金矿系统的防雷设计研究

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矿山防雷技术要求

矿山信息系统的雷电防护工作要坚持预防为主、安全第一的原则，主要是从影响到矿山电子信息系统的雷电波侵入通道和途径着手，并采取相应的防护措施，将被保护的设备遭受雷击损害的风险降到最低限度．外部防雷措施中的屏蔽，主要利用建筑物钢筋混凝土结构金属框架组成的屏蔽笼(即法拉第笼)、屋顶金属表面、立面金属表面和金属门窗框架等，这些措施是内部防雷措施中使雷击产生的电磁场向内递减的第一道防线．建筑物外部防雷措施、内部防雷措施构成了矿山建筑物综合防雷系统，其中内部防雷措施包括对矿山信息系统设备中各种传输线路端口分别安装与之适配的浪涌保护器(SurgeProtectiveDevice简称SPD)，其中电源SPD不仅具有抑制雷电过电压的功能，同时还具有防止操作过电压的作用［5］．

雷电感应过电压入侵矿山电子信息系统的途径及其影响

在配电线路上产生的雷电感应过电压(电流)，直接通过配电线路感应到弱电设备，并将设备损坏，一般是将设备的电源部分击坏．根据配电线路上雷电感应过电压的成因及危害性可分为以下几种情况:(1)在野外架设的矿山供电线路遭受闪击，因线路较长，发生的概率较大，线路上的雷电感应过电压相当大，会造成很大的损失．(2)在野外架设的矿山供电线路，附近发生闪击时，雷电电磁场使得线路上感应到雷电过电压．有较大的发生几率，但雷电过电压电流较小．(3)楼内配电线路受大楼引下线电磁场感应而产生雷电过电压，雷电过电压的大小与发生几率与建筑物结构及楼内布线有关．垂直方向的线路没有屏蔽而靠近引下线时，发生雷电感应过电压几率较大．(4)楼内配电线路受大楼附近闪击时，因电磁场感应而产生雷电过电压，雷电过压电的大小与建筑物的屏蔽、布线、闪击位置、闪击点电流等有关．当建筑物屏蔽较差、线路靠外墙、闪击点靠楼较近、闪击点电流大时，线路感应雷电过电压较大．(5)楼内线路相互感应．由于较多的线路交叉敷设(如电源线、地线等相互距离在10cm内)时，其中的一条上有感应过电压，则其它线路上多会感应到过电压，但感应电流不大．(6)楼内大型设备操作过电压，该过电压不是闪击引起但其危害不低于闪击，主要是加速电子设备老化．该操作过电压类似于闪击过电压，用同样的方法能抑制．

招远市金矿系统防雷设计

1雷害防护措施应依据国标和国家相关规则实施《建筑物防雷设计规范》(GB50057—2010)对建筑物防直击雷和感应雷己有明细规定．对于防感应雷仅靠避雷针己远远不够，必须做好电源和信号线路的防雷［3］．(1)雷击主要是通过进出户的电源线路进入的，对关键的系统设备，要在其电源上加装电源电涌保护器，这样既可以保护电源系统，又可以保护重要设备和弱电系统．(2)信号线路防雷是在信号系统的线路进口处安装与之相适应的线路电涌保护器，它包括微机、电话、监控等．通常的线路电涌保护器都采用一级以上过电压和过电流保护，遇雷电压时，立即与地导通，将雷电流分流引入大地，雷电过后又恢复正常而不影响系统的正常工作．(3)线路电涌保护器还可抗工业浪涌．大的浪涌也会损坏电源系统和计算机系统，这对电源和计算机平常的保护也是不能少的．雷电“无孔不入”，因此防感应雷是个复杂的系统工程，必须依据雷击灾害风险综合评估情况和有关设备的技术指标，进行全面、系统的雷电防护设计，从而保护设备免遭雷击．

2直击雷防护设计

根据GB50057—2010及GB50343—2004的规定，需做以下防护措施:(1)接闪器必须有独立的接闪装置，进行直接闪电的拦截;(2)引下线利用独立接闪装置的金属支撑杆体作为引下线，进行雷电流的下泄入地的通道;(3)接地装置根据规范要求，必须制作冲击接地电阻不大于10Ω的人工地网，作为下泄的雷电流入地的通道;(4)电源避雷器在电源进线端安装1级、2级SPD防护，对用电设备进行雷电脉冲防护;(5)信号避雷器在各设备信号输出端、网络信号输出端安装信号SPD防护，对通信及信号传输设备进行雷电脉冲防护．以上5项措施，将形成完善的直击雷以及雷电脉冲防护，使被保护对象受到保护［4］．接闪器作为引雷装置，实质作用是通过避雷针、带、线、网吸收雷电(即引雷)，把闪电的强大电流传导到大地中并消耗掉，经现场分析矿山地面建筑物只需在建(构)筑物天面安装避雷带，其材料采用直径为φ12mm的热镀锌圆钢，支撑间距为1．0m，拐角处为0．5m．接闪带沿女儿墙、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于20m×20m的网格．若女儿墙相对较宽，接闪带应敷设在女儿墙的外侧，防止雷击时水泥块落地伤人伤物．另外，所有不在接闪器保护范围内的金属物应与接闪带进行等电位连接或另树立接闪杆进行保护，非金属物应树立接闪杆进行保护［3］．引下线为连接接闪器与接地装置的金属导体，作用为分流且把闪电电流传导至接地极泄放到大地．引下线宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢．引下线应沿建筑物外墙明敷，引下线冲击接地电阻不大于30Ω，该地面建筑物引下线采用Ф8mm圆钢．如图1所示在易受机械损坏和防人身接触的地方，地面上1．7m至地面下0．3m的一段接地线应采用暗敷或镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护措施［3］．接地装置为接地体和接地线的总和，是雷电流泄放到大地中的重要步骤．该建筑物人工垂直接地体采用50mm×5mm角钢，水平接地体采用截面100mm2、厚度为4mm的扁钢，接地体埋深不应小于0．5m．防直接雷人工接地体距建筑出入口或人行道不应小于3m，当小于3m时候，加大接地极的埋深应(不小于1m)或在上面敷设50～80mm厚的沥青层(宽度应超过接地体2m)．埋入土壤的接地装置，其连接应采用焊接，并在焊接处做防腐处理［3］．

3接地系统和等电位连接

(1)经实地考察，矿区接地电阻≤4Ω，符合规范要求．(2)配电室(箱)、机房内部各金属设备、构件之间应作等电位连接处理，防止电位差反击．(3)将设备保护地、防雷地就近连接到机房地线上，各金属设备外壳、金属线槽、管道用金属线缆连接．

4矿区防感应雷防护设计

矿区电子信息系统防雷防护等级计算。《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010第3．0．1条规定“建筑物应根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为3类”。根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343—2004第四章第4．2节第4．2．3条的规定，将N和Nc进行比较，N=0．2321＞Nc=0．0175，确定招远市矿区电子信息系统应安装雷电防护装置．根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343—2004第四章第4．2节第4．2．3条的规定E=1－Nc/N=1－0．0175/0．2321=0．9246，0．90＜E≤0．98，确定招远市矿区电子信息系统雷电防护等级为B级，其电源系统安装三级电源SPD进行保护［4］．电源系统包括电源主配电、UPS电源设备等．对于矿区机房的电源系统的雷电防护，采取以下的防雷保护方案:在矿区低压主配电系统做两级防雷保护(三相电源);其他矿区设备进出端采取第三级防雷防护．电源系统采用TN－S系统．其特点是N线(中线)和PE线(地线)在变压器的低压侧合为一条PEN线．因此，需在相线和PEN线之间安装防雷器．采用TN－S接地系统的电源防雷器的安装如图3所示．在矿区内总配电屏中、二级配电屏中、在设备前端分别安装一级、二级、三级防雷保护［7］．(1)一级感应雷防护在矿区的总配电柜进线端安装GB153B100—100型三相电源避雷器，雷电通流量为100kA．利用其通流量大，予以先导分流，对通过线路传输的直击雷和高强度感应雷实施泻放保护，作为矿区建筑及用电设备的电源线路一级保护．(2)二级感应雷防护从高配进入低配后，再进入各个建筑及生产设备．对这一路低配做二级防雷处理．安装ZGB153B(A)－60型三相电源避雷器，通流容量为40kA，作为各建筑及设备电源线路的二级保护，对侵入的雷电压进行细泄流保护．(3)三级感应雷防护在设备进线电源前采用ZGB151A(B)－20型单相电源避雷器，通流容量为20kA，作为设备的三级保护，确保矿区的供电安全及内部设备的正常用电［8］．

结语

招远市金矿通过实施以上综合解决方案，很好地解决了矿区建筑及设备的防雷问题．运行至今，其建筑设施及用电设备等从未遭受雷击损坏，说明上述的防雷措施对该矿区的弱电系统已经有了一定的防雷效果，为系统的安全、可靠运行提供了有力的保障．随着计算机网络、通信设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越多严重．以往的防护体系已经不能满足电子计算机通信网络安全的要求，应从单纯一维防护(避雷针引雷入地———无源防护)转为三维防护(有源和无源防护)，包括:防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑．采用任何一种单一的防雷器件都难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，对症下药将各类可能引起雷害的因素排除，才能将雷害减少至最低限．（本文作者：林明华、闫景东、栾绍海 单位：招远市气象局、聊城市气象局）