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郊外矿区地磅系统雷电防护设计



以铜陵紫金矿电子地磅系统多次遭受雷击事故为例,阐述了矿区电子地磅系统遭受雷击的途径和方式,分析了雷电侵害电子地磅系统的原因,总结、归纳了郊外矿区电子地磅系统相应的雷电防护措施。在具体工作中,应从直击雷防护、电源系统与信号控制系统的闪电电涌入侵和感应过电压保护、联合接地以及屏蔽等几方面入手,制订完善的综合雷电防护措施,最大限度地降低雷电侵害电子地磅系统的概率。
铜陵紫金矿位于铜陵县天门镇大院村后山顶,海拔比较高。该处地下金属矿藏丰富,雷暴频发。每年雷雨季节,该矿山地磅都会因遭受雷击而损坏。该矿山日采矿量比较大,所以,采矿计量系统的电子地磅在工作中就显得尤为重要,而地磅防雷也引起了公司领导的重视,多次求助市气象局帮助解决地磅防雷问题。经现场勘查、分析,该矿电子地磅系统遭受雷击而损坏是地磅防雷措施不完善所致。1 遭受雷击的途径和方式1.1 直击雷多年来,闪电击中矿电子地磅会产生热效应和机械力,因其巨大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波损毁设备的情况比较少见。但是,该矿电子地磅处于山顶,海拔比较高,直击雷防护是不能忽视的。1.2 闪电感应当电子地磅邻近有雷击时,它会处于很强的瞬变电磁场中,会感应出较大的电动势,从而损坏设备。另外,当电子地磅上空有带电积雨云(雷云)经过时,电子地磅的金属结构会感应出与雷云相反的电荷而使电动势增大,进而导致设备损坏。电磁感应和静电感应统称为雷电感应,虽然它对设备的损坏没有直击雷严重,但也被 IEC 称为“电子信息时代的一大公害”。实践证明,电子设备的损坏多数是由雷电感应造成的。1.3 闪电电涌侵入当电子地磅的电源传输线路、信号线路直接被雷击中或发生雷电感应时,雷电压会以波的形式沿着线缆侵入设备,一定程度上造成损毁设备。1.4 闪电电涌引起地电位反击当电子地磅房的避雷带接闪雷电流时,雷电流经过的路径上会产生很高的瞬时高电压,使该路径与周围的金属物体之间形成暂态电位差。如果这种暂态电位差超过两者的绝缘程度,将会击穿放电。当直击雷在电子地磅邻近入地时,会引起设备地网电位升高,使设备外壳产生高电位。如果外壳与设备电源电压之间的电位差大于设备耐压能力,则会导致设备被损坏。2 电子地磅系统防雷原则分析了地磅遭受雷击的可能性后可知,电子地磅系统地处矿山,应在做好直击雷防护的基础上,重点防范闪电电涌侵入闪电过电压。具体的防雷措施是,在联合接地、电源及信号避雷防护、等电位联接、屏蔽几个环节上,认真实施各项保护措施,以提高雷电过电压侵入和雷电电磁脉冲的综合防御能力。3 电子地磅系统雷电防护设计该公司电子地磅位于山顶,海拔比较高,地下金属矿藏丰富,是雷暴多发区,再加上它地处空旷地带,周围没有高大建筑物,相对比较孤立,所以,受到雷击的概率比较大。鉴于此,必须实行全方位的雷电防护。
3.1 电子地磅承载器的直击雷与雷电感应防护直击雷防护的目的是把闪电引导到安全的地方泄放入地,防止雷电直接传导到电子地磅上。其技术措施为:运用滚球法计算后,在电子地磅承载器3~5 m处设置13 m的高管式避雷针保护,并设立单独接地,使电子地磅承载器金属台面完全置于避雷针的有效保护范围之内,然后泄放接闪雷电时的第一次雷电流。将电子地磅承载器四角和长边中点独立焊接接地,考虑到矿山的土壤环境,为了达到较好的接地效果,接地装置可采用接地模块和降阻剂。接地的具体施工应严格按照 GB 50057—2010 规范中的技术要求进行。其防雷设计与施工过程如图 1 所示。3.2 电子地磅接地系统设计接地系统如图 1 所示,它主要包括磅房及设备接地、独立避雷针接地、地磅承载器接地 3 个接地体。地网应按照规范要求施工安装,并满足管式避雷针和磅房接地电阻 R≤10 Ω,地磅承载器与磅房设备通过埋地的穿线钢管形成共用接地地网,接地电阻 R≤4 Ω的要求。3.3 电子地磅的线路屏蔽措施市电电力线路在进入室内前会套金属管并埋地。地埋金属管长度不得小于 15 m,并且金属管两端可靠接地。同时,测控线路全部穿钢管埋地敷设,钢管两端可靠接地,具体如图 1 所示。3.4 等电位连接在磅房内敷设等电位汇流排,将室内电器设备就近与等电位汇流排可靠连接,并与地网相连接。将地磅承载器金属面用16 mm2的铜线与底座跨接,并与接地网可靠连接。
3.5 电子地磅系统电源和信号的雷电防护据雷击事故调查结果分析,电子地磅系统所遭受的雷击多数是雷电波从电源线和信号线路侵入设备造成的,所以,地磅系统的电源和信号系统防雷也是整个防雷系统的关键。由于矿山地磅一般处于室外,因此,其应力部件(传感器)、放大器和显示设备以及与地磅配套使用的电脑、打印机等设备也很容易遭受闪电感应而损害。在大多数情况下,地磅的损坏都是由电阻或电容耦合瞬态过电压造成的。因而,所有引入测控显示间的供电、信号线路和室外与地磅的应力部件(传感器)相连接的信号线、电源线都应安装过电压保护装置。3.5.1 控制线入口安装 SPD在地磅应力传感器的供电回路加装相应直流电压等级、通流量 8/20 波形 10 kA 的 SPD,在其采样信号回路加装相应直流信号 SPD,并对采样信号进行标校。3.5.2 电源线处安装电源 SPD由于雷电冲击波的主要能量集中在从工频附近几十赫兹到几百赫兹的低端,所以,雷电冲击波能量很容易与工频回路发生耦合、谐振。雷电冲击波从电源线路进入电子设备的概率比从信号线中进入的概率要高得多。据统计,约有 80%的电子设备雷击损坏事故是由电源线路引入闪电电涌造成的,因此,应特别加强系统中设备电源的防雷措施。在选型时,要选择残压小、响应ca88亚洲城手机版快的 SPD。电源 SPD 的选择、安装情况如表 1 所示。
4 结束语本文初步分析了电子地磅系统遭受雷击的各个途径及其可能性,提出了相应的雷电防护技术措施和具体的实施方案,并付诸于防雷工程实践中。铜陵紫金矿电子地磅的防雷工程已竣工,投入运行多年,均未因遭受雷击而损坏,防雷效果得到了紫金矿公司的充分肯定。