IMS微震系統設備過電壓解決方案

陳汝秀,林 峰 ,廖 華

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州市 423037)

IMS微震系統設備過電壓解決方案

陳汝秀1,林 峰1,廖 華2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州市 423037)

針對國內地下礦山各類信息自動化系統設備故障頻發，系統不能穩定可靠運行的現象，通過對柿竹園礦IMS微震監測系統井下設備經常燒毀模塊故障的深入剖析，找到故障根源是系統過電壓，并對系統的過電壓防范進行優化設計，采取遏制過電壓的產生和入侵的傳播途徑，合理選擇電涌保護器，配合系統的絕緣水平，全面防護系統的安全，成功地解決了系統設備燒毀的問題，為系統長期穩定運行提供了可靠的保障。系統內部過電壓在國內地下礦山信息自動化系統中普遍存在，其防護措施為如何防范系統設備燒毀提供了良好的示范作用。

微震監測；電子信息系統；過電壓；電涌保護器

0 引 言

自2010年國家安監總局第23號《通知》和168號文以及2011年第108號文以來，礦山安全“六大”系統建設全面展開[1￣8]。同時微震監測技術廣泛應用于地下工程建設和礦山地壓安全監測[9￣17]，其實時動態監測性和定位特性為地壓安全預警提供了良好的技術支持，并取得顯著效果[9￣21]，逐漸取代傳統的便攜式聲發射儀。微震監測系統設備國內外都有生產，但國內設備還不太成熟，中大型礦山微震系統設備基本從國外進口。根據調研顯示，大多數地下礦山微震系統和“六大”系統建設初期效果顯著，但系統正常運行時間不長。經常出現地下設備燒毀、失效等故障，由于維護困難、恢復周期長，嚴重影響微震技術的使用，甚至影響企業的正常安全生產。因此如何確保監測系統設備的穩定運行成為微震監測技術應用及其推廣成敗的關鍵。

微震監測系統設備長期穩定運行是微震技術發揮正常作用的先決條件。探討國外進口設備在國內礦山企業頻繁出現故障的根源并采取有效的防治技術措施有重大的價值。首先，確保微震監測系統穩定運行，為安全管理提供有力的物質保障；其次，為微震監測技術的應用研究提供數據的來源保障，第三，為國內自主研發該類設備提供良好的經驗，及如何提高設備穩定性提供依據，第四，監測系統的安全防護措施可推廣應用在礦山企業的其他電子信息系統的安全防護上，譬如：地下礦山“六大”系統，尾礦庫在線監測系統等。

1 故障現象與分析處理

湖南省柿竹園有色金屬有限責任公司是國內典型的地下多金屬老礦山，也是較早引進微震監測技術的地下金屬礦山之一[20￣21]，其IMS微震監測系統地下設備燒壞故障在國內具有很強的普遍性。

1.1 柿竹園微震監測系統建設概況

湖南省柿竹園礦2008年率先在490多金屬采場礦區建設完成30通道的數字微震監測系統，實現了地壓變化實時監測功能，為多中段、特高大空區的地壓管理提供了有力的技術保障。由于微震監測技術具備全天候、全范圍、實時監控、破裂源高精度三維定位等技術特點，該監測技術逐步成為柿竹園地壓監測的主要手段[20]。隨著采礦場向東南方向的推進及2012年開天窗大爆破[21]，2012年后柿竹園礦區東部高陡邊坡及上部局部垂直懸頂成為地壓安全的主要問題。為了更好地監控大范圍的高陡邊坡及懸頂的穩定性，柿竹園礦于2014年采用監測范圍廣、監測事件能級更大的配備速度型傳感器的IMS微震監測系統。

其系統架構見圖1：在4個中段上布置了共7個臺站，每個臺站接收8個傳感器，共56個通道；臺站采用星形分布，以DSL通信方式把數據獨自傳到傳輸口(俗稱大貓)，由傳輸口把數據上傳到服務器(地表主機)；同時服務器的同時步信號也是通過光纜傳到傳輸口，該大貓具有把同時步信號耦合到與臺站連接的DSL口的功能。IMS臺站由UPS、ADC、SP、DSL MODEM 4個模塊組成，傳感器全部接到ADC模塊上，SP負責采集、觸發、控制，DSL MODEM負責數據傳輸。

圖1 IMS系統架構

地表服務器與地下傳輸口之間采用光纜相連接，臺站到傳輸口和傳感器到臺站之間采用不同的銅芯信號電纜連接。各中段之間線纜通路有儀表井、交通巷道或垂直鉆孔。

1.2 IMS微震監測系統設備故障

故障一：系統在2014年末調試完成后正常使用，在2015年春節停產期間按照礦方要求井下動力設備拉電閘，監測設備繼續運行的要求執行；在節后開工送電時，IMS系統設備有部分UPS、ADC模塊出現不能工作的現象，部分采集臺站不能運行，礦方同時稱有“安全六大系統”的電源適配器毀壞情況。經鑒定為模塊過電壓損壞，更換后正常運行。

故障二：2015年10 kV高壓電纜貫穿LV558微震硐室和儀表井敷設施工，高壓電纜直接搭在設備箱上，通電后造成558硐室內臺站的所有模塊燒毀、LV470硐室的傳輸口燒毀(見圖2)；迫使IMS微震監測系統停止運行。

故障三：在IMS系統停止運行期間，傳輸口上的接口同樣出現燒毀現象，同故障二。

圖2 故障設備照片

1.3 故障分析

針對IMS系統設備多次燒毀損壞的事故，礦山2016年進行了全面的事故調查和深入的分析，以挖掘系統故障的根源和阻止事故的發生。從上述3次故障可見，故障二和故障三是屬于同一類型的故障。

故障一IMS系統UPS模塊、ADC模塊外部完好，但不能工作,，寄回到原廠維修，經過原廠的檢查，結果為主芯片燒毀。故障分析：首先，故障發生的時間是節后復工，動力設備投切之時；井下潮濕，多有漏電現象發生；其次，設備220VAC電源來自地下電源動力總線上的一條火線和一條零線，采用一個穩壓器和UPS；第三，經現場確認井下動力變壓器為TT(中性點不接地系統)接地系統。綜合以上3點分析可得：故障一是由于中性點不接地系統發生中性點漂移造成，如圖3所示N點為正常時期的中性點位置，當發生故障時中性點的位置漂移到N′，造成相電壓增高。TT系統單相對地短路的穩態過電壓正常相電壓為√3U，暫態過電壓(高頻振蕩，電弧間歇性的熄滅和重燃)初次燃弧正常相電壓最高為2.5U，二次重燃弧時正常相電壓最高為3.5U[22]。這種直接以相電壓為電源的供電方式，容易因為內部過電壓造成設備損壞。這是典型的中性點偏移造成的過電壓，也是燒毀模塊內部IC的根本原因。

圖3 中性點漂移電壓矢量圖

故障二從圖2清晰可見因高壓放電擊穿、燒焦發黑的RJ45接口，有安裝在LV470的傳輸口和各分中段DSL MODEM，結合圖1發現：大貓和小貓之間的銅芯信號電纜穿過儀表井，在2015年10 kV高壓電纜未敷設之前，未發生圖2中類似的故障，高壓電纜與信號電纜混合在儀表井中敷設時，一旦高壓電纜絕緣或環境變化，漏電閃絡、短路等電氣故障致使高壓電纜四周存在強烈變化的電磁場，臨近導體感應出高電壓，這類過電壓雖然沒有象直擊雷過電壓的能量大，但是其電壓很高，足以燒毀電子設備，本系統中IMS設備燒黑正是感應過電壓引起。

1.4 防過電壓治理

據以上分析，柿竹園IMS系統設備多次燒毀有內部過電壓和感應過電壓。針對過電壓危害防治，通常采取以下策略：第一，防止過電壓的產生：采用合理的方案杜絕過電壓產生；第二，切斷過電壓傳播的途徑，把過電壓隔離在設備之外；第三，完善接地系統和采取有效的保護措施，以匹配系統的絕緣水平。

由于TT系統供電的高可靠性，國內礦山基本采用這類供電方案[23]，解決中性點漂移的方案是采用380/220V的隔離變壓器：利用TT系統接地時線電壓保持平衡的特點，改原單相供電為二相供電，即隔離變壓器一次側接線電壓，二次側輸出穩定的220V電源供給監測設備。該方案大大提高了供電的可靠性，在地下電力系統發生接地故障時，只要供電系統不拉閘都能正常輸出穩定的220 VAC。

切斷過電壓傳輸的途徑和防止過電壓的產生是最有效的防范感應過電壓的方法。對于柿竹園儀表井中不可避免的10 kV高壓電纜，利用光纖抗強電磁干擾的優點，把IMS系統常用的DSL通訊方式改為以太網通訊方式，在光纖線路上不感應高電壓，徹底切除感應過電壓的產生和傳播途徑，確保設備的安全。系統中還有供電的電纜和傳感器的信號線也是連接到設備上，不能換成光纜，這些都是產生、傳導過電壓的可能和產生干擾的因素，線纜敷設盡可能避開動力電纜或高壓電纜，無法避開敷設的，平行和垂直敷設時應嚴格遵守規范規定的安全距離敷設。

采取相應的避雷措施，降低絕緣配置，必須是建立接地系統和選用合適的電涌保護器，接地系統建設如圖4所示。由圖4可見，地下監控硐室接地系統由等電位連接排和接地裝置組成，還有電涌保護裝置。門窗、欄桿、金屬構件、進出保護管、金屬箱外殼、設備金屬外殼、線纜屏蔽層、電涌保護器等與等電位排以最短的距離連接或焊接，各部分獨立連接等電位排上，禁止采用串聯方式。等電位連接是確保設備免受過電壓毀壞的主要裝置。

圖4 接地系統

地下監控硐室的重復接地裝置可就地在硐室內四周鉆孔預埋接地極，孔內填滿降阻劑，接地極直接焊接在等電位排上；等電位排必須與井下主接地網可靠連接[23]。礦山地下硐室及四周由高電阻率的巖石構成， 供電系統采用中性點不接地形式，漏電電流很小，硐室內做了等電位連接，對設備和人員有安全保障，接地裝置是為了把系統受到電涌入侵的能量釋放，重復接地電阻無具體的阻值要求，有條件時接地電阻值越低越好。

電涌保護器能有效吸收突發的巨大能量，降低主要設備的絕緣配置，應視過電壓類別合理選擇電涌保護器。一般地，地下監控硐室表現為內部過電壓，建議在井下變壓器總盤安裝分Ⅰ級裝置，在監控硐室安裝Ⅱ級/Ⅲ級/Ⅳ級裝置把能量釋放。Ⅰ級電涌保護裝置：標稱放電電流In≥60 kA，保護水平Up≤2.5 kV；Ⅱ級裝置：標稱放電電流In≥20 kA，保護水平Up≤1.2 kV；在設備端設置Ⅲ級保護：標稱放電電流In≥10 kA，保護水平Up≤1.0 kV；在傳感器側或通信線路側設置Ⅳ級保護：標稱放電電流In≥5 kA，按照設備額定電壓選擇電壓等級[24￣25]；網絡數據配備專用防雷裝置。

1.5 過電壓防護的建設和使用效果

柿竹園多金屬采場微震系統在470/514/558/630中段共設置4個監控硐室，故障后的整改措施：

(1) 微震監測系統設備的供電系統采用380/220 VAC隔離變壓器；

(2) 增加接地系統，接地系統按照圖4中的模板設計和施工，其中514/558監控硐室的接地裝置外接既設的接地網；

(3) 系統增設電涌保護器，配置如下：微震系統電源箱內設置了Ⅱ級保護器，傳感器接入處配置了Ⅳ級裝置-安全隔離模塊；同時建議在井下供電動力變壓器低壓總盤設置Ⅰ級保護模塊；

(4) 數據傳輸改線纜為全光纖模式；

(5) 巷道線纜敷設規范整理。

柿竹園IMS微震監測系統經過整改建設后，系統正常運行，設備燒毀的故障不再發生。

2 討 論

安全“六大”系統和微震監測系統設備在國內礦山使用中故障頻發，設備毀壞不能及時修復運行，使用壽命不長，甚至系統短時內就癱瘓，嚴重降低了設備運行的實際效果，導致地壓安全監測處于中斷的危險狀況，各種科研推進受阻，從而在礦山企業中出現“高端設備太嬌貴，不適合在粗獷的礦山中使用，應采用更為簡單的傳統監測手段”等有礙新科技推廣和發展的保守思想言論。更有甚者，科技被套上腐敗的嫌疑。造成這樣局面，有以下3個方面原因。

首先，微震監測系統設備是多種專業共同研發的一套系統專用設備，除了最主要的工藝，例如采礦學、巖石力學、地球物理學、地質學等，系統至少涵蓋：機械學，材料學，電子學，電氣學，通信學，計算機學，軟件學。微震監測系統設備應用時的立項選型缺乏充分的、系統的交流；往往發生嚴重的隱形錯誤；而且可能長期得不到專業的解決方案，并循環相同的錯誤。這是國內科研領域封閉的弊病。

其次，國內外礦山使用環境條件不同，引進國外先進設備時，往往忽略國內礦山環境的惡劣程度。國外進口設備在系統選擇時，供應商往往參照國外礦山標準選擇系統架構和組件，應用到國內礦山時容易出現突發故障，國外供應商無法解決設備之外的問題，更換設備后循環出現類似問題。國產系統設備大多是模仿階段水平，實際開發者并不完全了解生產工藝和應用環境，按照功能指標要求設計和選型，往往無法經過礦山苛刻的環境和時間的檢驗；系統設備缺乏做為整體裝備進行規劃設計，存在原設計和裝配工藝先天不足，特別是“六大”系統的設備，更是良莠不齊。

第三，國內礦山條件艱苦，各種專業人員或年輕人員不愿意到礦山企業服務，員工專業技術水平低下，年齡老化接受能力差。設備使用、操作、管理和維護技術力量相當薄弱。系統建設完成驗收移交后，對實際使用和操作者而言，是一個嚴重的負擔，產生恐懼心理，將下意思的不作為，即使是操作不當或不熟悉，首先的反應是系統故障，等待外部資源解決問題，且習以為常，這是國內礦山企業普遍存在的現象。這種現象不利于先進的設備、方法推廣，所以礦山科技人才的匱乏、斷層成為制約現代礦山科技發展的重要原因。

3 結 論

通過對柿竹園礦IMS微震監測系統設備故障的實際案例分析和解決方案的實施效果展示，以及深入討論故障背后的根源，提出如下建議：

第一、微震監測系統的過電壓措施方案應做為礦山企業電子信息系統的安全標準配備模板推廣。采用380/220VAC隔離變壓器供電；完善接地系統建設；選擇合理的電涌保護器配合系統絕緣水平；設計、選型上減少干擾的產生和引入。

第二、科研單位和生產企業都應該重視和加強自身科技人才隊伍的長期建設，提倡多學科，培養交叉學科年輕技術人才，有利于現代礦山的發展建設和提升競爭力。

[1]韓 顯,張欽禮.關于改擴建礦山安全避險“六大系統”的探討[J].礦業研究與開發,2015,35(03):72￣74.

[2]閆傳令,李紅艷.冶山礦業公司“六大系統”的建設及應用[J].現代礦業,2014,30(12):186￣187.

[3]吳玓文,寇向宇.數字礦山與“六大系統”的融合建設研究[J].礦業研究與開發,2016,36(10):120￣123.

[4]張景奎,王 平,劉建東.礦山安全避險“六大系統”工程實踐[J].礦冶,2014,23(03):81￣84.

[5]李文光,金孟霞.非煤地下礦山安全避險"六大"系統實現方案[J].化工礦物與加工,2013,42(08):44￣45.

[6]毛春雷,許 暉.金屬礦山安全避險“六大系統”設計思路[J].金屬礦山,2012,(05):126￣129.

[7]鐘 聲,陳 欣.礦山安全六大系統中的工控系統信息安全[J].礦業研究與開發,2017,37(02):27￣30.

[8]荀雪梅,陳日輝.大紅山銅礦井下安全避險六大系統的建設[J].中國礦山工程,2016,45(06):12￣15，19.

[9]叢 森,程建遠,王云宏,等.煤礦微震監測技術現狀與發展前景[J].中國礦業,2016,25(12):87￣93.

[10]王培武,王賢偉,楊 順.基于微震監測的特大型礦柱破裂機理及安全系數分析[J].礦業研究與開發,2016,36(10):85￣89.

[11]劉德峰,劉長武,張 飛,等.基于應力分析的微震監測系統構建與應用研究[J].采礦與安全工程學報,2016,33(05):932￣937，944.

[12]董開睿,賈永貴,彭府華,等.萬城鉛鋅礦15線礦柱地壓活動微震監測分析[J].采礦技術,2016,16(02):61￣63.

[13]文排科,左宇軍,唐 波,等.IMS微震監測技術在邊坡中的應用研究[J].化工礦物與加工,2014,43(12):42￣46.

[14]王 平,趙 冉,袁本順,等.基于微震監測技術的巨大采空區穩定性監測工程實踐[J].礦冶,2014,23(05):72￣76.

[15]朱仕林,江文武,余信橙,等.凡口鉛鋅礦微震監測系統定位原理及應用[J].礦業研究與開發,2017,37(06):31￣33.

[16]王 旭,唐紹輝,郭曉強.復雜群空區微震監測技術應用研究[J].礦業研究與開發,2017,37(04):1￣4.

[17]柳云龍，田 有，馮 晅，等.微震技術與應用研究綜述[J].地球物理學進展，2013，28(4)：1801￣1808.

[18]李 波，王莎莎.地壓微震監測技術在大紅山礦的應用于研究[J].湖南有色金屬.2014，3(30)，6￣8.

[19]蘭曉平，胡靜云，李庶林，等.大規模采場垮塌多通道微震監測應用研究[J].礦業研究與開發，2014，(7)：35￣38.

[20]劉宏發，胡靜云，李庶林，等.微震監測技術在柿竹園礦地壓監測中的成功預警案例[J].采礦技術，2012，12(5)：43￣44.

[21]陳際經，胡靜云，李庶林，等.柿竹園礦地下特大爆破的微震監測技術研究[J].礦業研究與開發，2011，(2)：59￣62.

[22]侯義明,于 輝,王喜偉.配電系統的接地方式及過電壓保護[M].北京：中國電力出版社有限公司，2015.

[23]GB50070-2009.礦山電力設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[24]GB50057-2010.建筑物防雷設計規范[S].北京：2010.

[25]GB50343-2012.建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑出版社，2012.(收稿日期：2017￣08￣19)

陳汝秀(1971-)， 男，福建尤溪人，工程師，主要從事礦山自動化系統和設備研究，Email：ruxiuchan@163.com。