尾矿库安全监测设备的防雷接地设计

欧阳伟，徐玮环

（1.江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州341000；2.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

尾矿库安全监测设备的防雷接地设计

欧阳伟1,2，徐玮环1

（1.江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州341000；2.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

雷电通常通过交流电源线、信号线、地电位反击等方式入侵电子信息设备,从而对信息设备造成破坏。根据国家相关标准中新的防雷接地设计要求,对尾矿库在线监测系统的防雷设计进行探讨,提出采用生物菌降阻新技术，可有效降低其接地电阻阻值,为电子设备防雷接地设计提供有力保障。

电子信息设备；防雷设计；保护接地;生物菌降阻

对于目前使用越来越普及、工艺越来越精密、灵敏性高、抗压、抗干扰能力低的各类电子信息设备而言,很容易受到雷电入侵的损害。为了保障电子设备在遭受雷击后不被损坏,而且还能正常运行,必须采取相应的防雷接地保护措施。江西铜业公司德兴铜矿处于多雷区,年平均雷暴日数为83天,最多年份为90天。每年雷雨季节来临时,矿区时常会发生因雷击造成的生产和生活供电设施的破坏。尾矿库在线监测系统应用了大量的集成电子设备,主要有尾矿库各个不同方位的视频监测、主坝和副坝的落地机柜、副坝无线网桥以及各观测房监测点等。这些电子信息设备普遍装置在野外杆顶上或野外突出建筑物中,与周边环境相比,更容易遭受雷击,从而导致信息设备破坏,安全监测系统瘫痪。本文拟从雷电侵入电子信息设备的方式入手,对尾矿库在线监测系统的防雷设计进行探讨。

1 雷电波入侵电子信息设备的方式

雷电波主要分为直击雷与感应雷这两种形式。通常直击雷发生的几率比较小[1],但直击雷放电迅速，会给目标造成严重的损坏。感应雷是雷云与地面之间的放电在传输导线上产生了电磁感应,对电子设备产生了干扰。虽然感应雷的损坏强度达不到直接雷的损坏强度，但对于灵敏性高的电子设备来说也足以造成干扰。雷电波对弱电设备的入侵主要是通过设备的电源线、信号线以及控制线等传输导线实现。雷击发生时,通常会在雷击点周围产生强大的电磁场,对附近的电子设备造成干扰,这种形式的干扰称为近场耦合干扰。还有一种情况是雷电以电磁波的方式传输到远方,对远方电子设备进行干扰,即远场辐射干扰。

1.1 通过交流电源线入侵设备

通常电子设备的电源提供主要由室外架空电力线路输入来供应。雷击架空线路的几率比较大，一旦线路遭到雷击，高压线就会通过电容耦合的方式，把雷电脉冲传输到线路低压侧，从而对设备进行破坏。与此同时，低压线路也可能存在被直击雷击中或感应出过电压的现象,由220 V的电源线上产生的过电压对电子设备造成损害,是电子信息设备发生雷击事故的主要原因[2]。

1.2 通过信号线入侵设备

雷电波通过信号线对电子设备入侵情况主要可分为以下3种：1)通常在平坦的地面上有明显突起物遭受雷击侵害时,雷击的强度可以把土壤击穿,然后入侵其导线外皮，接着击穿导线外皮侵入导线芯线,最后可在其芯线上感应出过电压。2)当有电力设备周围发生雷电现象时,由于雷云对地的放电在其上感应出强大的过电压,导致电子信息设备的通信线和接口上也会产生相应的过电压从而造成损坏,如击坏调制解调器、驱动接收器和通信单元等。过电压甚至可能入侵系统内,对下一级电路造成损坏。3)当有两根导线平行传输时,两根导线间也会有感应电压的问题。在系统内部线路中，线路用途的使用性需要把不同用途的线路用一根电缆传输,这样当其中一根导线被雷电入侵时,也必定会在邻近导线上感应出过电压,具有关数据统计,其通信线入侵雷电过电压平均有5 kV,有的甚至高达几十千伏。

1.3 通过地电位反击入侵设备

当雷电击中现场装置的避雷针时,雷电强度的雷电流会在雷电泄放入地过程中,在土壤周边形成半球形的电位,这时如果设备采用的接地方式为独立接地,则地电位的反击就会把电子设备击穿。根据相关数据统计,在雷电泄放中只有50%的雷电流被泄放入地,还有50%的雷电流将平均分摊到建筑物内的各设施中,所以有效的接地是释放雷电突袭的最佳方式之一。

2 在线监测设备的防雷接地设计

对于监测设备的防雷接地,设计时主要考虑的重点是其设备所在建筑物的防雷等级判断、防雷接地电阻要求等级和接地降阻所用材料3个方面。

2.1 电子设备所在建筑物防雷等级

根据相关防雷规范得知，建筑物防雷等级需要得知其所在地的预计年雷击次数，公式如下：

式中：N表示建筑物的年雷击次数,次;Ng表示建筑物地段的预计年平均密度,次/km2;Ae表示建筑物接收次数一样雷击数的等效面积,km2;k表示其校正系数,通常情况下为2。

通过现场的测量计算与查阅相关防雷规范可以得知,选矿厂控制室的防雷等级属于2类[3]。在防雷接地装置中,接地电阻阻值越小,其耐雷电波冲击后接地电压降就越小,防雷性能就越好。根据现场观察发现,控制室电子设备的防雷接地装置与其建筑物的强电防雷接地装置相隔不远,这势必要建立公共地网,采取联合接地的方式以防雷。所以从中心监控机房弱电保护需要考虑,应把防雷等级提升为一类,要求接地电阻阻值<1 Ω。

2.2 防雷接地采用的降阻技术

降低接地阻值的方法有很多,如水平外延接地、深埋式接地极、爆破接地技术、降阻剂等。目前,降阻剂主要分为化学降阻剂和物理降阻剂两大类,本文采用的生物菌降阻技术[4]属于化学降阻剂一类。生物菌降阻剂是由膨润土、生物菌和水组成,其特点就是以电解质为主要成分,利用胶凝物对金属具有的强亲和力,有效地减少水分与电解质的流失。降阻剂中的电解质成分会在有电流流过时充分电解,以渗透的方式改善土壤产生树枝状分叉形的导电回路,扩大接地体与土壤的有效面积,从而加快回路电流中的分流，从而达到降低接地阻值的效果。表1为加生物菌与不加生物菌的膨润土电阻率变化。

表1 加生物菌与不加生物菌的膨润土电阻率

由以上分析可知,使用生物菌降阻技术能有效地降低其土壤电阻率,对防雷接地模块有很好的降阻作用。

2.3 接地电阻的计算

接地网主要由垂直接地体与水平接地体组成,每个接地体的阻值与接地体的埋地深度、长度、宽度、直径、所处地的土壤电阻率等都有关系[5],其垂直接地体与水平接地体的电阻计算公式分别式(2)、式(3)。

根据实际情况与现场测量,该区域的土壤电阻率为185 Ω·m左右,要把接地电阻降到1 Ω以下,需要26个接地极的组合网,如图1所示。垂直接地极用圆钢,长度为2.5 m。水平接地体用扁钢,垂直接地极之间用扁钢连接,之间相间7 m,深埋0.5 m。

图1 在线监测设备的防雷接地示意

接地网采用了生物菌降阻技术,其降阻效率能使其土壤电阻率降下一倍,根据现场接地网安装数日后测量得其接地电阻＜1 Ω,证实了其防雷接地工作的有效性,为其防雷保护做有力保障。

3 结语

在防雷工程当中,不管是对直击雷的预防还是对感应雷的预防,都与其接地电阻有密不可分的关系。防雷接地工作的可靠性直接影响到其装置设备的防雷能力。防雷接地阻值越小，泄放雷电流的能力就越强,同时限制被保护物上的雷电过电压,也能保护其设备不被雷电所侵害。

[1] 陈洪涛.TD_SCDMA无线通信系统中基站设备的防雷与接地设计[J].移动通信,2006(10):85-88.

[2] 徐瑞亚,张智玮.电子信息设备的防雷接地系统[J].低压电器,2009 (6):47-50.

[3] GB50343-2010,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[4] 欧阳伟,杜晓春.生物菌接地降阻技术在高土壤电阻率地段的应用[J].有色冶金设计与研究，2010,31(4):25-26.

[5] 刘丙江.实用接地技术[M].北京：中国电力出版社,2012.

Lightning Protection Grounding Design of Tailings Safety Monitoring Device

OUYANG Wei1，XU Weihuan2
(1.Institute of Electri
cal Engineering and Automation in Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou, Jiangxi 341000,China;2.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Thunder always invade electronic information equipments through AC power line,signal line,earth potential counterattack so as to cause damage to these devices.According to new lightning protection designing criterion from relevant national standards,probe into the lightning protection designing of tailing online monitoring system.Propose that carry out biological bacterium resistance reduction technology,which can effectively reduce the grounding resistance and powerful guarantee for electronic equipment lightningproof grounding design.

electronic information equipment;lightning protection design;protect the earth;biological bacterium resistance reduction

TU856

B

1004-4345(2014)04-0015-03

2014-06-06

国家科技支撑计划课题(编号:2012BAK09B04)。

欧阳伟(1955—),男,教授级高工,主要从事电网配电及其自动化研究工作。