IMS微震系统设备过电压解决方案

陈汝秀,林 峰 ,廖 华

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南 郴州市 423037)

IMS微震系统设备过电压解决方案

陈汝秀1,林 峰1,廖 华2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南 郴州市 423037)

针对国内地下矿山各类信息自动化系统设备故障频发，系统不能稳定可靠运行的现象，通过对柿竹园矿IMS微震监测系统井下设备经常烧毁模块故障的深入剖析，找到故障根源是系统过电压，并对系统的过电压防范进行优化设计，采取遏制过电压的产生和入侵的传播途径，合理选择电涌保护器，配合系统的绝缘水平，全面防护系统的安全，成功地解决了系统设备烧毁的问题，为系统长期稳定运行提供了可靠的保障。系统内部过电压在国内地下矿山信息自动化系统中普遍存在，其防护措施为如何防范系统设备烧毁提供了良好的示范作用。

微震监测；电子信息系统；过电压；电涌保护器

0 引 言

自2010年国家安监总局第23号《通知》和168号文以及2011年第108号文以来，矿山安全“六大”系统建设全面展开[1￣8]。同时微震监测技术广泛应用于地下工程建设和矿山地压安全监测[9￣17]，其实时动态监测性和定位特性为地压安全预警提供了良好的技术支持，并取得显著效果[9￣21]，逐渐取代传统的便携式声发射仪。微震监测系统设备国内外都有生产，但国内设备还不太成熟，中大型矿山微震系统设备基本从国外进口。根据调研显示，大多数地下矿山微震系统和“六大”系统建设初期效果显著，但系统正常运行时间不长。经常出现地下设备烧毁、失效等故障，由于维护困难、恢复周期长，严重影响微震技术的使用，甚至影响企业的正常安全生产。因此如何确保监测系统设备的稳定运行成为微震监测技术应用及其推广成败的关键。

微震监测系统设备长期稳定运行是微震技术发挥正常作用的先决条件。探讨国外进口设备在国内矿山企业频繁出现故障的根源并采取有效的防治技术措施有重大的价值。首先，确保微震监测系统稳定运行，为安全管理提供有力的物质保障；其次，为微震监测技术的应用研究提供数据的来源保障，第三，为国内自主研发该类设备提供良好的经验，及如何提高设备稳定性提供依据，第四，监测系统的安全防护措施可推广应用在矿山企业的其他电子信息系统的安全防护上，譬如：地下矿山“六大”系统，尾矿库在线监测系统等。

1 故障现象与分析处理

湖南省柿竹园有色金属有限责任公司是国内典型的地下多金属老矿山，也是较早引进微震监测技术的地下金属矿山之一[20￣21]，其IMS微震监测系统地下设备烧坏故障在国内具有很强的普遍性。

1.1 柿竹园微震监测系统建设概况

湖南省柿竹园矿2008年率先在490多金属采场矿区建设完成30通道的数字微震监测系统，实现了地压变化实时监测功能，为多中段、特高大空区的地压管理提供了有力的技术保障。由于微震监测技术具备全天候、全范围、实时监控、破裂源高精度三维定位等技术特点，该监测技术逐步成为柿竹园地压监测的主要手段[20]。随着采矿场向东南方向的推进及2012年开天窗大爆破[21]，2012年后柿竹园矿区东部高陡边坡及上部局部垂直悬顶成为地压安全的主要问题。为了更好地监控大范围的高陡边坡及悬顶的稳定性，柿竹园矿于2014年采用监测范围广、监测事件能级更大的配备速度型传感器的IMS微震监测系统。

其系统架构见图1：在4个中段上布置了共7个台站，每个台站接收8个传感器，共56个通道；台站采用星形分布，以DSL通信方式把数据独自传到传输口(俗称大猫)，由传输口把数据上传到服务器(地表主机)；同时服务器的同时步信号也是通过光缆传到传输口，该大猫具有把同时步信号耦合到与台站连接的DSL口的功能。IMS台站由UPS、ADC、SP、DSL MODEM 4个模块组成，传感器全部接到ADC模块上，SP负责采集、触发、控制，DSL MODEM负责数据传输。

图1 IMS系统架构

地表服务器与地下传输口之间采用光缆相连接，台站到传输口和传感器到台站之间采用不同的铜芯信号电缆连接。各中段之间线缆通路有仪表井、交通巷道或垂直钻孔。

1.2 IMS微震监测系统设备故障

故障一：系统在2014年末调试完成后正常使用，在2015年春节停产期间按照矿方要求井下动力设备拉电闸，监测设备继续运行的要求执行；在节后开工送电时，IMS系统设备有部分UPS、ADC模块出现不能工作的现象，部分采集台站不能运行，矿方同时称有“安全六大系统”的电源适配器毁坏情况。经鉴定为模块过电压损坏，更换后正常运行。

故障二：2015年10 kV高压电缆贯穿LV558微震硐室和仪表井敷设施工，高压电缆直接搭在设备箱上，通电后造成558硐室内台站的所有模块烧毁、LV470硐室的传输口烧毁(见图2)；迫使IMS微震监测系统停止运行。

故障三：在IMS系统停止运行期间，传输口上的接口同样出现烧毁现象，同故障二。

图2 故障设备照片

1.3 故障分析

针对IMS系统设备多次烧毁损坏的事故，矿山2016年进行了全面的事故调查和深入的分析，以挖掘系统故障的根源和阻止事故的发生。从上述3次故障可见，故障二和故障三是属于同一类型的故障。

故障一IMS系统UPS模块、ADC模块外部完好，但不能工作,，寄回到原厂维修，经过原厂的检查，结果为主芯片烧毁。故障分析：首先，故障发生的时间是节后复工，动力设备投切之时；井下潮湿，多有漏电现象发生；其次，设备220VAC电源来自地下电源动力总线上的一条火线和一条零线，采用一个稳压器和UPS；第三，经现场确认井下动力变压器为TT(中性点不接地系统)接地系统。综合以上3点分析可得：故障一是由于中性点不接地系统发生中性点漂移造成，如图3所示N点为正常时期的中性点位置，当发生故障时中性点的位置漂移到N′，造成相电压增高。TT系统单相对地短路的稳态过电压正常相电压为√3U，暂态过电压(高频振荡，电弧间歇性的熄灭和重燃)初次燃弧正常相电压最高为2.5U，二次重燃弧时正常相电压最高为3.5U[22]。这种直接以相电压为电源的供电方式，容易因为内部过电压造成设备损坏。这是典型的中性点偏移造成的过电压，也是烧毁模块内部IC的根本原因。

图3 中性点漂移电压矢量图

故障二从图2清晰可见因高压放电击穿、烧焦发黑的RJ45接口，有安装在LV470的传输口和各分中段DSL MODEM，结合图1发现：大猫和小猫之间的铜芯信号电缆穿过仪表井，在2015年10 kV高压电缆未敷设之前，未发生图2中类似的故障，高压电缆与信号电缆混合在仪表井中敷设时，一旦高压电缆绝缘或环境变化，漏电闪络、短路等电气故障致使高压电缆四周存在强烈变化的电磁场，临近导体感应出高电压，这类过电压虽然没有象直击雷过电压的能量大，但是其电压很高，足以烧毁电子设备，本系统中IMS设备烧黑正是感应过电压引起。

1.4 防过电压治理

据以上分析，柿竹园IMS系统设备多次烧毁有内部过电压和感应过电压。针对过电压危害防治，通常采取以下策略：第一，防止过电压的产生：采用合理的方案杜绝过电压产生；第二，切断过电压传播的途径，把过电压隔离在设备之外；第三，完善接地系统和采取有效的保护措施，以匹配系统的绝缘水平。

由于TT系统供电的高可靠性，国内矿山基本采用这类供电方案[23]，解决中性点漂移的方案是采用380/220V的隔离变压器：利用TT系统接地时线电压保持平衡的特点，改原单相供电为二相供电，即隔离变压器一次侧接线电压，二次侧输出稳定的220V电源供给监测设备。该方案大大提高了供电的可靠性，在地下电力系统发生接地故障时，只要供电系统不拉闸都能正常输出稳定的220 VAC。

切断过电压传输的途径和防止过电压的产生是最有效的防范感应过电压的方法。对于柿竹园仪表井中不可避免的10 kV高压电缆，利用光纤抗强电磁干扰的优点，把IMS系统常用的DSL通讯方式改为以太网通讯方式，在光纤线路上不感应高电压，彻底切除感应过电压的产生和传播途径，确保设备的安全。系统中还有供电的电缆和传感器的信号线也是连接到设备上，不能换成光缆，这些都是产生、传导过电压的可能和产生干扰的因素，线缆敷设尽可能避开动力电缆或高压电缆，无法避开敷设的，平行和垂直敷设时应严格遵守规范规定的安全距离敷设。

采取相应的避雷措施，降低绝缘配置，必须是建立接地系统和选用合适的电涌保护器，接地系统建设如图4所示。由图4可见，地下监控硐室接地系统由等电位连接排和接地装置组成，还有电涌保护装置。门窗、栏杆、金属构件、进出保护管、金属箱外壳、设备金属外壳、线缆屏蔽层、电涌保护器等与等电位排以最短的距离连接或焊接，各部分独立连接等电位排上，禁止采用串联方式。等电位连接是确保设备免受过电压毁坏的主要装置。

图4 接地系统

地下监控硐室的重复接地装置可就地在硐室内四周钻孔预埋接地极，孔内填满降阻剂，接地极直接焊接在等电位排上；等电位排必须与井下主接地网可靠连接[23]。矿山地下硐室及四周由高电阻率的岩石构成， 供电系统采用中性点不接地形式，漏电电流很小，硐室内做了等电位连接，对设备和人员有安全保障，接地装置是为了把系统受到电涌入侵的能量释放，重复接地电阻无具体的阻值要求，有条件时接地电阻值越低越好。

电涌保护器能有效吸收突发的巨大能量，降低主要设备的绝缘配置，应视过电压类别合理选择电涌保护器。一般地，地下监控硐室表现为内部过电压，建议在井下变压器总盘安装分Ⅰ级装置，在监控硐室安装Ⅱ级/Ⅲ级/Ⅳ级装置把能量释放。Ⅰ级电涌保护装置：标称放电电流In≥60 kA，保护水平Up≤2.5 kV；Ⅱ级装置：标称放电电流In≥20 kA，保护水平Up≤1.2 kV；在设备端设置Ⅲ级保护：标称放电电流In≥10 kA，保护水平Up≤1.0 kV；在传感器侧或通信线路侧设置Ⅳ级保护：标称放电电流In≥5 kA，按照设备额定电压选择电压等级[24￣25]；网络数据配备专用防雷装置。

1.5 过电压防护的建设和使用效果

柿竹园多金属采场微震系统在470/514/558/630中段共设置4个监控硐室，故障后的整改措施：

(1) 微震监测系统设备的供电系统采用380/220 VAC隔离变压器；

(2) 增加接地系统，接地系统按照图4中的模板设计和施工，其中514/558监控硐室的接地装置外接既设的接地网；

(3) 系统增设电涌保护器，配置如下：微震系统电源箱内设置了Ⅱ级保护器，传感器接入处配置了Ⅳ级装置-安全隔离模块；同时建议在井下供电动力变压器低压总盘设置Ⅰ级保护模块；

(4) 数据传输改线缆为全光纤模式；

(5) 巷道线缆敷设规范整理。

柿竹园IMS微震监测系统经过整改建设后，系统正常运行，设备烧毁的故障不再发生。

2 讨 论

安全“六大”系统和微震监测系统设备在国内矿山使用中故障频发，设备毁坏不能及时修复运行，使用寿命不长，甚至系统短时内就瘫痪，严重降低了设备运行的实际效果，导致地压安全监测处于中断的危险状况，各种科研推进受阻，从而在矿山企业中出现“高端设备太娇贵，不适合在粗犷的矿山中使用，应采用更为简单的传统监测手段”等有碍新科技推广和发展的保守思想言论。更有甚者，科技被套上腐败的嫌疑。造成这样局面，有以下3个方面原因。

首先，微震监测系统设备是多种专业共同研发的一套系统专用设备，除了最主要的工艺，例如采矿学、岩石力学、地球物理学、地质学等，系统至少涵盖：机械学，材料学，电子学，电气学，通信学，计算机学，软件学。微震监测系统设备应用时的立项选型缺乏充分的、系统的交流；往往发生严重的隐形错误；而且可能长期得不到专业的解决方案，并循环相同的错误。这是国内科研领域封闭的弊病。

其次，国内外矿山使用环境条件不同，引进国外先进设备时，往往忽略国内矿山环境的恶劣程度。国外进口设备在系统选择时，供应商往往参照国外矿山标准选择系统架构和组件，应用到国内矿山时容易出现突发故障，国外供应商无法解决设备之外的问题，更换设备后循环出现类似问题。国产系统设备大多是模仿阶段水平，实际开发者并不完全了解生产工艺和应用环境，按照功能指标要求设计和选型，往往无法经过矿山苛刻的环境和时间的检验；系统设备缺乏做为整体装备进行规划设计，存在原设计和装配工艺先天不足，特别是“六大”系统的设备，更是良莠不齐。

第三，国内矿山条件艰苦，各种专业人员或年轻人员不愿意到矿山企业服务，员工专业技术水平低下，年龄老化接受能力差。设备使用、操作、管理和维护技术力量相当薄弱。系统建设完成验收移交后，对实际使用和操作者而言，是一个严重的负担，产生恐惧心理，将下意思的不作为，即使是操作不当或不熟悉，首先的反应是系统故障，等待外部资源解决问题，且习以为常，这是国内矿山企业普遍存在的现象。这种现象不利于先进的设备、方法推广，所以矿山科技人才的匮乏、断层成为制约现代矿山科技发展的重要原因。

3 结 论

通过对柿竹园矿IMS微震监测系统设备故障的实际案例分析和解决方案的实施效果展示，以及深入讨论故障背后的根源，提出如下建议：

第一、微震监测系统的过电压措施方案应做为矿山企业电子信息系统的安全标准配备模板推广。采用380/220VAC隔离变压器供电；完善接地系统建设；选择合理的电涌保护器配合系统绝缘水平；设计、选型上减少干扰的产生和引入。

第二、科研单位和生产企业都应该重视和加强自身科技人才队伍的长期建设，提倡多学科，培养交叉学科年轻技术人才，有利于现代矿山的发展建设和提升竞争力。

[1]韩 显,张钦礼.关于改扩建矿山安全避险“六大系统”的探讨[J].矿业研究与开发,2015,35(03):72￣74.

[2]闫传令,李红艳.冶山矿业公司“六大系统”的建设及应用[J].现代矿业,2014,30(12):186￣187.

[3]吴玓文,寇向宇.数字矿山与“六大系统”的融合建设研究[J].矿业研究与开发,2016,36(10):120￣123.

[4]张景奎,王 平,刘建东.矿山安全避险“六大系统”工程实践[J].矿冶,2014,23(03):81￣84.

[5]李文光,金孟霞.非煤地下矿山安全避险"六大"系统实现方案[J].化工矿物与加工,2013,42(08):44￣45.

[6]毛春雷,许 晖.金属矿山安全避险“六大系统”设计思路[J].金属矿山,2012,(05):126￣129.

[7]钟 声,陈 欣.矿山安全六大系统中的工控系统信息安全[J].矿业研究与开发,2017,37(02):27￣30.

[8]荀雪梅,陈日辉.大红山铜矿井下安全避险六大系统的建设[J].中国矿山工程,2016,45(06):12￣15，19.

[9]丛 森,程建远,王云宏,等.煤矿微震监测技术现状与发展前景[J].中国矿业,2016,25(12):87￣93.

[10]王培武,王贤伟,杨 顺.基于微震监测的特大型矿柱破裂机理及安全系数分析[J].矿业研究与开发,2016,36(10):85￣89.

[11]刘德峰,刘长武,张 飞,等.基于应力分析的微震监测系统构建与应用研究[J].采矿与安全工程学报,2016,33(05):932￣937，944.

[12]董开睿,贾永贵,彭府华,等.万城铅锌矿15线矿柱地压活动微震监测分析[J].采矿技术,2016,16(02):61￣63.

[13]文排科,左宇军,唐 波,等.IMS微震监测技术在边坡中的应用研究[J].化工矿物与加工,2014,43(12):42￣46.

[14]王 平,赵 冉,袁本顺,等.基于微震监测技术的巨大采空区稳定性监测工程实践[J].矿冶,2014,23(05):72￣76.

[15]朱仕林,江文武,余信橙,等.凡口铅锌矿微震监测系统定位原理及应用[J].矿业研究与开发,2017,37(06):31￣33.

[16]王 旭,唐绍辉,郭晓强.复杂群空区微震监测技术应用研究[J].矿业研究与开发,2017,37(04):1￣4.

[17]柳云龙，田 有，冯 晅，等.微震技术与应用研究综述[J].地球物理学进展，2013，28(4)：1801￣1808.

[18]李 波，王莎莎.地压微震监测技术在大红山矿的应用于研究[J].湖南有色金属.2014，3(30)，6￣8.

[19]兰晓平，胡静云，李庶林，等.大规模采场垮塌多通道微震监测应用研究[J].矿业研究与开发，2014，(7)：35￣38.

[20]刘宏发，胡静云，李庶林，等.微震监测技术在柿竹园矿地压监测中的成功预警案例[J].采矿技术，2012，12(5)：43￣44.

[21]陈际经，胡静云，李庶林，等.柿竹园矿地下特大爆破的微震监测技术研究[J].矿业研究与开发，2011，(2)：59￣62.

[22]侯义明,于 辉,王喜伟.配电系统的接地方式及过电压保护[M].北京：中国电力出版社有限公司，2015.

[23]GB50070-2009.矿山电力设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[24]GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].北京：2010.

[25]GB50343-2012.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑出版社，2012.(收稿日期：2017￣08￣19)

陈汝秀(1971-)， 男，福建尤溪人，工程师，主要从事矿山自动化系统和设备研究，Email：ruxiuchan@163.com。