金礦系統的防雷設計研究
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礦山防雷技術要求
礦山信息系統的雷電防護工作要堅持預防為主、安全第一的原則，主要是從影響到礦山電子信息系統的雷電波侵入通道和途徑著手，并采取相應的防護措施，將被保護的設備遭受雷擊損害的風險降到最低限度．外部防雷措施中的屏蔽，主要利用建筑物鋼筋混凝土結構金屬框架組成的屏蔽籠(即法拉第籠)、屋頂金屬表面、立面金屬表面和金屬門窗框架等，這些措施是內部防雷措施中使雷擊產生的電磁場向內遞減的第一道防線．建筑物外部防雷措施、內部防雷措施構成了礦山建筑物綜合防雷系統，其中內部防雷措施包括對礦山信息系統設備中各種傳輸線路端口分別安裝與之適配的浪涌保護器(SurgeProtectiveDevice簡稱SPD)，其中電源SPD不僅具有抑制雷電過電壓的功能，同時還具有防止操作過電壓的作用［5］．
雷電感應過電壓入侵礦山電子信息系統的途徑及其影響
在配電線路上產生的雷電感應過電壓(電流)，直接通過配電線路感應到弱電設備，并將設備損壞，一般是將設備的電源部分擊壞．根據配電線路上雷電感應過電壓的成因及危害性可分為以下幾種情況:(1)在野外架設的礦山供電線路遭受閃擊，因線路較長，發生的概率較大，線路上的雷電感應過電壓相當大，會造成很大的損失．(2)在野外架設的礦山供電線路，附近發生閃擊時，雷電電磁場使得線路上感應到雷電過電壓．有較大的發生幾率，但雷電過電壓電流較小．(3)樓內配電線路受大樓引下線電磁場感應而產生雷電過電壓，雷電過電壓的大小與發生幾率與建筑物結構及樓內布線有關．垂直方向的線路沒有屏蔽而靠近引下線時，發生雷電感應過電壓幾率較大．(4)樓內配電線路受大樓附近閃擊時，因電磁場感應而產生雷電過電壓，雷電過壓電的大小與建筑物的屏蔽、布線、閃擊位置、閃擊點電流等有關．當建筑物屏蔽較差、線路靠外墻、閃擊點靠樓較近、閃擊點電流大時，線路感應雷電過電壓較大．(5)樓內線路相互感應．由于較多的線路交叉敷設(如電源線、地線等相互距離在10cm內)時，其中的一條上有感應過電壓，則其它線路上多會感應到過電壓，但感應電流不大．(6)樓內大型設備操作過電壓，該過電壓不是閃擊引起但其危害不低于閃擊，主要是加速電子設備老化．該操作過電壓類似于閃擊過電壓，用同樣的方法能抑制．
1雷害防護措施應依據國標和國家相關規則實施《建筑物防雷設計規范》(GB50057—2010)對建筑物防直擊雷和感應雷己有明細規定．對于防感應雷僅靠避雷針己遠遠不夠，必須做好電源和信號線路的防雷［3］．(1)雷擊主要是通過進出戶的電源線路進入的，對關鍵的系統設備，要在其電源上加裝電源電涌保護器，這樣既可以保護電源系統，又可以保護重要設備和弱電系統．(2)信號線路防雷是在信號系統的線路進口處安裝與之相適應的線路電涌保護器，它包括微機、電話、監控等．通常的線路電涌保護器都采用一級以上過電壓和過電流保護，遇雷電壓時，立即與地導通，將雷電流分流引入大地，雷電過后又恢復正常而不影響系統的正常工作．(3)線路電涌保護器還可抗工業浪涌．大的浪涌也會損壞電源系統和計算機系統，這對電源和計算機平常的保護也是不能少的．雷電“無孔不入”，因此防感應雷是個復雜的系統工程，必須依據雷擊災害風險綜合評估情況和有關設備的技術指標，進行全面、系統的雷電防護設計，從而保護設備免遭雷擊．
2直擊雷防護設計
根據GB50057—2010及GB50343—2004的規定，需做以下防護措施:(1)接閃器必須有獨立的接閃裝置，進行直接閃電的攔截;(2)引下線利用獨立接閃裝置的金屬支撐桿體作為引下線，進行雷電流的下泄入地的通道;(3)接地裝置根據規范要求，必須制作沖擊接地電阻不大于10Ω的人工地網，作為下泄的雷電流入地的通道;(4)電源避雷器在電源進線端安裝1級、2級SPD防護，對用電設備進行雷電脈沖防護;(5)信號避雷器在各設備信號輸出端、網絡信號輸出端安裝信號SPD防護，對通信及信號傳輸設備進行雷電脈沖防護．以上5項措施，將形成完善的直擊雷以及雷電脈沖防護，使被保護對象受到保護［4］．接閃器作為引雷裝置，實質作用是通過避雷針、帶、線、網吸收雷電(即引雷)，把閃電的強大電流傳導到大地中并消耗掉，經現場分析礦山地面建筑物只需在建(構)筑物天面安裝避雷帶，其材料采用直徑為φ12mm的熱鍍鋅圓鋼，支撐間距為1．0m，拐角處為0．5m．接閃帶沿女兒墻、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設，并應在整個屋面組成不大于20m×20m的網格．若女兒墻相對較寬，接閃帶應敷設在女兒墻的外側，防止雷擊時水泥塊落地傷人傷物．另外，所有不在接閃器保護范圍內的金屬物應與接閃帶進行等電位連接或另樹立接閃桿進行保護，非金屬物應樹立接閃桿進行保護［3］．引下線為連接接閃器與接地裝置的金屬導體，作用為分流且把閃電電流傳導至接地極泄放到大地．引下線宜采用圓鋼或扁鋼，優先采用圓鋼．引下線應沿建筑物外墻明敷，引下線沖擊接地電阻不大于30Ω，該地面建筑物引下線采用Ф8mm圓鋼．如圖1所示在易受機械損壞和防人身接觸的地方，地面上1．7m至地面下0．3m的一段接地線應采用暗敷或鍍鋅角鋼、改性塑料管或橡膠管等保護措施［3］．接地裝置為接地體和接地線的總和，是雷電流泄放到大地中的重要步驟．該建筑物人工垂直接地體采用50mm×5mm角鋼，水平接地體采用截面100mm2、厚度為4mm的扁鋼，接地體埋深不應小于0．5m．防直接雷人工接地體距建筑出入口或人行道不應小于3m，當小于3m時候，加大接地極的埋深應(不小于1m)或在上面敷設50～80mm厚的瀝青層(寬度應超過接地體2m)．埋入土壤的接地裝置，其連接應采用焊接，并在焊接處做防腐處理［3］．
3接地系統和等電位連接
(1)經實地考察，礦區接地電阻≤4Ω，符合規范要求．(2)配電室(箱)、機房內部各金屬設備、構件之間應作等電位連接處理，防止電位差反擊．(3)將設備保護地、防雷地就近連接到機房地線上，各金屬設備外殼、金屬線槽、管道用金屬線纜連接．
4礦區防感應雷防護設計
礦區電子信息系統防雷防護等級計算。《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010第3．0．1條規定“建筑物應根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為3類”。根據國家標準《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343—2004第四章第4．2節第4．2．3條的規定，將N和Nc進行比較，N=0．2321＞Nc=0．0175，確定招遠市礦區電子信息系統應安裝雷電防護裝置．根據國家標準《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343—2004第四章第4．2節第4．2．3條的規定E=1－Nc/N=1－0．0175/0．2321=0．9246，0．90＜E≤0．98，確定招遠市礦區電子信息系統雷電防護等級為B級，其電源系統安裝三級電源SPD進行保護［4］．電源系統包括電源主配電、UPS電源設備等．對于礦區機房的電源系統的雷電防護，采取以下的防雷保護方案:在礦區低壓主配電系統做兩級防雷保護(三相電源);其他礦區設備進出端采取第三級防雷防護．電源系統采用TN－S系統．其特點是N線(中線)和PE線(地線)在變壓器的低壓側合為一條PEN線．因此，需在相線和PEN線之間安裝防雷器．采用TN－S接地系統的電源防雷器的安裝如圖3所示．在礦區內總配電屏中、二級配電屏中、在設備前端分別安裝一級、二級、三級防雷保護［7］．(1)一級感應雷防護在礦區的總配電柜進線端安裝GB153B100—100型三相電源避雷器，雷電通流量為100kA．利用其通流量大，予以先導分流，對通過線路傳輸的直擊雷和高強度感應雷實施瀉放保護，作為礦區建筑及用電設備的電源線路一級保護．(2)二級感應雷防護從高配進入低配后，再進入各個建筑及生產設備．對這一路低配做二級防雷處理．安裝ZGB153B(A)－60型三相電源避雷器，通流容量為40kA，作為各建筑及設備電源線路的二級保護，對侵入的雷電壓進行細泄流保護．(3)三級感應雷防護在設備進線電源前采用ZGB151A(B)－20型單相電源避雷器，通流容量為20kA，作為設備的三級保護，確保礦區的供電安全及內部設備的正常用電［8］．
結語
招遠市金礦通過實施以上綜合解決方案，很好地解決了礦區建筑及設備的防雷問題．運行至今，其建筑設施及用電設備等從未遭受雷擊損壞，說明上述的防雷措施對該礦區的弱電系統已經有了一定的防雷效果，為系統的安全、可靠運行提供了有力的保障．隨著計算機網絡、通信設備的大規模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越多嚴重．以往的防護體系已經不能滿足電子計算機通信網絡安全的要求，應從單純一維防護(避雷針引雷入地———無源防護)轉為三維防護(有源和無源防護)，包括:防直擊雷，防感應雷電波侵入，防雷電電磁感應，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統綜合考慮．采用任何一種單一的防雷器件都難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，對癥下藥將各類可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限．（本文作者：林明華、閆景東、欒紹海 單位：招遠市氣象局、聊城市氣象局）