1 000 mmx600 himX
800 mm的坑，埋入非金屬接地模塊，并加入高效降
阻劑降低接地電阻，模塊與模塊之間用40 mmx
4 mm的熱鍍鋅扁鋼連接，并做好防腐處理；再結(jié)合
垂直接地體，組成環(huán)狀的接地系統(tǒng)，地阻要求不大于
4 Q。接地極設(shè)計(jì)見圖3。
扁鋼：40IYIITI×4mnl 地平面
圖3 接地極設(shè)計(jì)
當(dāng)接地電阻達(dá)不Nil,于4 Q時(shí)，應(yīng)增加垂直接
地體。在現(xiàn)有地網(wǎng)的旁邊挖深500 ml／l、寬100 mm
的溝槽，用40 mill x40 mm×4 mm熱鍍鋅角鋼打入
地下，角鋼長(zhǎng)度約為1 500 mm，角鋼頂部離地面距離
約0．5 ITI。角鋼與角鋼之間采用40 ram~4 mm熱鍍
鋅扁鋼連接，連接點(diǎn)采用焊接，并做好防腐處理，整
體接地電阻結(jié)構(gòu)見圖4。
圖4 整體接地電阻結(jié)構(gòu)不意圖
3．1．2 感應(yīng)雷防護(hù)
安全監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)房一般采用三級(jí)保護(hù)。采用B類
加C類保護(hù)的兩級(jí)保護(hù)配置，殘壓可降至800 V；采
用B加C加D的三級(jí)保護(hù)，殘壓可降到250 V。
第一級(jí)采用B類過(guò)電壓保護(hù)器—— 電涌保護(hù)器
(DXH06一FB)，安裝在機(jī)房總配電處，再加專用接地
線(16 mm )直接連接到匯流排等電位連接處(總接地
體)達(dá)到分流的目的。這樣可將100 kA的10／350 Ixs
的雷電流大部分泄人大地，并將剩余的能量衰減為
8／20 s的浪涌沖擊電流。
第二級(jí)采用C類過(guò)電壓保護(hù)器——電涌保護(hù)器
第41卷第3期
2014年6月
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFE IY &amp;amp; ENVIRONMENTAL PROTECTION
Vo1．41 No．3
Jun．2014
(DXH06一F)，安裝在次級(jí)配電箱處，從保護(hù)地線的
連接端子處再連接1條接地電纜到匯流排等電位連
接處(總接地體)。
由于兩級(jí)保護(hù)系統(tǒng)殘壓僅能達(dá)到400 V，并不能
完全保證100％的安全，因此第三級(jí)采用D類的過(guò)
電壓保護(hù)器——電涌保護(hù)器(DXH06-Z5)，安裝在
設(shè)備供電系統(tǒng)的前端，再與前兩級(jí)保護(hù)器的配合下
系統(tǒng)殘壓可達(dá)250 V，達(dá)到安全監(jiān)控系統(tǒng)電子設(shè)備電
壓承受范圍。
3．2 通訊線防雷
安全監(jiān)控系統(tǒng)的地面中心機(jī)房與井下設(shè)備通常
都采用RS485通訊方式。由于RS485通訊網(wǎng)絡(luò)中電
纜遍布在雷擊區(qū)域，該信號(hào)極容易受到感應(yīng)雷擊影
響，產(chǎn)生高電壓，從而通過(guò)通訊線引入高電壓到通訊
接口、中心站、井下分站，造成安全監(jiān)控系統(tǒng)的大面
積損壞。為有效杜絕感應(yīng)雷擊通過(guò)通訊電纜產(chǎn)生感
應(yīng)高電壓對(duì)電子設(shè)備的損壞，設(shè)計(jì)了一種防雷電路，
見圖5[ 。
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圖5 通訊線避雷器電路圖
當(dāng)雷擊時(shí)感應(yīng)雷在信號(hào)電路上產(chǎn)生高電壓，高
電壓使TVS管(瞬態(tài)抑制二極管)導(dǎo)通(導(dǎo)通時(shí)間納
秒級(jí))，產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，該電流使TBU(場(chǎng)效管觸
發(fā)器)動(dòng)作，從物理連接上斷開整個(gè)通訊線路，對(duì)通
訊設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)。放電管此時(shí)對(duì)感應(yīng)高電壓實(shí)
行泄放，當(dāng)泄放高電壓至TVS恢復(fù)工作電壓時(shí)，TBU
恢復(fù)連接，通訊電路物理連接恢復(fù)正常。
4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)室使用煤礦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)
測(cè)試設(shè)備，按圖6的連接方法進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)反復(fù)多
次實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
中心PC機(jī)
KJJ46數(shù)據(jù)通訊接口
通訊防雷器
I
二 雷擊浪涌發(fā)生器 二
通訊防雷器
瓦斯檢測(cè)分站
圖6 雷擊測(cè)試連接框圖
表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)記錄
5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)
重慶市宏能煤礦處于雷擊區(qū)域，歷年受到雷擊
破壞嚴(yán)重。每年受到雷擊損壞的設(shè)備有接口2—
3臺(tái)、分站1O一2O臺(tái)、電源板幾十塊以及傳感器
100余臺(tái)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失10萬(wàn)元以上。該技術(shù)
措施于2013年4月在現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施，經(jīng)歷了多次雷
擊檢驗(yàn)，通訊系統(tǒng)正常，無(wú)損壞，保證了安全監(jiān)控系
統(tǒng)的正常運(yùn)行，達(dá)到了系統(tǒng)防止雷擊的效果。
6 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)室雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)在防止雷擊
方面達(dá)到國(guó)家要求的各類技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性
試驗(yàn)證明，安全監(jiān)控系統(tǒng)的防雷技術(shù)措施能有效解
決雷擊對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的損壞問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)：
[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．煤
礦安全規(guī)程[S]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．
[2]GB 50057---94，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(2000版)[S]．
[3]張金豪．TBU在RS485通訊防雷中的運(yùn)用[J]．煤礦安
全，2013(2)：117—118．
(責(zé)任編輯：衛(wèi)蓉)
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