凯里市兴隆煤矿防雷工程设计

潘 竑，刘 崛，谢俊英

(1.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000;2.贵州省麻江县气象局，贵州 麻江 557600)

1 引言

凯里市兴隆煤矿是一座现代化的煤矿，除了传统的矿山建筑外，还设有矿区控制、指挥等现代化通信和信息系统，虽然已有外部防雷，但还需对其进行雷电电磁脉冲雷电感应，雷电波侵入进行防雷设计。其内部设计有电源总配电房低压柜、通信和计算机网络等微电子设备和电子系统，这些电子设备与计算机系统通常属于耐电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，抗雷击能力很弱，一般电子设备都承受不了±5 V的电压波动。普通建筑物防直击雷的避雷装置引入了强大的雷电流通过接地引下线入地，在附近空间产生了强大的电磁场变化，会在相邻的导线(电源线和信号线)上感应出雷电过电压，因此普通建筑物的直击雷防护系统不但不能保护这些电子设备与计算机系统，反而可能会引入雷电的威胁。该煤矿不能仅针对直击雷的防护设计，雷击电磁脉冲的防护尤为重要。因此本文结合工程实际情况为其设计一套综合防雷方案。

2 凯里市兴隆煤矿雷击环境特征

2.1 地理、地貌及气候环境

凯里市兴隆煤矿位于凯里龙场镇老山村，雷电活动主要发生在4—8月，月平均雷暴日接近9 d;雷暴日最多的年份为1964年(76 d);雷暴日最少年份为1986年(39 d)。年平均雷暴日56 d，属高雷区。

2.2 凯里市兴隆煤矿概况

煤矿开采规模为30万 t/a，井田面积0.15 km2。矿井南部3个井筒，采用斜井开拓方式即新建1个主斜井作为运输(运煤)和进风，建有1个副斜井作辅助运输(运料、设备、出矸)、进风和行人，1个风井作回风井。工业场地按台阶布置各功能区。生产区布置有斜井、绞车房、地面贮煤场、矸石仓、块煤储场、煤粉储场、汽车装车场地、机修车间、10 kV配电所、地面窄轨车场;辅助生产区布置有爆破材料库、综合材料库、坑木加工房、井下水、生活污水处理站等;回风井口布置有引风道、通风机房及配电间、生活、生产水池等;行政办公及生活设施布置有矿办公室、食堂、汽车库、职工宿舍楼等。矿区内工艺生产装置多，大多数采用露天布置。工程自动化控制程度高，生产和储运过程中涉及到的危险物料有爆破材料库，煤尘、瓦斯、CO等。

2.3 建(构)筑物、矿井内部设备概况

该建筑内部包含以下系统:供电系统、计算机网络系统、视频监控系统(安全防范系统)等。

2.3.1 供电系统 矿井采用两回路供电，一回路引至龙场变电站10 kV电网，另一回路引至凯里地方电力公司10 kV电网。矿井设地面低压配电室，地面设备的低压配电电缆直接从配电室馈出，井下设备的低压配电电缆由井下机电硐室馈出，井下机电硐室设在井下中部车场。向地面供电的变压器中性点接地，向井下供电的变压器中性点不接地(TT系统)，矿井电力电压为6 kV→660 V→127 V→36 V→24 V。其余电压为 380 V220 V、24 V、12 V、5 V。

根据工业场地布置及用电负荷分布情况，在主斜井东南场地内设10/0.4 kV变电所一座，并附设高压配电室。工业场地10 kV变配电所担负场地全部低压动力负荷及地面部分室内外照明，变电所内设S9－630/10变压器二台及高、低压配电柜，主要负荷有:通风机房、地面水泵房、地面生产系统、排矸系统、主井绞车、机修车间、坑木加工房、井下水及地面污水处理站、灯房浴室及锅炉房等。工业场地内所有高低压配电线为架空线或电力电缆线路，穿越公路处采用电缆沟敷设，电力电缆集中的区段采用沿挡墙吊挂或电缆桥架敷设，穿越公路处电缆桥架距地不低于5 m，一般情况距地不低于3 m。

井下工作面、掘进头等各用电设备电缆由配电点隔爆型低压馈电开关引出。局部通风机采用专用变压器、专用开关及专用电缆，并与掘进工作面之设备做风电、瓦斯闭锁。主、副斜井、运输大巷、车场、井下变电所、运输顺槽等处设固定照明。

2.3.2 计算机网络系统及视频监控系统 安全监测监控系统选用重庆煤科院生产的KJ90。地面中心站设在工业场地办公楼调度室内。KJ90型煤矿安全监控系统由监控主机、传输接口、地面分站、井下分站、传输电缆、各种传感器等组成。该系统融计算机网络系统、监测监控系统、工业电视系统、人员监测系统及程控调度通信系统于一体。本系统对全矿的瓦斯、风速、风门开闭、重要采掘运输设备开停、电压等安全与生产参数进行测量、统计、分析和信息存储;在参数超限和设备故障时，能及时报警、显示和打印，必要时还可实现超限自动断电等功能。

3 煤矿的防雷工程设计

3.1 煤矿防雷建筑物类别划分

由于该煤矿较高建筑物为办公楼，根据建筑物年预计雷击次数计算公式确定，建筑物年预计雷击次数N为0.270 5次/a。

据《建筑物防雷设计规范》第2.0.4条规定:预计雷击次数≥0.06次/a，且≤0.3次/a的住宅、办公楼等一般性建筑物应划分为第三类防雷建筑物。因此该建筑应划为第三类防雷建筑物。

爆破器材库(炸药库)按一类建筑物的防雷保护进行设计。瓦斯抽放站应按第一类防雷建筑物设计。变电所、锅炉房、绞车房、主井口、副井口应按第二类防雷建筑物设计。办公楼、宿舍楼、材料库等应按第三类防雷建筑物设计。

3.2 直击雷防护

由于煤矿3个井筒，办公楼及附设，炸药库，也有防直击雷装置且合格，所以本方案暂不考虑防直击雷。

3.3 感应雷防护—电源防雷

①在煤矿的电源总配电房低压柜电源输入端，安装HY38P－80三相交流电源防雷器，作为电源系统的第一级防雷保护。该产品为高速能量释放，低残压等级，快速响应 (tA≤100 ns)，高绝缘电阻(103 mΩ)，适用于网络系统中电子设备的电源环境的防雷保护。②在煤矿洞口下井前的电源输入端，安装HY38P－60长寿命三相电源防雷器，作为电源系统的第二级防雷保护。

3.4 接地与等电位联结地网设计

接地装置为多根水平或垂直接地体，为了减小相邻接地体的屏蔽作用，接地体间距一般5 m，相应的利用系数为0.75～0.85。此距离可根据实际情况适当减小，但不能小于垂直接地体长度。接地体埋得越深，土壤湿度和温度的变化越小，接地电阻越稳定。根据计算，在均匀土壤电阻率的情况下埋得太深对降低接地电阻值不显著。实际上，接地装置埋设深度一般不小于0.5～0.8 m，既能避免接地装置遭受机械毁坏，同时也减小气候对接地电阻值的影响。

在煤矿变压器房两旁的低压配电房外，新建一组地网。地网垂直接地极使用＜50 mm×50 mm×5 mm的镀锌角钢，水平接地体使用－40 mm×4 mm的镀锌扁钢，配合使用适量降阻剂。使地网阻值达到安全保护接地和防雷接地规定要求(R≤4Ω)。

3.5 等电位联结

在煤矿变压器房两旁的两个低压配电房内，设置一套接地汇流排，作为低压配电房内的安全保护接地和防雷接地，接地引下线至低压配电房新建地网;煤矿低压配电房地网与煤矿铁轨在井口处做等电位连接。

3.6 井下设备防雷设计

进入井下的电源线、信号线必须在地面配电房或控制室按要求安装相应的电涌保护器，采用埋地进入井下，不能将电涌保护器安装在井下或井口，电涌保护器应安装在配电房或控制室。

井下所有设备必须做可靠接地，防止设备产生静电火花引发事故，接地装置不能与井上防直击雷接地装置共用，在井下采取就近接地，接地电阻要求≤100Ω。煤矿井上部分50 V以上的交流电气设备和内绝缘损坏可能带有触电危险的电气设备的金属外壳、构架等，必须设保护接地。煤矿井下部分电压在36 V以上和由于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备的金属外壳、构架，铠装电缆的钢带(或钢丝)、铅皮或屏蔽护套等必须有保护接地。严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井，当由架空线路转换为电缆埋地引入时，若其井外埋地长度超过15 m，电缆金属外皮应在进入处做接地，还应在井外做两处接地，接地点间距不应＞50 m，接地电阻不宜＞20Ω。采用架空线路引入时，接户线的绝缘子铁脚宜接地，接地电阻不宜＞30Ω。当土壤电阻率在200Ω·m及以下时，铁横担钢筋混凝土杆线路由于连续多杆自然接地作用，可不另设接地装置。屋内有电力设备接地装置的建筑物，在入口处宜将绝缘子铁脚与该接地装置相连，可不另设接地装置。

煤矿井下应在以下场所单独装设局部接地装置:①采区变电所(包括移动变电站和移动变压器)。②装有电气设备的硐室和单独装设的高压电气设备。③低压配电点或装有3台以上电气设备的地点。④无低压配电点的采煤机工作面的运输巷、回风巷、集中运输巷(胶带运输巷)以及由变电所单独供电的掘进工作面，至少应分别设置1个局部接地极。⑤连接高压动力电缆的金属连接装置。

3.7 瓦斯抽泵房防雷设计

在瓦斯抽放泵站房顶上设置避雷针，并接地。根据《建筑物防雷设计规范》(2004)，设避雷线保护瓦斯排放管，在瓦斯抽放站房顶装设置避雷带，在变电所设工作接地，接地电阻＜4Ω;在瓦斯抽放站分别设防雷接地，接地电阻均＜10Ω。

设计放空管的高度为7 m，在距放空管5 m之内设一高度为14m的避雷针由于煤矿处于山区，雷害比较严重，应该注意以下几点:①放空管应高于房脊4 m以上，放空管与避雷针距离＜5 m;②泵房房顶应安放雷网;③避雷针接地电阻不得＞4Ω，达不到要求的要增加接地极;④瓦斯抽放泵房内所有设备的金属外壳都应接地，金属走线架、水管等金属物必须接地;⑤为防止井下瓦斯抽放管路带电，瓦斯抽放管也需接地;⑥瓦斯抽放泵供电采用四芯电缆，其中一芯接地。

4 结论

针对兴隆煤矿在采用已完善直击雷防护措施的前提下，着重考虑雷击电磁脉冲对建筑内部的信息系统的影响，提出采用屏蔽、共用接地系统、等电位连接、合理布线、加装浪涌保护器等综合技术。

①瓦斯抽放站要求有防雷电措施。由地面直接入井的轨道及露天架设的金属管路、架空电缆的金属外皮等，在井口附近设防雷接地，接地电阻不＞10Ω。

②通信线路在入井处装设熔断器和避雷器;KJ90煤矿安全监控系统线路在井口装设一个RS858型避雷器;KJ260井下人员定位系统、设在井口交界处的 KJ260－J传输接口设2个矿用型KNF32X电源及信号防雷栅。

③井下所有电气设备的金属外壳均采用电力电缆的铠装层或橡套电缆的接地芯线作为系统接地线。在水泵房主副水仓各设1 m×0.75 m×0.005 m镀锌钢板作为主接地极，在配电所及配电点等处的水沟中设＜50 mm×50 mm×5 mm镀锌角钢作为局部接地极，将所有设备与主接地极、局部接地极做可靠的电气连接，接地网上任一保护点测得的接地电阻不得＞2Ω，接地干线采用40 mm×4 mm镀锌扁钢。

［1］马明，张义军.我国的雷电灾害及其防御［N］.中国气象报，2009，4，13.

［2］GB50057－2010.建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2001.

［3］李祥超.防雷工程设计与实践［M］.南京:南京信息工程大学.

［4］建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］.GB50343－2004.

［5］GB50343—2004.建筑物电子信息系统技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2004.

［6］杨克俊.电磁兼容原理与设计技术［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

［7］GB/T1880212.低压配电系统的电涌保护器选择和使用导则［S］.北京:中国计划出版社，2006.