煤礦企業(yè)的防雷設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：由于雷電可以毀壞電氣設(shè)備的絕緣，引起火災(zāi)；在礦井中更能引起爆炸事故，造成人員傷亡。所以防雷設(shè)計(jì)在煤礦中作用巨大。文章根據(jù)不同雷電產(chǎn)生的原因介紹了煤礦防雷的方法。

關(guān)鍵詞：直擊雷；感應(yīng)雷；閃電電涌侵入

1 雷電入侵形式分析

1.1 雷電種類劃分

對(duì)設(shè)備及人員造成損害的雷電有多種形式，一般分為直擊雷（帶電云層與建筑物、其它物體、大地或防雷裝置間發(fā)生的猛烈放電現(xiàn)象，并由此而產(chǎn)生的電、熱效應(yīng)或機(jī)械力等一系列的破壞作用）、閃電靜電感應(yīng)（導(dǎo)體上感應(yīng)出于雷云符號(hào)相反的電荷，未中和就近泄入地中產(chǎn)生很高點(diǎn)位）、閃電電磁感應(yīng)（由于雷電流的迅速變化導(dǎo)致了在其周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，致使附近金屬上出現(xiàn)很高的電動(dòng)勢(shì)）、閃電電涌侵入（由于雷電具有傳導(dǎo)作用，雷電波可能沿著某些導(dǎo)體侵入屋內(nèi)，例如金屬管道和架空線，并對(duì)人身安全或設(shè)備造成傷害）以及由雷電而引起的電壓反擊。

1.2 雷電造成危害的侵入形式

實(shí)踐證明，感應(yīng)雷和閃電電涌侵入的侵入途徑廣泛，引發(fā)的破壞最為頻繁，在雷災(zāi)的統(tǒng)計(jì)中占80%左右。感應(yīng)雷、閃電電涌侵入和地電壓反擊主要通過供電線路和信號(hào)線路形式對(duì)設(shè)備或建筑造成破壞。

2 煤礦企業(yè)建筑物、構(gòu)筑物的防雷分類及防雷措施

2.1 建、構(gòu)筑物的防雷分類

根據(jù)建、構(gòu)筑物的性質(zhì)和雷擊后果，按照《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50057-2010）將建、構(gòu)筑物防雷分為三類的原則，結(jié)合煤礦企業(yè)特點(diǎn)，并依其類別的不同而采取相應(yīng)的防雷措施。

（1）因電火花造成的爆炸、爆轟，會(huì)造成人身傷亡者和巨大破壞的，并且存貯、使用或制造炸藥及其制品的危險(xiǎn)建筑物。

在煤礦企業(yè)中屬于第一類建、構(gòu)筑物的有火藥庫(kù)、炸藥庫(kù)、瓦斯抽放站等。

（2）第二類：電火花不宜引起爆炸或爆炸不至造成巨大破壞和人身傷亡者的，并且使用、儲(chǔ)存或者制造大量爆炸物質(zhì)的建筑物；建、構(gòu)筑物中在不正常情況下能形成爆炸性混合物，因電火花而引起爆炸者。

在煤礦企業(yè)中屬于第二類建、構(gòu)筑物的有汽油庫(kù)、雷管庫(kù)、選煤廠主廠房、生產(chǎn)系統(tǒng)的選煤樓等。

（3）第三類：除第一類及第二類建、構(gòu)筑物以外的爆炸、火災(zāi)場(chǎng)所。依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地址、氣象、及周圍環(huán)境，并且考慮工業(yè)生產(chǎn)的影響的條件，所確定需要防雷的建、構(gòu)筑物；建、構(gòu)筑物在不正常情況下，因電火花而引起的局部形成爆炸性混合物所造成的爆炸；有可燃物質(zhì)因電火花而引起的火災(zāi)的建、構(gòu)筑物；保存有少量金屬包裝爆炸物的房屋；根據(jù)建、構(gòu)筑物年計(jì)算累計(jì)次數(shù)為0.01級(jí)以上。作為第三類建、構(gòu)筑物是否需要防雷，可參考表1。

2.2 煤礦企業(yè)建構(gòu)筑物的防雷措施

2.2.1 第一類

對(duì)第一類建、構(gòu)筑物（火藥庫(kù)、炸藥庫(kù)、瓦斯抽放站等）必須采取全面的防雷措施，以防止直擊雷、閃電感應(yīng)和閃電電涌侵入等而引起的破壞性后果。

（1）防直擊雷

a.應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或者架空接閃線或者架空接閃網(wǎng)。架空接閃網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于5m×5m或4m×6m。對(duì)噴嘴具有爆炸性氣體、粉塵或蒸汽排放的排氣管、呼吸閥、排氣管等，其保護(hù)范圍應(yīng)按要求高于管頂。

b.裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或者架空接閃線或者架空接閃網(wǎng)的支柱及其接地裝置，至被保護(hù)建筑物及與其有聯(lián)系的金屬物之間的間隔（圖1），用如下公式計(jì)算，但應(yīng)？叟3m。

地上部分：當(dāng)hx？芻5Ri時(shí)：Sa1？叟0.4Ri+0.1hx （1）

當(dāng)hx？叟5Ri時(shí)：Sa1？叟0.1（Ri+hx） （2）

地下部分：Se1？叟0.4Ri （3）

c.屋面以及突出屋面的放散管、風(fēng)帽等至架空接閃線之間的距離（圖1），應(yīng)按如下公式計(jì)算，但應(yīng)？叟3m。

當(dāng)（h+l/2）？芻5Ri時(shí)，Sa2？叟0.2Ri+0.03（h+l/2） （4）

當(dāng)（h+l/2）？叟5Ri時(shí)，Sa2？叟0.05Ri+0.06（h+l/2） （5）

（2）防閃電感應(yīng)

a.建筑物內(nèi)較大金屬物，如設(shè)備、管道、構(gòu)架、電纜金屬外皮、鋼屋架、鋼窗等，以及突出屋面的金屬物，如放散管、風(fēng)管等，均應(yīng)可靠接地。金屬屋面每隔18m～24m應(yīng)接地一次。用預(yù)制構(gòu)件組成的鋼筋混凝土屋面或現(xiàn)場(chǎng)澆灌的屋面，應(yīng)將金屬件焊接或綁扎，并應(yīng)每隔18m～24m接地一次。

b.凈距小于100mm長(zhǎng)金屬物（如平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等）均應(yīng)采用金屬線跨接，其跨接間距應(yīng)？燮30m；交叉凈距小于100m的交叉處也應(yīng)跨接。當(dāng)長(zhǎng)金屬物的連接處（如彎頭、閥門、法蘭盤等）的過渡電阻？酆0.3？贅時(shí)，應(yīng)用金屬線跨接其連接處。當(dāng)連接的法蘭盤的螺栓大于5根，并且所處環(huán)境為非腐蝕環(huán)境時(shí)，可不跨接。

c.電氣和電子系統(tǒng)的接地裝置與防雷電感應(yīng)的接地裝置應(yīng)共用，其工頻接地電阻宜小于10？贅。應(yīng)至少設(shè)置2處防閃電感應(yīng)接地裝置與屋內(nèi)的等電位連接的接地干線的連接點(diǎn)。

（3）防閃電電涌侵入

a.當(dāng)電氣設(shè)備不設(shè)在室內(nèi)時(shí)，可有效避免閃電電涌沿電力線傳入。

b.對(duì)于室外的低壓配電線路，應(yīng)全線采用電纜直埋敷設(shè)，并且應(yīng)將電纜的金屬外皮、鋼管等導(dǎo)體在入戶處或者室內(nèi)配電箱內(nèi)接到等電位連接帶或接地裝置上。當(dāng)上述做法實(shí)施困難時(shí)，應(yīng)采用鋼筋混凝土桿以及鐵橫擔(dān)的架空線敷設(shè)至建筑附近，然后使用一段大于的15m護(hù)套電纜穿鋼管或金屬鎧裝電纜直接埋地引入室內(nèi)，使其對(duì)地接觸面積加大，入戶前就能有效的釋放閃電電涌。應(yīng)裝設(shè)戶外型電涌保護(hù)器在電纜與架空線連接處。并應(yīng)將鋼管、電纜金屬外皮、電涌保護(hù)器、絕緣子鐵腳和金具等導(dǎo)體連在一起可靠接地，其沖擊接地電阻宜小于15？贅。

c.對(duì)于采用鋼筋混凝土桿的架空線的通信線路，線路入戶前應(yīng)穿鋼管直接埋地一段距離后引入室內(nèi)，其埋地長(zhǎng)度不應(yīng)小于15m。

d.對(duì)于架空金屬管道，在進(jìn)出建筑物處應(yīng)與接地裝置相連，以避免閃電電涌沿著管道進(jìn)入室內(nèi)。并且對(duì)于距離建筑物100m內(nèi)的金屬管道，應(yīng)每隔25m接地一次，并保證接地處的沖擊接地電阻小于30？贅。應(yīng)充分利用已有導(dǎo)體接地，以降低成本，如利用金屬支架或鋼筋混凝土支架的焊接、綁扎鋼筋網(wǎng)作為引下線，以及利用其鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為接地裝置等方法。

e.直埋敷設(shè)或地溝中敷設(shè)的金屬管道，在進(jìn)出建筑物處應(yīng)連接到等電位連接干線或防雷裝置的接地上。

2.2.2 第二類

（1）防直擊雷。

a.宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃桿、接閃網(wǎng)或接閃帶，也可它們混合組成的防直擊雷裝置。上述裝置應(yīng)沿易受雷擊的部位敷設(shè)（如屋角、屋脊、屋檐和檐角等）。如果采用接閃帶和接閃網(wǎng)的防直擊雷措施，應(yīng)使其在整個(gè)屋面組成網(wǎng)格，并保證每個(gè)網(wǎng)格的面積應(yīng)小于10m×10m或12m×8m。接閃器之間應(yīng)有可靠的連接。

b.突出屋面的放散管、風(fēng)管、煙囪等物體，應(yīng)按下列方式保護(hù)：對(duì)噴嘴具有爆炸性氣體、粉塵或蒸汽排放的排氣管、呼吸閥、排氣管等管道應(yīng)在保護(hù)范圍內(nèi)并符合相關(guān)規(guī)定。

如果放散管、煙囪等排氣設(shè)備所排放的氣體、蒸氣或粉塵沒有爆炸危險(xiǎn)，其防雷保護(hù)應(yīng)符合下列規(guī)定：金屬的放散管、煙囪可不裝接閃器，但必須與屋面防雷裝置可靠連接；超出屋面接閃器保護(hù)范圍的非金屬放散管、煙囪應(yīng)裝接閃器，其接閃器應(yīng)和屋面防雷裝置可靠連接。

c.鋼筋混凝土屋面的內(nèi)鋼筋可作為暗裝接閃器，但在山墻、屋脊、屋角等凸出部位應(yīng)做重點(diǎn)防護(hù)。

e.防雷裝置的專設(shè)引下線應(yīng)多于兩根，并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置，其間距沿周長(zhǎng)計(jì)算宜小于18m。鋼筋混凝土柱和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋符合相關(guān)規(guī)定時(shí)，可作為引下線和接地裝置，其內(nèi)的鋼筋的借點(diǎn)應(yīng)綁扎或焊接，各構(gòu)件之間鋼筋必須連接成電氣通路。

（2）防閃電感應(yīng)

a.所有系統(tǒng)的接地裝置應(yīng)共用或者相連接，例如直擊雷的接地、防雷電感應(yīng)的接地和電氣和電子的接地，并應(yīng)做好的等電位連接。

b.應(yīng)就近將建筑物內(nèi)的主要金屬物（設(shè)備、管道、構(gòu)架等）接到防雷裝置或共用接地裝置上。較長(zhǎng)的金屬物（如平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等）應(yīng)符合第一類建、構(gòu)筑物防閃電感應(yīng)（2）款規(guī)定，但長(zhǎng)金屬物連接處的跨接可省略不做。建筑物內(nèi)應(yīng)至少做2處防閃電感應(yīng)的接地干線與接地裝置的連接，并保證其連接可靠。

（3）防閃電電涌侵入

a.采用低壓電纜埋地引入方式，其要求與第一類相同。

b.低壓架空線可用長(zhǎng)度不小于50米的金屬鎧裝電纜埋地引入。入戶端電纜的金屬外皮應(yīng)與防雷接地裝置相連，在電纜與架空線連接處還應(yīng)裝設(shè)避雷器。

c.爆炸危險(xiǎn)性較小的構(gòu)、建筑物可采用低壓架空線直接引入，但接地電阻應(yīng)保證所要求阻值。

2.2.3 第三類

（1）防直擊雷

a.宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃桿、接閃網(wǎng)或接閃帶，也可它們混合組成的防直擊雷裝置。上述裝置應(yīng)沿易受雷擊的部位敷設(shè)（如屋角、屋脊、屋檐和檐角等）。當(dāng)屋面裝設(shè)多支接閃桿時(shí)，它們之間的距離不應(yīng)大于15倍的接閃桿的有效高度，且應(yīng)小于30m。單支接閃桿的保護(hù)角可按60°確定。當(dāng)采用接閃帶或者接閃網(wǎng)的防雷措施時(shí)，每個(gè)網(wǎng)格的面積應(yīng)小于20m×20m或24m×16m。

b.突出屋面的物體的保護(hù)方式和第二類相同

c.建筑物宜利用結(jié)構(gòu)內(nèi)現(xiàn)有的金屬作為防雷裝置，例如，鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋等作為引下線和接地裝置；當(dāng)條件允許時(shí)，接閃器可利用屋頂鋼筋網(wǎng)，也可利用女兒墻壓頂板內(nèi)或檐口內(nèi)的鋼筋作為接閃器。煙囪、燈塔以及水塔等金屬結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物，因?yàn)槠浔旧砭褪呛芎玫慕娱W器和引下線，可不做另外的防雷裝置；但如果是煙囪等是磚結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，就需裝設(shè)接閃桿或者接閃帶來作為接閃器，可利用內(nèi)部鋼筋做引下線?？傊?，利用建構(gòu)筑物本身的金屬構(gòu)件作為防雷裝置，即可節(jié)約材料，又可減少施工量，這種做法國(guó)內(nèi)外已有大量的研究及實(shí)驗(yàn)表明是可行的。

d.防雷裝置的專設(shè)引下線應(yīng)多于兩根，并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置，其間距沿周長(zhǎng)計(jì)算不宜大于25m。如果建筑物的跨度過大導(dǎo)致了在跨距中間設(shè)引下線時(shí)的長(zhǎng)度大于了規(guī)定的25m時(shí)，應(yīng)采取減小引下線的間距的相應(yīng)做法，如跨距兩端設(shè)引下線，使其平均間距小于25m。因?yàn)橥ㄟ^引下線可將雷電流引入大地，當(dāng)引下線的數(shù)量越多且間距越小時(shí)，局部的區(qū)域就能均勻分布雷電流，此時(shí)引下線的電壓降很小，反擊的危險(xiǎn)也隨之降低。

e.專設(shè)接地裝置宜圍繞建筑物敷設(shè)成環(huán)形接地體。接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于50Hz電氣裝置時(shí)所計(jì)算出的人身安全所確定的接地電阻值。且沖擊電阻不應(yīng)大于30？贅。防雷的接地體應(yīng)和電氣設(shè)備的接地，以及室內(nèi)等電位連接的干線相連接。

（2）防閃電電涌侵入

a.線路引入室內(nèi)的總配電箱、配電柜等配電裝置時(shí)，應(yīng)裝設(shè)I級(jí)實(shí)驗(yàn)的電涌保護(hù)器；當(dāng)變壓器設(shè)在建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻處，應(yīng)在低壓側(cè)的母線上裝設(shè)同樣要求的電涌保護(hù)器。

b.如果引入室內(nèi)的線路是架空線，應(yīng)在入戶處就將絕緣子鐵腳接到接地裝置上。

c.進(jìn)入建構(gòu)筑物的金屬管道要在入戶處做好接地，可與現(xiàn)有的配電設(shè)備的接地和防雷裝置的接地接在一處，并可靠連接。

2.2.4 其他防雷

在煤礦中，雷電引起瓦斯爆炸必須同時(shí)具備如下三個(gè)條件：（1）雷電必須具備引起爆炸所需的能量。（2）瓦斯?jié)舛刃柽_(dá)到爆炸的極限濃度。（3）必須有電火花產(chǎn)生來引爆瓦斯。所以，針對(duì)上述的三個(gè)條件，我們?cè)诿旱V工作中針對(duì)雷電的對(duì)策可以采用泄放、堵截和疏導(dǎo)雷電所造成的電火花的方法。采取的措施可簡(jiǎn)單概括為接地、絕緣、屏蔽和均壓。

為了防止地面閃電電涌侵入井下引起瓦斯、煤塵的爆炸以及火災(zāi)等災(zāi)害，必須遵守下列規(guī)定：（1）引入井下的供電線路如果是架空線（如電機(jī)車架線），應(yīng)在入井處裝設(shè)過電壓保護(hù)裝置。裝設(shè)的過電壓保護(hù)裝置其接地電阻不得大于5？贅；（2）由地面敷設(shè)到井下的管路、鎧裝電纜的金屬外皮等金屬導(dǎo)體，應(yīng)在入井時(shí)井口附近將金屬導(dǎo)體進(jìn)行至少兩處的接地，并保證接地可靠。接地裝置的接地電阻應(yīng)小于5？贅，接地極之間的距離不應(yīng)小于20m。（3）通信系統(tǒng)的線路應(yīng)在入井處裝設(shè)熔斷器和電壓保護(hù)裝置，電壓保護(hù)裝置的接地極電阻不得大于1？贅。（4）鋼絲繩提升機(jī)、鋼絲繩罐道等入井的導(dǎo)體應(yīng)在井口附近可靠接地，其工頻接地電阻不得大于4？贅。（5）井口一定范圍內(nèi)不應(yīng)設(shè)接閃器，以防止接閃器起接收雷電天線的作用，宜采用閥形避雷器或其他避雷措施。（6）嚴(yán)格執(zhí)行煤安規(guī)程規(guī)定的相關(guān)措施，防止瓦斯和煤塵超過標(biāo)準(zhǔn)，濃度到達(dá)爆炸極限。（7）應(yīng)在廢棄井巷或采空區(qū)封閉前將其區(qū)域中所有金屬導(dǎo)體拆除并放置在安全處， 以防沿金屬導(dǎo)體傳入閃電電涌的通道或短路等故障所產(chǎn)生火花引起爆炸。

3 結(jié)束語

雷電可以通過直雷擊、閃電感應(yīng)和閃電電涌侵入的方式引入井下。由于煤礦的特殊性，井下可能存在著引起爆炸濃度的瓦斯。當(dāng)雷電傳導(dǎo)產(chǎn)生火花且瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就容易引起瓦斯爆炸、煤塵爆炸和電火災(zāi)等事故，會(huì)給我們帶來無法估量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，這是我們所不能接受的。文章分析了雷電形成的原理，其入侵井下的形式，針對(duì)雷電的形成總結(jié)了一系列防雷的方法，可有效杜絕災(zāi)難的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：周裕濤（1982，6-），男，遼寧省丹東市人，2006年7月于遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)，2009年1月于遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)研究生畢業(yè)。中級(jí)職稱，工程師。目前在中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)神東工程設(shè)計(jì)有限公司電氣室從事工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)工作。