煤矿的雷击安全隐患及防雷保护

景东平 延雪花,

（1.山西省临汾市气象局，山西 临汾 041000；2.南京信息工程大学，南京 210044）

雷电灾害是最严重的自然灾害之一。随着我国煤矿产业现代化建设速度的加快和电子技术的飞速发展，各种敏感的电子设备不断应用到煤矿的电力系统、通信系统和各种监控系统中，煤矿的雷电防护形势日趋严峻。本人所处地区煤矿较多，拥有便利的条件到实地进行考察，然后运用自己的理论知识对煤矿的雷击安全隐患进行分析并提出防雷保护措施。

1 煤矿易遭雷击的原因分析

根据雷击的选择性，空旷地带和土壤电阻率有突变的地方容易遭受雷击。煤矿都处于空旷地带，并且很多煤矿同时处于岩石和土壤的交界处及土壤电阻率有突变的地点，煤矿矿区是一个容易遭受雷击的地点。

地形对雷暴的移动有以下影响：当积雨云遇山地阻挡时，由于迎风面有上升气流影响，使雷暴在山地的迎风面停滞少动；当积雨云受山脉阻挡时，雷暴即沿山脉走向移动，如山脉有缺口，则雷暴顺着山口移动。我国大部分地区山地的东坡、南坡较北坡、西北坡易受雷击，山地的平地较峡谷容易受雷击。因此如果煤矿处于上述地带的话是容易遭受雷击的。

另一方面煤矿在生产和运输过程中会产生大量的煤炭粉尘，这些粉尘悬浮在矿区上方的空气中，无疑增加了矿区上方空气的电导率。当雷雨云到达矿区上空时，这些悬浮的粉尘为雷雨云与矿区大地电场之间提供了有利的导电通道，从而使雷雨云更容易对地放电，造成地面人员伤亡和设备损坏。

2 煤矿雷击安全隐患分析

直击雷是闪电直接击在建筑物、其他物体、大地或防雷装置上，产生的电效应、热效应和机械力。煤矿的办公楼建筑主体、炸药库、主、副井提升机房（架）和变电所这些突出地面越高的物体很易遭受雷击。强大的雷电流通过被击物体时产生大量的热量，如果在短时间不易发散出来，极容易造成金属被融化，建筑物被炸裂，尤其是通过雷电流流过存放易燃易爆物品的炸药库时，会引起火灾或爆炸。

雷电感应分为静电感应和电磁感应。采用架空供电线路时，在雷雨天气由于静电感应架空线路上感应的大量电荷形成感应过电压波冲击煤矿的供电设备。煤矿里的金属屋顶或其他导体同样会由于雷电静电感应产生过电压损坏设备。由于雷电流有极大峰值和陡度，在它周围的空间有强大的变化的磁场，处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。当存在较大环路且不闭合时，在开口处容易产生火花和高电压，引起易燃物品着火、易燃气体爆炸和电子设备损坏。在煤矿的信息系统、供、配电系统和炸药库易产生静电荷和存在较大环路的部位最容易遭受雷电感应的损害。

雷电波侵入的主要途径有3种：①直接雷击击中室外的金属导线，使闪电的高电压以脉冲波的形式沿导线侵入室内；②来自间接雷的电磁脉冲在导线金属体上感应产生高电位，然后以脉冲波的形式沿着导线传播侵入室内；③由于云地闪电击在建筑物上或建筑物附近时，在地中产生高电位，这种形式的高电位通过零线和接地线侵入室内。按照以上的雷电波侵入的主要途径分析，煤矿容易遭受雷电波侵入的部位是存在较多线路和电子设备的信息系统、供配电系统、主、副井提升机房，当雷电波侵入脆弱的电子设备时极易造成这些设备的损坏，进而引发生产事故，严重是造成人员伤亡。

雷击电磁脉冲是闪电通道在先导主放电过程中向外辐射的高频和甚高频电磁能量。电磁脉冲主要由传导耦合和辐射耦合两种方式传送到被干扰对象。对于煤矿而言，雷击电磁脉冲主要作用于通信系统、瓦斯监控系统和监测系统等信息系统。在井内的电子设备同样也会受到干扰或损坏，电磁脉冲可以穿透岩层或者通过井口干扰或损坏井内的电子设备，虽然电磁脉冲在穿透岩层时有一定衰减，但是其对井内设备的破坏力还是不容忽视的。雷击电磁脉冲同时也可作用于进入矿井的各种金属管道和线缆形成过电压干扰或损坏井内电子设备，造成瓦斯监控系统、风机监控系统、人员定位系统等监控系统的瘫痪，造成生产事故。

煤矿各部位和系统易遭受的主要雷害汇总。

经过以上分析可以将煤矿各部位和系统易遭受的主要雷害汇总见表1。

表1 煤矿各部位和系统易遭受的主要雷害汇总

3 煤矿的防雷保护

现代防雷技术原则强调全方位保护,综合治理,多层设防，多思路考虑,把防雷作为一个系统工程来设计。表1得出了煤矿的各个系统和部位主要易遭受何种雷害，以下就煤矿上述各部位和系统如何有效防止主要雷害做了防雷保护设计。

3.1 煤矿办公楼建筑主体的防雷保护

一般在煤矿矿区办公楼建筑主体是最高的构筑物，根据《建筑物防雷设计规范》的建筑物防雷分类要求，属第三类防雷建筑物。办公楼建筑主体应沿屋角、屋脊和檐角等易受雷击的部位敷设避雷网（带），并应在整个屋面组成不大于 20m×20m 或24m×16m的网格。对于突出屋面的物体，如为金属物体可不装接闪器，但应就近与避雷带连接。在屋面避雷带保护范围之外的非金属物体应装接闪器，和屋面避雷带连接。如图1所示。

图1 办公楼建筑主体屋面等电位连接示意图

办公楼建筑主体直击雷防护装置的引下线及其接地装置应符合《建筑物防雷设计规范》关于第三类防雷建筑物的相关要求。

3.2 煤矿信息系统的防雷保护

煤矿的信息系统包括通信系统和各种监控系统，其防雷措施应符合《电子信息系统防雷技术规范》的要求。在进入信息系统机房的导电物均应在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区的界面处做等电位连接。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑物时，宜设若干等电位连接带，并应就近连到环形接地体、内部环形导体或此类钢筋上。它们在电气上是贯通的并连通到接地体，含基础接地体。

信息系统机房电源系统采用三级防护。信息系统信号线路浪涌保护器的选择，应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数，选用电压驻波比和插入损耗小的适配的浪涌保护器。

图2 监控机房防雷保护示意图

在煤矿井口处将电源线、信号线分槽布设，护套信号线加套屏蔽金属管，各条信号电缆之间作了横向均压连接，并将进入井内的金属管道、轨道、电缆金属屏蔽层等均作了等电位连接并接地。在井下信息设备的终端加装信号浪涌保护器。

3.3 煤矿供电系统的防雷保护

煤矿供电系统的防雷保护从直击雷、雷电波侵入这两个方面考虑，其主要防护部位有变电所、变电所内变压器和输电线路。

变电所防直击雷的有效措施就是在变电所安装避雷装置，按照《煤矿安全规程》的规定，煤矿变电所应按第三类防雷建筑物进行设计。

变电所内的主变压器最重要，应重点保护。利用变电所母线安装阀型避雷器，把它接在主变压器旁边。在雷电波入侵到主变压器时，产生全反射使它们身上的电压升高，雷电波电压曲线与阀型避雷器的较平坦的伏秒特性相交，使避雷器动作。对有正常防雷的110～220kV变电所，流过避雷器的雷电流不大于 5kA，在主变压器冲击耐压大于避雷器冲击放电电压时，主变压器得到可靠保护。其次要选择好安装避雷器的位置，它与主变压器及其它设备的距离都应小于最大允许电气距离，当一组不满足要求时可再增一组。

图3 电源防雷器整体示意图

3.4 煤矿炸药库的防雷保护

炸药库是煤矿井上最危险的部位，应从防直击雷和防雷电感应两个方面考虑。在防直击雷方面，按照《小型民用爆炸物品储存库安全规范》（GA838-2009）要求，应按第一类防雷建筑物的防雷措施设计。炸药库应安装独立的避雷针，为了降低在设计中避雷针的高度，建议尽量避免采用单针保护。在库区内设置防雷电感应的接地装置,建筑物的金属屋顶、金属门窗、放静电装置、视频监控装置等金属物,均应可靠连接到防雷电感应的接地装置上。防雷电感应的接地装置和电气设备的接地装置可共用,接地电阻不大于10Ω。防感应雷部分，主要有监控设施等，其防范措施严格依照《民用爆炸物品储存库治安防范要求》（GA837-2009）规范执行，具体做法在前文已有叙述。

3.5 立井提升机房（架）的防雷保护

立井提升机房的防雷级别按照《煤矿安全规程》要求属第二类防雷建筑物设计。

立井提升机房的防雷电波侵入、雷电电磁感应、雷击电磁脉冲的措施和信息系统机房的措施大致相同。

立井提升架应按第三类防雷建筑物进行设计，立井提升架一般虽为金属框架，可作为接闪器和引下线使用，但前提是立井提升架本身必须接地良好且雷电流泄放能力足够好，这就要求其接地面积较大，能够泄放绝大部分的雷电流入地。同时要做好缆绳、金属管道和线缆的等电位连接，相邻金属物的跨接处理。

4 结论

由于煤矿雷电环境的特殊性,在对煤矿防雷工程进行设计时，必须对所设计煤矿的地理、地质、气象、环境、雷电活动规律、保护对象的状况和特点等条件认真了解，深入到煤矿进行实地勘察，才能达到保障煤矿安全生产的目的。本文分析了煤矿的雷击安全隐患及防雷保护，虽然比较简要，但还是比较全面的。有错误和不足之处，敬请各位专家、同仁批评斧正。

[1] 《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010.

[2] 《电子信息系统防雷技术规范》GB 50343—2004.

[3] 《供配电系统设计规范》GB 50052—93.

[4] 《煤矿安全规程》2009版.

[5] 《小型民用爆炸物品储存库安全规范》GA838—2009.

[6] 《民用爆炸物品储存库治安防范要求》GA837—2009.

[7] 周振涛,周道刚.煤矿防雷技术初探[J].贵州气象,2004(增刊): 49.

[8] 许学先,魏涛.煤矿防雷技术研究及应用[J].煤炭技术,2004(4): 103.

[9] 丁志平.浅谈小型煤矿瓦斯监控系统的防雷设计与安装[J].山西气象, 2007(2): 20.

[10] 周壁华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京:国防工业出版社, 2004: 341-344.

[11] 梅卫群,江如燕.建筑防雷工程与设计[M].北京:气象出版社, 2004.

[12] 李思军,王磊.关于煤矿雷击保护[Z]. 2007.

[13] BAZELYAN E M, RAIZER Y P.2000: Lightning Physics and Lightning Protection[M]. Institute of Physics Publishing: 325.

[14] IEC 62305-3, Protection against lightning-Part 3:Physical damage to structures and life hazard.

[15] IEC 62305-4, Protection against lightning-Part 4:Electrical and electronic systems within structures.