煤礦企業的防雷設計與應用

摘 要：由于雷電可以毀壞電氣設備的絕緣，引起火災；在礦井中更能引起爆炸事故，造成人員傷亡。所以防雷設計在煤礦中作用巨大。文章根據不同雷電產生的原因介紹了煤礦防雷的方法。

關鍵詞：直擊雷；感應雷；閃電電涌侵入

1 雷電入侵形式分析

1.1 雷電種類劃分

對設備及人員造成損害的雷電有多種形式，一般分為直擊雷（帶電云層與建筑物、其它物體、大地或防雷裝置間發生的猛烈放電現象，并由此而產生的電、熱效應或機械力等一系列的破壞作用）、閃電靜電感應（導體上感應出于雷云符號相反的電荷，未中和就近泄入地中產生很高點位）、閃電電磁感應（由于雷電流的迅速變化導致了在其周圍空間產生磁場，致使附近金屬上出現很高的電動勢）、閃電電涌侵入（由于雷電具有傳導作用，雷電波可能沿著某些導體侵入屋內，例如金屬管道和架空線，并對人身安全或設備造成傷害）以及由雷電而引起的電壓反擊。

1.2 雷電造成危害的侵入形式

實踐證明，感應雷和閃電電涌侵入的侵入途徑廣泛，引發的破壞最為頻繁，在雷災的統計中占80%左右。感應雷、閃電電涌侵入和地電壓反擊主要通過供電線路和信號線路形式對設備或建筑造成破壞。

2 煤礦企業建筑物、構筑物的防雷分類及防雷措施

2.1 建、構筑物的防雷分類

根據建、構筑物的性質和雷擊后果，按照《建筑防雷設計規范》 （GB50057-2010）將建、構筑物防雷分為三類的原則，結合煤礦企業特點，并依其類別的不同而采取相應的防雷措施。

（1）因電火花造成的爆炸、爆轟，會造成人身傷亡者和巨大破壞的，并且存貯、使用或制造炸藥及其制品的危險建筑物。

在煤礦企業中屬于第一類建、構筑物的有火藥庫、炸藥庫、瓦斯抽放站等。

（2）第二類：電火花不宜引起爆炸或爆炸不至造成巨大破壞和人身傷亡者的，并且使用、儲存或者制造大量爆炸物質的建筑物；建、構筑物中在不正常情況下能形成爆炸性混合物，因電火花而引起爆炸者。

在煤礦企業中屬于第二類建、構筑物的有汽油庫、雷管庫、選煤廠主廠房、生產系統的選煤樓等。

（3）第三類：除第一類及第二類建、構筑物以外的爆炸、火災場所。依據當地的地形、地址、氣象、及周圍環境，并且考慮工業生產的影響的條件，所確定需要防雷的建、構筑物；建、構筑物在不正常情況下，因電火花而引起的局部形成爆炸性混合物所造成的爆炸；有可燃物質因電火花而引起的火災的建、構筑物；保存有少量金屬包裝爆炸物的房屋；根據建、構筑物年計算累計次數為0.01級以上。作為第三類建、構筑物是否需要防雷，可參考表1。

2.2 煤礦企業建構筑物的防雷措施

2.2.1 第一類

對第一類建、構筑物（火藥庫、炸藥庫、瓦斯抽放站等）必須采取全面的防雷措施，以防止直擊雷、閃電感應和閃電電涌侵入等而引起的破壞性后果。

（1）防直擊雷

a.應裝設獨立接閃桿或者架空接閃線或者架空接閃網。架空接閃網的網格尺寸不應大于5m×5m或4m×6m。對噴嘴具有爆炸性氣體、粉塵或蒸汽排放的排氣管、呼吸閥、排氣管等，其保護范圍應按要求高于管頂。

b.裝設獨立接閃桿或者架空接閃線或者架空接閃網的支柱及其接地裝置，至被保護建筑物及與其有聯系的金屬物之間的間隔（圖1），用如下公式計算，但應？叟3m。

地上部分：當hx？芻5Ri時：Sa1？叟0.4Ri+0.1hx （1）

當hx？叟5Ri時：Sa1？叟0.1（Ri+hx） （2）

地下部分：Se1？叟0.4Ri （3）

c.屋面以及突出屋面的放散管、風帽等至架空接閃線之間的距離（圖1），應按如下公式計算，但應？叟3m。

當（h+l/2）？芻5Ri時，Sa2？叟0.2Ri+0.03（h+l/2） （4）

當（h+l/2）？叟5Ri時，Sa2？叟0.05Ri+0.06（h+l/2） （5）

（2）防閃電感應

a.建筑物內較大金屬物，如設備、管道、構架、電纜金屬外皮、鋼屋架、鋼窗等，以及突出屋面的金屬物，如放散管、風管等，均應可靠接地。金屬屋面每隔18m～24m應接地一次。用預制構件組成的鋼筋混凝土屋面或現場澆灌的屋面，應將金屬件焊接或綁扎，并應每隔18m～24m接地一次。

b.凈距小于100mm長金屬物（如平行敷設的管道、構架和電纜金屬外皮等）均應采用金屬線跨接，其跨接間距應？燮30m；交叉凈距小于100m的交叉處也應跨接。當長金屬物的連接處（如彎頭、閥門、法蘭盤等）的過渡電阻？酆0.3？贅時，應用金屬線跨接其連接處。當連接的法蘭盤的螺栓大于5根，并且所處環境為非腐蝕環境時，可不跨接。

c.電氣和電子系統的接地裝置與防雷電感應的接地裝置應共用，其工頻接地電阻宜小于10？贅。應至少設置2處防閃電感應接地裝置與屋內的等電位連接的接地干線的連接點。

（3）防閃電電涌侵入

a.當電氣設備不設在室內時，可有效避免閃電電涌沿電力線傳入。

b.對于室外的低壓配電線路，應全線采用電纜直埋敷設，并且應將電纜的金屬外皮、鋼管等導體在入戶處或者室內配電箱內接到等電位連接帶或接地裝置上。當上述做法實施困難時，應采用鋼筋混凝土桿以及鐵橫擔的架空線敷設至建筑附近，然后使用一段大于的15m護套電纜穿鋼管或金屬鎧裝電纜直接埋地引入室內，使其對地接觸面積加大，入戶前就能有效的釋放閃電電涌。應裝設戶外型電涌保護器在電纜與架空線連接處。并應將鋼管、電纜金屬外皮、電涌保護器、絕緣子鐵腳和金具等導體連在一起可靠接地，其沖擊接地電阻宜小于15？贅。

c.對于采用鋼筋混凝土桿的架空線的通信線路，線路入戶前應穿鋼管直接埋地一段距離后引入室內，其埋地長度不應小于15m。

d.對于架空金屬管道，在進出建筑物處應與接地裝置相連，以避免閃電電涌沿著管道進入室內。并且對于距離建筑物100m內的金屬管道，應每隔25m接地一次，并保證接地處的沖擊接地電阻小于30？贅。應充分利用已有導體接地，以降低成本，如利用金屬支架或鋼筋混凝土支架的焊接、綁扎鋼筋網作為引下線，以及利用其鋼筋混凝土基礎作為接地裝置等方法。

e.直埋敷設或地溝中敷設的金屬管道，在進出建筑物處應連接到等電位連接干線或防雷裝置的接地上。

2.2.2 第二類

（1）防直擊雷。

a.宜采用裝設在建筑物上的接閃桿、接閃網或接閃帶，也可它們混合組成的防直擊雷裝置。上述裝置應沿易受雷擊的部位敷設（如屋角、屋脊、屋檐和檐角等）。如果采用接閃帶和接閃網的防直擊雷措施，應使其在整個屋面組成網格，并保證每個網格的面積應小于10m×10m或12m×8m。接閃器之間應有可靠的連接。

b.突出屋面的放散管、風管、煙囪等物體，應按下列方式保護：對噴嘴具有爆炸性氣體、粉塵或蒸汽排放的排氣管、呼吸閥、排氣管等管道應在保護范圍內并符合相關規定。

如果放散管、煙囪等排氣設備所排放的氣體、蒸氣或粉塵沒有爆炸危險，其防雷保護應符合下列規定：金屬的放散管、煙囪可不裝接閃器，但必須與屋面防雷裝置可靠連接；超出屋面接閃器保護范圍的非金屬放散管、煙囪應裝接閃器，其接閃器應和屋面防雷裝置可靠連接。

c.鋼筋混凝土屋面的內鋼筋可作為暗裝接閃器，但在山墻、屋脊、屋角等凸出部位應做重點防護。

e.防雷裝置的專設引下線應多于兩根，并應沿建筑物四周和內庭院四周均勻對稱布置，其間距沿周長計算宜小于18m。鋼筋混凝土柱和基礎內的鋼筋符合相關規定時，可作為引下線和接地裝置，其內的鋼筋的借點應綁扎或焊接，各構件之間鋼筋必須連接成電氣通路。

（2）防閃電感應

a.所有系統的接地裝置應共用或者相連接，例如直擊雷的接地、防雷電感應的接地和電氣和電子的接地，并應做好的等電位連接。

b.應就近將建筑物內的主要金屬物（設備、管道、構架等）接到防雷裝置或共用接地裝置上。較長的金屬物（如平行敷設的管道、構架和電纜金屬外皮等）應符合第一類建、構筑物防閃電感應（2）款規定，但長金屬物連接處的跨接可省略不做。建筑物內應至少做2處防閃電感應的接地干線與接地裝置的連接，并保證其連接可靠。

（3）防閃電電涌侵入

a.采用低壓電纜埋地引入方式，其要求與第一類相同。

b.低壓架空線可用長度不小于50米的金屬鎧裝電纜埋地引入。入戶端電纜的金屬外皮應與防雷接地裝置相連，在電纜與架空線連接處還應裝設避雷器。

c.爆炸危險性較小的構、建筑物可采用低壓架空線直接引入，但接地電阻應保證所要求阻值。

2.2.3 第三類

（1）防直擊雷

a.宜采用裝設在建筑物上的接閃桿、接閃網或接閃帶，也可它們混合組成的防直擊雷裝置。上述裝置應沿易受雷擊的部位敷設（如屋角、屋脊、屋檐和檐角等）。當屋面裝設多支接閃桿時，它們之間的距離不應大于15倍的接閃桿的有效高度，且應小于30m。單支接閃桿的保護角可按60°確定。當采用接閃帶或者接閃網的防雷措施時，每個網格的面積應小于20m×20m或24m×16m。

b.突出屋面的物體的保護方式和第二類相同

c.建筑物宜利用結構內現有的金屬作為防雷裝置，例如，鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎內的鋼筋等作為引下線和接地裝置；當條件允許時，接閃器可利用屋頂鋼筋網，也可利用女兒墻壓頂板內或檐口內的鋼筋作為接閃器。煙囪、燈塔以及水塔等金屬結構的構筑物，因為其本身就是很好的接閃器和引下線，可不做另外的防雷裝置；但如果是煙囪等是磚結構或者鋼筋混凝土結構的，就需裝設接閃桿或者接閃帶來作為接閃器，可利用內部鋼筋做引下線?？傊媒嬛锉旧淼慕饘贅嫾鳛榉览籽b置，即可節約材料，又可減少施工量，這種做法國內外已有大量的研究及實驗表明是可行的。

d.防雷裝置的專設引下線應多于兩根，并應沿建筑物四周和內庭院四周均勻對稱布置，其間距沿周長計算不宜大于25m。如果建筑物的跨度過大導致了在跨距中間設引下線時的長度大于了規定的25m時，應采取減小引下線的間距的相應做法，如跨距兩端設引下線，使其平均間距小于25m。因為通過引下線可將雷電流引入大地，當引下線的數量越多且間距越小時，局部的區域就能均勻分布雷電流，此時引下線的電壓降很小，反擊的危險也隨之降低。

e.專設接地裝置宜圍繞建筑物敷設成環形接地體。接地裝置的接地電阻不應大于50Hz電氣裝置時所計算出的人身安全所確定的接地電阻值。且沖擊電阻不應大于30？贅。防雷的接地體應和電氣設備的接地，以及室內等電位連接的干線相連接。

（2）防閃電電涌侵入

a.線路引入室內的總配電箱、配電柜等配電裝置時，應裝設I級實驗的電涌保護器；當變壓器設在建筑物內或附設于外墻處，應在低壓側的母線上裝設同樣要求的電涌保護器。

b.如果引入室內的線路是架空線，應在入戶處就將絕緣子鐵腳接到接地裝置上。

c.進入建構筑物的金屬管道要在入戶處做好接地，可與現有的配電設備的接地和防雷裝置的接地接在一處，并可靠連接。

2.2.4 其他防雷

在煤礦中，雷電引起瓦斯爆炸必須同時具備如下三個條件：（1）雷電必須具備引起爆炸所需的能量。（2）瓦斯濃度需達到爆炸的極限濃度。（3）必須有電火花產生來引爆瓦斯。所以，針對上述的三個條件，我們在煤礦工作中針對雷電的對策可以采用泄放、堵截和疏導雷電所造成的電火花的方法。采取的措施可簡單概括為接地、絕緣、屏蔽和均壓。

為了防止地面閃電電涌侵入井下引起瓦斯、煤塵的爆炸以及火災等災害，必須遵守下列規定：（1）引入井下的供電線路如果是架空線（如電機車架線），應在入井處裝設過電壓保護裝置。裝設的過電壓保護裝置其接地電阻不得大于5？贅；（2）由地面敷設到井下的管路、鎧裝電纜的金屬外皮等金屬導體，應在入井時井口附近將金屬導體進行至少兩處的接地，并保證接地可靠。接地裝置的接地電阻應小于5？贅，接地極之間的距離不應小于20m。（3）通信系統的線路應在入井處裝設熔斷器和電壓保護裝置，電壓保護裝置的接地極電阻不得大于1？贅。（4）鋼絲繩提升機、鋼絲繩罐道等入井的導體應在井口附近可靠接地，其工頻接地電阻不得大于4？贅。（5）井口一定范圍內不應設接閃器，以防止接閃器起接收雷電天線的作用，宜采用閥形避雷器或其他避雷措施。（6）嚴格執行煤安規程規定的相關措施，防止瓦斯和煤塵超過標準，濃度到達爆炸極限。（7）應在廢棄井巷或采空區封閉前將其區域中所有金屬導體拆除并放置在安全處， 以防沿金屬導體傳入閃電電涌的通道或短路等故障所產生火花引起爆炸。

3 結束語

雷電可以通過直雷擊、閃電感應和閃電電涌侵入的方式引入井下。由于煤礦的特殊性，井下可能存在著引起爆炸濃度的瓦斯。當雷電傳導產生火花且瓦斯濃度達到一定標準時就容易引起瓦斯爆炸、煤塵爆炸和電火災等事故，會給我們帶來無法估量的財產損失和人員傷亡，這是我們所不能接受的。文章分析了雷電形成的原理，其入侵井下的形式，針對雷電的形成總結了一系列防雷的方法，可有效杜絕災難的發生。

參考文獻

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作者簡介：周裕濤（1982，6-），男，遼寧省丹東市人，2006年7月于遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院自動化專業本科畢業，2009年1月于遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院控制理論與控制工程專業研究生畢業。中級職稱，工程師。目前在中國神華神東煤炭集團神東工程設計有限公司電氣室從事工業與民用配電設計工作。