矿山复杂工况下的监测设备防雷措施及应用

冀 虎，杨小聪

（北京矿冶研究总院，北京102600）

随着数字化矿山步伐的加快，计算机电子技术不断发展，矿山安全监测系统不断增加，监测设备为矿山安全高效开采矿产资源提供越来越多应用的同时，也面临着矿山复杂工况环境提出的挑战。以计算机电子技术为基础的矿山安全监测设备，在复杂的矿山环境下，因防雷失当，极易受到雷雨天气条件下的雷电所产生的直接作用或间接作用的影响和破坏，造成设备瘫痪甚至损毁，既影响了矿山正常安全作业，也为工作中的人身财产安全带来无法估量的隐患。因此，实现矿山复杂工况下监测设备的有效防雷，是安全监测系统安全稳定运行、有效可靠监测、矿山安全服务得以实现的重要保障［1－8］。针对以上问题，本文结合矿山应用，分析危害监测设备的雷电类型及方式，以直接防护和间接防护的方法，设计满足实际应用的防雷措施。

1 危害矿山监测设备的雷电种类

雷电的特点是持续时间短（8～20ms），通过电流大（2 000～20 000A），当带电云层（雷云）大量积聚带电粒子致使电场强度达到25～30kV／cm时，就开始放电而形成雷电。雷云放电的方式有云间放电和对地放电两种。根据其对地放电引起的危害形式及作用路径的不同可分为直击雷和感应雷［2］，如图1所示。

1）直击雷

图1 雷电危害种类Fig．1 Kinds of lightning harm

直击雷是由于大气层中的雷云与地面之间形成的强电场达到空气游离临界值而产生强烈放电，并由此伴随产生电效应、热效应等一系列破坏作用。其过程中雷云中积聚的电荷与大地中积存的极性相反的电荷直击放电中和，其放电电流峰值可达上万安培。直击雷产生的电压称之为直击雷过电压或传导过电压，电压峰值通常可达几万V甚至几百万V。直击雷可引起强烈破坏的主要原因是雷云中积聚的能量在极短时间内进行释放。

2）感应雷

感应雷是由于雷云与地面之间发生放电中和时，伴随着的强大电磁场引起周边导体所产生的雷电电磁感应脉冲。显然，感应雷是由直击雷引起的，所以感应雷也称为二次雷，通过电缆、管线等类似导体，将产生的感应电压传入设备内部，损毁设备。因此，以间接方式造成设备破坏是感应雷危害的主要特点。

2 矿山潜在的雷电危害方式

1）直击雷危害方式

在雷雨天气条件下，雷云中电荷的不断积累，由于静电感应使地面同时积聚极性相反电荷，最终在雷云与地面之间形成强静电高压电场。在电场力的作用下，雷电对被击中的设备形成放电作用，以卸载电荷。因此，当地面的矿山安全监测设备被直击雷击中时，其过程会产生强烈的电效应、热效应和机械力等作用，危害设备正常工作。

2）感应雷危害方式

矿山安全监测设备多以电子设备、通信设备和计算机网络设备等为主，由于雷云感应作用，监测系统中导体上感应出强静电感应电压，直接损坏设备，这种危害称为静电感应危害。同时，由于感应电压在导体上形成的强电流变化，形成强大的电磁场，使存在于这一变化磁场中的其他设备再次感应出强电动势，造成设备的串联损坏，这种危害称为电磁感应危害。研究发现，静电感应方式引起的浪涌远大于电磁感应引起的浪涌。设备造成的危害集中体现在电子元器件上，其常见的引雷渠道有监测系统中一切电子设备的天线、馈线、电源线、信号线、接地线等，以及施工中使用到的金属管路、钢筋等。如，电源线缆距离较长且传输损耗较小、信号线中传输高频信号、接地线路有效阻值较大等，均会引入感应雷造成设备损坏。

3 矿山工况下监测设备防雷措施

面对直击雷、感应雷引发的静电感应或电磁感应的危害，根据矿山实际工况，并结合现场可操作性，以信号采集、传输、处理、分析、供电等多环节交叉防雷应用，实现更具实效性防护设计。

1）接地防护

通过设备上的金属体或金属外壳可靠接地，并使其等效接地电阻尽可能的小，同时保证接地电缆有足够高的载流能力，以此实现设备防护接地。这样设计的原理如图2所示，图为设备防护接地的等效示意图，图中接地电阻、设备1、设备2构成并联电阻网络，当接地电阻足够小或远小于设备的等效内阻时，由雷电引起的强放电电流，会通过接地电阻实现快速释放，从而避免强电流流过设备，造成设备损毁。同时，由于接地电阻的有效接地，当工作人员接触设备时，也可以避免强电流造成人身伤害。此外，当分布在多个区域的设备实现防护接地时，通常采用图中的接地扁铁实现多个设备与接地极的相连，这样既实现了设备的有效接地，也因接地极之间构成并联电阻网络而减小了等效接地电阻值。

对于等效接地电阻实现有效接地的标准，国家相关防雷设计规范中均有规定。其中，建筑物防雷中，防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其工频接地电阻不应大于10Ω；电源系统实现接地，要求机房接地与防雷接地系统共用时，接地电阻要求小于1Ω；电子计算机机房接地设计，要求交流工作接地和安全防护接地，接地电阻不应大于4Ω。

2）避雷器防护

图2 设备防护接地等效示意图Fig．2 Schematic diagram of equipment protection grounding

避雷器由接闪器、引下线和接地体组成，这里采用的避雷器防护是以避雷针作为接闪器，安装在突出部位或以针形导体独立装设，通常采用镀锌圆钢或镀锌钢管制成，适宜短针及多针防护，保证防护半径。避雷器防护的工作原理是通过避雷针作为引雷针在强电场作用下产生尖端放电，与雷云电场构成雷电通路，将雷云与地面形成的电势差，以雷电流方式对地泄放，避开监测设备引雷，起到避雷作用。如图3所示，单支避雷针的保护范围可以通过计算得到，计算方法如下：

式中，R—单支避雷针的保护半径；H—避雷针的高度；Hx—被防护监测设备的高度；Ha—避雷针的等效高度。此式适用于H≤30m的避雷针，当H＞30m时，结果须乘以如下系数：

图3 避雷针防护Fig．3 Protection of lightning arrester

3）电磁屏蔽防护

电磁屏蔽的主要目的是防护雷电引起的强电磁场变化造成电子设备异常或干扰数据传输。由于屏蔽体对来自设备或系统外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。当干扰电磁场的频率较高时，可利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，抵消外来电磁波影响，实现屏蔽；当干扰电磁场的频率较低时，采用高导磁的材料，使磁力线在屏蔽体内传播，减少磁力线进入屏蔽空间，实现屏蔽。

为了实现有效电磁屏蔽，设备的线路可穿金属管进行保护或选用屏蔽线缆，并将金属管和线缆屏蔽层两端可靠接地。有些设备的电子元件器或电路板易受电磁场干扰，可选用带电磁屏蔽功能的外壳进行屏蔽防护。

4）浪涌保护器防护

浪涌保护器通常采用抑制瞬态过电压和泄放浪涌电流的方式，实现对雷电引起的瞬间过电压和浪涌电流的防护。浪涌保护器广泛应用于低压配电系统以防护电网中过压过流，保证供电系统中的电子电气设备及配电装置能够免受浪涌影响［5］。通常，根据设备工作电压及电流的不同，选用不同类型浪涌保护器。当供电电压超出设备正常工作电压时，浪涌保护器对线路上的电压峰值进行限幅，并泄放掉部分浪涌电流。

浪涌保护器的使用多采用三级防护，即：第一级防护设置在设备系统的供电进线处，实现线路传导的雷电流被抑制在系统之外；第二级防护可安装在系统中单个机柜或机箱的电源进线处，防止瞬态过压过流引起的设备危害；第三级防护常用于单个设备的供电防护，保护对电源变化较敏感的设备免受损坏。

4 矿山监测设备防雷应用

国内某铜矿建设尾矿在线安全监测系统，根据该尾矿库监测需求，系统设计监测内容包括库水位、坝体位移、坝体浸润线、降雨量、视频监控等。结合监测内容，实施方案设计如下：采用西门子公司SITRANS Probe LU系列超声波液位计测量库水位及滩顶高程的动态变化；采用Trimble公司具有工业防护等级的双频GPS接收机与全站仪相结合方式监测坝体表面位移，采用BGK公司的测斜仪监测坝体内部位移；采用BGK公司的振弦式渗压计监测坝体浸润线；采用雨量计监测降雨量；采用高防护夜视枪机对坝体关键点进行视频监控。

图4 尾矿库安全监测系统的防雷应用Fig．4 Lightning protection in security monitoring system of tailings pond

该尾矿库安全监测系统以监测信号传输路径为主线，通过多环节交叉防护的原则布设防雷，即信号采集、信号传输、信号基站、设备供电等环节联合布设，并采用接地、避雷器、电磁屏蔽以及浪涌保护器等方式交叉防护。最终，设计从采集站点、采集基站、调度室等环节实施全过程多方式交叉的设备防雷措施，如图4所示，主要防雷应用如下：

1）采集站点防雷。分析采集站点的引雷渠道，采用通用防雷方式，并以信号标准的不同对其传输进行分别防护。采集站点接地端有效接地，满足接地规范，多个接地极间通过接地扁铁连接，降低接地阻值，提高强电流泄放能力；信号传输采用铠装屏蔽线缆，并将屏蔽层可靠接地；采集信号进入采集基站前根据信号标准的不同，添加相应信号防雷模块；针对GPS、视频监控等易引雷站点，采用接地、避雷器、电磁屏蔽以及浪涌保护器等多方式交叉防护。

2）采集基站防雷。将采集设备所有对外连接的路径进行多方式交叉防雷，如采集设备放入高防护机箱，基站机箱接地端有效接地，供电输入采用三级浪涌保护器等。

3）调度室防雷：所有采集站点的监测数据经采集基站处理后，以网络传输方式进入调度室。因此，调度室防护采用网络防雷模块、供电输入浪涌保护器、有效接地等交叉措施实施防雷应用。

5 结论

由于矿山环境复杂并多有雷雨天气，安全监测设备极易受到雷电的影响和破坏。因此，本文通过分析矿山存在的雷电危害类型及危害方式，结合监测设备的应用环境和防护需求，以信号采集、信号传输、信号基站、设备供电等多环节联合布设，接地防雷、避雷器防雷、电磁屏蔽防雷、浪涌保护器防雷等多方式交叉防护的设计，制定更具针对性的防雷方案和应用措施，预防和降低雷电对监测设备的损害。最终，实现矿山复杂工况下的监测设备对直击雷和感应雷的有效防护，确保矿山安全监测设备的正常工作，为辅助矿山安全高效开采矿产资源提供保障。

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