煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略電路圖

唐兆廣

（中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司,江蘇常州,213015）

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略電路圖

唐兆廣

（中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司,江蘇常州,213015）

煤礦自動(dòng)化控制體系從根本原理而言是采用弱電體系對(duì)強(qiáng)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與管理的一種模式，是現(xiàn)階段煤礦生產(chǎn)以及現(xiàn)代化改造的核心目標(biāo)。而弱電體系對(duì)于雷電的防護(hù)能力相對(duì)較低，當(dāng)雷擊出現(xiàn)后不僅容易形成自動(dòng)化控制系統(tǒng)自身的損壞，還容易由于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的失效而引發(fā)更大的煤礦生產(chǎn)安全事故。在這樣的背景下，本文以煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，切實(shí)總結(jié)雷電的危害，進(jìn)而提出煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)雷電防護(hù)的必要性。并按照煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能要素進(jìn)行分類，對(duì)其各個(gè)環(huán)節(jié)的雷電防護(hù)策略進(jìn)行分析。希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)系統(tǒng)構(gòu)建提供必要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

煤礦；自動(dòng)化系統(tǒng)；雷電；防護(hù)

1 自動(dòng)化系統(tǒng)防雷必要性分析

之所以需要對(duì)煤礦的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行防雷操作，一方面是由于自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于煤礦生產(chǎn)與安全起到至關(guān)重要的作用，而其自身的安全與有效性則提出了更高的要求。另一方面則是自動(dòng)化系統(tǒng)屬于弱電體系，對(duì)于雷電的抗性相對(duì)較低，即使在屏蔽設(shè)備構(gòu)建的基礎(chǔ)上依舊容易形成感應(yīng)影響。上述的兩個(gè)方面決定了雷電對(duì)于其自身的運(yùn)營(yíng)與安全有著重要的影響，我們更應(yīng)該對(duì)其防雷體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行防雷的必要性主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

第一，自動(dòng)化系統(tǒng)防雷能夠保障煤礦的正常生產(chǎn)。煤礦生產(chǎn)需要較強(qiáng)的連續(xù)性，而自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建目的也是從連續(xù)性與效能的角度考慮的。完善的防雷體系能夠規(guī)避氣象風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的煤礦停產(chǎn)、停工，進(jìn)而有效的保障了生產(chǎn)的連續(xù)性。

第二，自動(dòng)化系統(tǒng)防雷能夠有效提高煤礦的生產(chǎn)安全。煤礦自動(dòng)化體系關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的方方面面，包括視頻監(jiān)控、危險(xiǎn)物檢測(cè)、通風(fēng)、排水保障等多個(gè)涉及安全生產(chǎn)的環(huán)節(jié)均離不開(kāi)自動(dòng)化體系的參與。而防雷體系的構(gòu)建能夠有效的保障上述設(shè)施的完善運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)于保障礦井安全體系的有效性提供必要的基礎(chǔ)。另外，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，不僅自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法正常工作，相反其雷電產(chǎn)生的脈沖會(huì)通過(guò)環(huán)網(wǎng)進(jìn)入到礦區(qū)內(nèi)部，進(jìn)而誘發(fā)安全生產(chǎn)事故。

第三，自動(dòng)化系統(tǒng)防雷能夠降低系統(tǒng)自身的損毀風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化系統(tǒng)為弱電系統(tǒng)，其自身的系統(tǒng)承載力十分有限。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)的訊號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理設(shè)備均無(wú)法承載巨大的電流與電壓，會(huì)發(fā)生擊穿或者熔斷熱效應(yīng)等現(xiàn)象。進(jìn)而使得相關(guān)設(shè)備完全損毀，形成較大規(guī)模的損失。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)防雷策略分析

通過(guò)上文的分析我們可以清晰的意識(shí)到防雷體系對(duì)于煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建的重要意義與必要性。在具體的防雷策略構(gòu)建過(guò)程中則需要根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的不同組成與功能來(lái)分類討論。

2.1 雷電直擊防護(hù)策略

雷電直擊主要是指雷電通過(guò)導(dǎo)體以及尖端放電的作用而直接作用于系統(tǒng)的某個(gè)部分的情況，此種方式對(duì)于煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的損傷是最大的。而與之相對(duì)的是雷電直接的防護(hù)手段相對(duì)簡(jiǎn)單，在具體的防護(hù)措施層面主要可以分為避雷針以及防護(hù)網(wǎng)兩個(gè)類別，其中避雷針的使用相對(duì)較多，同時(shí)也存在一定的交叉構(gòu)建的形式。其與傳統(tǒng)避雷方式相同，在本文中不再討論。

2.2 電源系統(tǒng)防雷策略

煤礦生產(chǎn)的電源設(shè)備可以分為井上設(shè)備與井下設(shè)備兩個(gè)部分，二者過(guò)載電壓的不同也決定了二者防雷策略的不同。具體分為如下兩個(gè)方面：

第一，對(duì)于井上電源系統(tǒng)防雷策略。井上電源系統(tǒng)主要是由變電站以及高壓輸電線路組成，而此方面的防雷策略主要通過(guò)四級(jí)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。其注意要點(diǎn)也分為如下幾個(gè)方面：首先，采用10/350μs波形來(lái)進(jìn)行電源的第一級(jí)防護(hù)，設(shè)定硬件通流容量為25kA，并利用集線保護(hù)的方式對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)器加裝；其次，利用8/20μs波形來(lái)進(jìn)行電源的第二級(jí)防護(hù)，并設(shè)定硬件通流為40kA，電壓限制為2kv，如此通過(guò)電源分壓限制來(lái)逐級(jí)的遞減雷電的通過(guò)傷害，并在保證供電正常的情況下來(lái)完成相應(yīng)的保護(hù)體系構(gòu)建。最后，同樣利用8/20μs波形來(lái)構(gòu)建三級(jí)與末級(jí)的防護(hù)體系，并采用逐級(jí)降低雷擊過(guò)電壓限制，進(jìn)而來(lái)保障自動(dòng)化系統(tǒng)的供電安全。

圖1 煤礦電源系統(tǒng)防雷電路示意圖

第二，對(duì)于井下電源系統(tǒng)防雷策略。井下電源系統(tǒng)的構(gòu)建原理與井上的不同，其采用的是基于變壓的終端供電系統(tǒng)，因此在其雷電保護(hù)的過(guò)程中主要是采用斷路避雷器的使用來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。而在具體構(gòu)建的過(guò)程中應(yīng)該注意如下幾個(gè)問(wèn)題。首先，在斷電器參數(shù)設(shè)定的過(guò)程中應(yīng)該滿足井下工程的正常需求，就一般情況而言，其斷電電壓應(yīng)該在560v-600V之間，參數(shù)設(shè)定過(guò)低容易造成正常設(shè)備使用時(shí)的啟動(dòng)電壓過(guò)大而導(dǎo)致的斷電，進(jìn)而使得煤礦生產(chǎn)連續(xù)性遭到破壞。而設(shè)定過(guò)高則無(wú)法起到保護(hù)的作用。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)防雷策略

監(jiān)控系統(tǒng)是自動(dòng)化體系的核心組成，其既包括了對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)控的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，又包括了設(shè)備控制與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)。二者具有共同的特征，即弱電系統(tǒng)對(duì)于電壓以及電流的敏感度更強(qiáng)。在這樣的背景下其防雷的構(gòu)建策略主要采用線路屏蔽與端口防雷的雙重保護(hù)。在線路屏蔽層面，正式由于其對(duì)于電流與電壓十分敏感，進(jìn)而感應(yīng)電流強(qiáng)度既可以影響其正常工作，甚至是設(shè)備的損壞。因此，在具體保護(hù)過(guò)程中通過(guò)屏蔽線纜的使用以及埋地/墻的體系構(gòu)建來(lái)增加其屏蔽強(qiáng)度，進(jìn)而保障整體的合規(guī)性。在端口防雷的過(guò)程中是整體防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過(guò)分站接口避雷器的使用來(lái)防止由于線路傳輸而帶來(lái)的外界雷電損傷，具體的訊號(hào)訊號(hào)避雷器可以采用RS485及其后代設(shè)備來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。此種設(shè)備的特點(diǎn)使得能夠與整體的弱電系統(tǒng)形成有效的聯(lián)合，不僅能夠?qū)﹄娏鞯漠惓Ｗ儎?dòng)進(jìn)行規(guī)避，還能夠根據(jù)訊號(hào)的頻率波段進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。在保障了系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，有效的防止了雷擊現(xiàn)象。此外，在監(jiān)控系統(tǒng)防雷體系的構(gòu)建過(guò)程中我們還可以通過(guò)前端結(jié)構(gòu)以及交換機(jī)端口來(lái)構(gòu)建多級(jí)的屏蔽體系，進(jìn)而使得其防雷效果更為優(yōu)秀。

除了上文討論的三種防雷措施與策略之外，通過(guò)等電位連接的方式構(gòu)建內(nèi)網(wǎng)體系也是一種可行的辦法。在此種防雷構(gòu)建體系中通過(guò)總等電位連接端子的模式使得不同用電設(shè)備以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)之間形成等電位連接模式，進(jìn)而規(guī)避雷電造成的危害。

3 總結(jié)

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)是提高煤礦生產(chǎn)效能、提高煤礦安全遵從度的有效保障。而自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建不僅需要對(duì)強(qiáng)電系統(tǒng)進(jìn)行整合，還需要構(gòu)建完善的弱電網(wǎng)絡(luò)。在這樣的情況下，其對(duì)于雷電的抗性相對(duì)較低，如果不做好防雷工作則不僅影響自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行，更容易引發(fā)更大的安全隱患。本文以此為基礎(chǔ)，對(duì)煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雷電安全防護(hù)策略進(jìn)行研究，在總結(jié)了其體系構(gòu)建的必要性基礎(chǔ)上，探討了包括電源、雷電直擊以及監(jiān)控體系在內(nèi)的三方面防雷策略。希望通過(guò)本文的研究能為今后的相關(guān)建設(shè)提供必要的理論基礎(chǔ)，也為類似的自動(dòng)化升級(jí)提供可行指導(dǎo)。

[1] 喬良. 基于組態(tài)技術(shù)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué),2013.

[2] 張華明,張義軍,劉耀龍,李強(qiáng),胡俊清,楊世剛.煤礦雷電災(zāi)害特征及防御研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2013,S2:215-217+221.

唐兆廣（1966.4-），男，江蘇興化，大學(xué)，工程師，研究方向：煤礦井下通信、監(jiān)控設(shè)備與系統(tǒng)

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.

coal mine;automation system;lightning;protection