煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略电路图

唐兆广

（中煤科工集团常州研究院有限公司,江苏常州,213015）

煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略电路图

唐兆广

（中煤科工集团常州研究院有限公司,江苏常州,213015）

煤矿自动化控制体系从根本原理而言是采用弱电体系对强电设备进行监控与管理的一种模式，是现阶段煤矿生产以及现代化改造的核心目标。而弱电体系对于雷电的防护能力相对较低，当雷击出现后不仅容易形成自动化控制系统自身的损坏，还容易由于自动化控制系统的失效而引发更大的煤矿生产安全事故。在这样的背景下，本文以煤矿自动化控制系统为研究对象，切实总结雷电的危害，进而提出煤矿自动化控制系统雷电防护的必要性。并按照煤矿自动化控制系统的功能要素进行分类，对其各个环节的雷电防护策略进行分析。希望通过本文的研究能够为今后的相关系统构建提供必要的理论基础与实践指导。

煤矿；自动化系统；雷电；防护

1 自动化系统防雷必要性分析

之所以需要对煤矿的自动化系统进行防雷操作，一方面是由于自动化系统对于煤矿生产与安全起到至关重要的作用，而其自身的安全与有效性则提出了更高的要求。另一方面则是自动化系统属于弱电体系，对于雷电的抗性相对较低，即使在屏蔽设备构建的基础上依旧容易形成感应影响。上述的两个方面决定了雷电对于其自身的运营与安全有着重要的影响，我们更应该对其防雷体系进行系统的研究。

对自动化系统进行防雷的必要性主要体现在如下几个方面：

第一，自动化系统防雷能够保障煤矿的正常生产。煤矿生产需要较强的连续性，而自动化系统的构建目的也是从连续性与效能的角度考虑的。完善的防雷体系能够规避气象风险带来的煤矿停产、停工，进而有效的保障了生产的连续性。

第二，自动化系统防雷能够有效提高煤矿的生产安全。煤矿自动化体系关系到煤矿生产的方方面面，包括视频监控、危险物检测、通风、排水保障等多个涉及安全生产的环节均离不开自动化体系的参与。而防雷体系的构建能够有效的保障上述设施的完善运行，进而对于保障矿井安全体系的有效性提供必要的基础。另外，当雷击发生时，不仅自动化系统无法正常工作，相反其雷电产生的脉冲会通过环网进入到矿区内部，进而诱发安全生产事故。

第三，自动化系统防雷能够降低系统自身的损毁风险。自动化系统为弱电系统，其自身的系统承载力十分有限。当雷击发生时，自动化系统的讯号传输网络以及数据存储与处理设备均无法承载巨大的电流与电压，会发生击穿或者熔断热效应等现象。进而使得相关设备完全损毁，形成较大规模的损失。

2 自动化系统防雷策略分析

通过上文的分析我们可以清晰的意识到防雷体系对于煤矿自动化系统构建的重要意义与必要性。在具体的防雷策略构建过程中则需要根据自动化系统的不同组成与功能来分类讨论。

2.1 雷电直击防护策略

雷电直击主要是指雷电通过导体以及尖端放电的作用而直接作用于系统的某个部分的情况，此种方式对于煤矿自动化系统的损伤是最大的。而与之相对的是雷电直接的防护手段相对简单，在具体的防护措施层面主要可以分为避雷针以及防护网两个类别，其中避雷针的使用相对较多，同时也存在一定的交叉构建的形式。其与传统避雷方式相同，在本文中不再讨论。

2.2 电源系统防雷策略

煤矿生产的电源设备可以分为井上设备与井下设备两个部分，二者过载电压的不同也决定了二者防雷策略的不同。具体分为如下两个方面：

第一，对于井上电源系统防雷策略。井上电源系统主要是由变电站以及高压输电线路组成，而此方面的防雷策略主要通过四级系统来进行构建。其注意要点也分为如下几个方面：首先，采用10/350μs波形来进行电源的第一级防护，设定硬件通流容量为25kA，并利用集线保护的方式对电源进行保护器加装；其次，利用8/20μs波形来进行电源的第二级防护，并设定硬件通流为40kA，电压限制为2kv，如此通过电源分压限制来逐级的递减雷电的通过伤害，并在保证供电正常的情况下来完成相应的保护体系构建。最后，同样利用8/20μs波形来构建三级与末级的防护体系，并采用逐级降低雷击过电压限制，进而来保障自动化系统的供电安全。

图1 煤矿电源系统防雷电路示意图

第二，对于井下电源系统防雷策略。井下电源系统的构建原理与井上的不同，其采用的是基于变压的终端供电系统，因此在其雷电保护的过程中主要是采用断路避雷器的使用来进行实现的。而在具体构建的过程中应该注意如下几个问题。首先，在断电器参数设定的过程中应该满足井下工程的正常需求，就一般情况而言，其断电电压应该在560v-600V之间，参数设定过低容易造成正常设备使用时的启动电压过大而导致的断电，进而使得煤矿生产连续性遭到破坏。而设定过高则无法起到保护的作用。

2.3 监控系统防雷策略

监控系统是自动化体系的核心组成，其既包括了对于生产现状进行监控的实时视频数据传输系统，又包括了设备控制与存储数据的传输系统。二者具有共同的特征，即弱电系统对于电压以及电流的敏感度更强。在这样的背景下其防雷的构建策略主要采用线路屏蔽与端口防雷的双重保护。在线路屏蔽层面，正式由于其对于电流与电压十分敏感，进而感应电流强度既可以影响其正常工作，甚至是设备的损坏。因此，在具体保护过程中通过屏蔽线缆的使用以及埋地/墙的体系构建来增加其屏蔽强度，进而保障整体的合规性。在端口防雷的过程中是整体防雷系统的关键，通过分站接口避雷器的使用来防止由于线路传输而带来的外界雷电损伤，具体的讯号讯号避雷器可以采用RS485及其后代设备来进行构建。此种设备的特点使得能够与整体的弱电系统形成有效的联合，不仅能够对电流的异常变动进行规避，还能够根据讯号的频率波段进行相关的参数设定。在保障了系统正常运行的同时，有效的防止了雷击现象。此外，在监控系统防雷体系的构建过程中我们还可以通过前端结构以及交换机端口来构建多级的屏蔽体系，进而使得其防雷效果更为优秀。

除了上文讨论的三种防雷措施与策略之外，通过等电位连接的方式构建内网体系也是一种可行的办法。在此种防雷构建体系中通过总等电位连接端子的模式使得不同用电设备以及相关网络之间形成等电位连接模式，进而规避雷电造成的危害。

3 总结

煤矿自动化控制系统是提高煤矿生产效能、提高煤矿安全遵从度的有效保障。而自动化控制系统的构建不仅需要对强电系统进行整合，还需要构建完善的弱电网络。在这样的情况下，其对于雷电的抗性相对较低，如果不做好防雷工作则不仅影响自动化系统的运行，更容易引发更大的安全隐患。本文以此为基础，对煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略进行研究，在总结了其体系构建的必要性基础上，探讨了包括电源、雷电直击以及监控体系在内的三方面防雷策略。希望通过本文的研究能为今后的相关建设提供必要的理论基础，也为类似的自动化升级提供可行指导。

[1] 乔良. 基于组态技术的煤矿综合自动化系统的设计与实现[D].天津大学,2013.

[2] 张华明,张义军,刘耀龙,李强,胡俊清,杨世刚.煤矿雷电灾害特征及防御研究[J]. 煤炭科学技术,2013,S2:215-217+221.

唐兆广（1966.4-），男，江苏兴化，大学，工程师，研究方向：煤矿井下通信、监控设备与系统

Lightning protection strategy circuit diagram of coal mine automation control system

Tang Zhaoguang
(Changzhou Research Institute of coal science and Industry Group Co.Ltd,Jiangsu Changzhou,213015)

Coal mine automation control system from the fundamental principle is adopted the weak electricity system of high-voltage electrical equipment is a model of monitoring and management,is the core target of the present coal production and modernization.And the weak electricity system for lightning protection ability is relatively low,when lightning occurs not only easy to form the automatic control system of its own damage,but also easy due to the failure of the automatic control system and cause greater coal mine production safety accident.Under this background,this paper takes the coal mine automation control system as the research object,and then summarizes the harm of the thunder and lightning,and then puts forward the necessity of coal mine automation control system lightning protection.And according to the functional elements of coal mine automation control system,the lightning protection strategy is analyzed.It is hoped that the research can provide the necessary theoretical basis and practical guidance for the construction of related systems in the future.

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