浅谈白庄煤矿防雷设计方案
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摘要：根据白庄煤矿的现状，所有弱电系统均无任何感应雷防护措施。雷电电磁脉冲可由供电线路、信号线路入侵，从而影响整个系统和设备的正常工作甚至损坏设备。为防止雷电电磁脉冲由各种途径入侵，我们提出防护措施方案。
关键词：感应雷电煤矿防雷方案防雷器接地
1、引言
河南煤化焦煤集团白庄煤矿位于河南省西北部太行山南麓，焦作市修武县七贤镇境内，属雷电多发地区，每年都发生因雷击造成人员伤亡或财产损失的事件。近年来，随着我国社会经济的发展和现代化水平的提高，特别是由于信息技术的快速发展，雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响越来越大。电子化时代的雷电灾害是我们必须要解决的燃眉之急，也要求我们必须做好雷电预防和防护工作。
2、雷击的形成及入侵途径
（1）雷击形成：雷击主要有两种形式：直接雷击和感应雷击。直接雷击：雷击直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力,称之为直接雷击；感应雷击:雷电放电时，在附近导体上产生的静电效应和电磁感应，可能使金属部件之间产生火花，称之为感应雷击。
（2）雷击入侵途径为：
① 传统避雷针的副作用产生二次感应雷击效应，雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上。
② 通过电源线、信号线或天馈线引入感应雷击。通过电感性耦合（磁感应）耦合到各类传输线而破坏设备。
电源线引入感应雷击：市区以外的移动通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明，雷电频谱在几十MHZ以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市电相耦合的概率很高。
信号线引入雷击：为了扩大信号覆盖范围，就要尽可能地增加天线架设高度（65m以上的铁塔约占50%）。这样，在提高信号覆盖范围的同时，也增加了铁塔引雷的概率。当铁塔上的避雷针引雷入地产生二次雷击效应是顺塔而下的天馈线首当其冲。可一旦二次雷击效应以信号方式进入馈线时，收发信号设备端口损坏也就在所难免了。
③ 地电位反击引入感应雷击。通过阻性耦合方式经数据线破坏设备。通过阻性耦合方式经中线及地线破坏设备。
上述各种耦和会产生高达6000伏（根据BS6651，CCITT，LIT，IEEE及我国相关标准）的瞬间电压而破坏电子设备
3、雷电防护方案设计依据和原则
（1）雷电防护方案设计依据。依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，大楼和大楼内之计算机房、程控机机房等设备都必须有完整完善之防浪涌保护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，电脑网络、卫星通信设备等装置，均应有SPD防护装置保护。设计依据包括：a、GB50057-94(2000)《建筑物防雷设计规范》；b、GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》；c、YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规定》；d、YD5098-2005《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》。
（2）雷电防护方案设计原则。a、严格按照国标颁部标准以及相关的国际标准实施防雷工程。b、根据电子及电气设备的不同功能及不同受保护程度确定防护要点，作分类保护。c、在做好系统防雷的基础上，达到最大节约资金的目的，符合客户要求。4、雷电防护总体设计方案
（1）建筑物防雷保护（接闪）。建筑物的防雷保护主要是防止直击雷直接击在建筑物上，引起建筑的损坏。对于直击雷的防护常见的有避雷针、避雷网、避雷带。选用何种直击雷防护措施要根据该建筑物所处的地理位置、当地雷击情况、建筑物的高度等进行选择。
（2）接地。根据YD5098-2005标准要求，移动通信基站接地装置应满足下列接地要求：
① 交流工作地。在工作或事故情况下，保证电器设备可靠地运行，降低人体接触电压，迅速切除故障设备或线路、降低电器设备和输电线路的绝缘水平，接地电阻不大于10欧姆。
② 安全保护地。在中性点不接地系统中，如果电器设备没有保护地，当该设备某处绝缘损坏时，外壳将带电，同时由于线路与大地间存在电容，人体触及此绝缘损坏的电器设备外壳，则电流流入人体形成通路，人将遭受触电的危险。设有接地装置后，接地电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过，接地体电阻愈小，流过人体的电流也愈小，接地电阻极微小时，流经人体的电流可不至于造成危害，人体避免触电的危险，接地电阻不大于10欧姆。
③ 直流工作地。计算机以及一切微电子设备，大部分采用中、大规模集成电路，工作于较低的直流电压下，为使同一系统的电脑（计算机）、微电子设备的工作电路具有同一“电位”参考点，将所有设备的“零”电位点接于一接地装置，它可以稳定电路的电位，防止外来干扰，这称为直流工作接地。
同一系统的设备接于同一接地装置后，无论是模拟量或数字量，在进行通信或交换时，才有统一的“电位”参考点，从而给接于同一接地装置的计算机或微电子设备，提供稳定的工作电位，有效地衰减以至消除各种电磁干扰，保证数据处理或信号传递准确无误，接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
④ 防雷接地。为使雷电浪涌电流泄入大地，使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、过电流的危害，所有建筑物、电气设备、线路、网络等不带电金属部分，金属护套，避雷器，以及一切水、气管道等均应与防雷接地装置作金属性连接。防雷接地装置包括避雷针、带、线、网接地引下线、接地引入线、接地汇集线、接地体等。接地应接现行国标GB50057-94《建筑物防雷设计规范》执行。
交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不大于其中最小值。
（3）等电位连接。根据现场情况，实行等电位连接的主体应为：① 设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道。② 供电线路含外露可导电部分。③ 防雷装置。④ 由电子设备构成的信息系统。
实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器(SPD)。防雷等电位连接是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体或电涌保护器SPD 做等电位连接。其目的在于减少雷电击到基站时，不同设备的接地点电位同时急剧升高， 而设备间由于接地方式的差异， 导致不同设备间或同一设备内部出现电位差，当两者电位差足够大时，带高电位设备会向地面或其他低电位设备放电，从而造成通信设备损坏。
机房内各种线缆的金属外层、设备保护接地、工作接地、金属构件、各种箱体、壳体、机架、屏蔽网等均以最短距离与局部等电位连接带连接。机房等电位连接主要采用在机房敷设环形接地汇集线或星形接地汇流排，连接机房内设备和联合地网，做到等电位连接的目的。
通过星型（S型结构或网形M型）结构把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。小型机房宜选S型，在大型机房宜选M型结构。
（4）、屏蔽
机房内的电力电缆（线）、信号天馈线宜尽量采用屏蔽电缆。
架空电力线由终端杆引下后应更换为屏蔽电缆，进入大楼前应水平直埋15m以上，埋地深度应大于0.5m，屏蔽层两端接地，非屏蔽电缆应穿镀锌铁管前水平直埋15m以上，铁管两端接地。
航标灯电源线由机房电压电源设备引出后应更换为屏蔽电缆，应水平直埋10m以上，埋地深度应大于0.5m，屏蔽层两端接地，非屏蔽电缆应穿镀锌铁管前水平直埋15m以上，铁管两端接地。
（5）、电源、信号防雷器选型确定（过电压保护）
本次配电、信号系统防雷方案的设计，考虑数据信息的重量性，我们选用安装具有大流量泄流能力的防雷产品，以确保防雷工程质量。从此点出发，从国外众多的知名防雷厂家中选定最合适的防雷器品牌。
因此再综合其它各种因素考虑，防雷方案最终采用选定品牌的防雷器为主的整体防护体系来对气象雷达站的电源、信号部分作防雷保护。
① 电源系统保护
电源防雷器并联安装于线路上，因此在选择防雷器时要保证防雷器能够起到保护作用，同时还要考虑到防雷器对雷电流的通流能力，所以在防雷器的选型上应注意下列问题：
Ⅰ、对不同的供电接地系统选用不同的防雷器
Ⅱ、最大持续工作电压的选择
Ⅲ、残压的选择
Ⅳ、报警功能的选择
Ⅴ、空气开关的选择
Ⅵ、能量配合的选择
按照国际电工标准IEC61312-1技术要求，应将大楼需要保护的空间划分为不同的防雷区，以确定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和相应的防护对策。依据防雷设计原理及电源防雷器的选型原则，本方案主要采用德国PHOENIX电源防雷产品。
② 信号系统保护
信号防雷器并联安装于线路上，因此在选择防雷器时要保证防雷器能够起到保护作用，同时还要考虑到防雷器对雷电流的通流能力，所以在防雷器的选型上应注意下列问题：
Ⅰ、对不同的供电接地系统选用不同的防雷器
Ⅱ、最大持续工作电压的选择
Ⅲ、残压的选择
Ⅳ、报警功能的选择
Ⅴ、空气开关的选择
Ⅵ、能量配合的选择
按照国际电工标准IEC61312-1技术要求，应将大楼需要保护的空间划分为不同的防雷区，以确定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和相应的防护对策。依据防雷设计原理及电源防雷器的选型原则，本方案主要采用德国PHOENIX电源防雷产品。
（6）、机房内通信电缆及地线的布放与连接（综合布线）
通过模拟不同的布线、屏蔽和接地下空间电磁场对通信线路的电磁感应影响情况试验，我公司对计算机通信网络系统在站内的布线和接地方式有如下建议及安排：
通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。
通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
5、结束语
现阶段，电子技术在煤碳行业应用广泛，对雷电过压的防护要求比较高，对电子系统进行防雷设计时，应根据电子产品所安装的地理环境进行综合考虑，经过合理的雷电风险分析，针对雷害入侵电子设备的主要来源，进行整体防护，并根据现有的一些成熟的防雷技术经验，采取经济有效的防护措施，保障电子网络系统设备的安全稳定运行。
作者简介：
1、王军(1974-08),男，河南南阳，助理工程师，2010年07月毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，现在河南煤化焦煤公司白云煤业有限公司任机电副总经理。
2、马新生(1968-03),男，山西阳城，工程师，1991年7月毕业于山东矿业学院应用数学与软件工程专业，现在河南煤化焦煤公司白云煤业有限公司机电科从事机电方面的工作。
3、荆涛（1964-06），男，河南修武，技术员，1988年7月毕业于河南工程技术学校，现在河南煤化焦煤公司白云煤业有限公司机电科从事机电方面的工作。