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郊外礦區(qū)電子地磅系統(tǒng)雷電防護設(shè)計

以銅陵紫金礦電子地磅系統(tǒng)多次遭受雷擊事故為例，闡述了礦區(qū)電子地磅系統(tǒng)遭受雷擊的途徑和方式，分析了雷電侵害電子地磅系統(tǒng)的原因，總結(jié)、歸納了郊外礦區(qū)電子地磅系統(tǒng)相應(yīng)的雷電防護措施。在具體工作中，應(yīng)從直擊雷防護、電源系統(tǒng)與信號控制系統(tǒng)的閃電電涌入侵和感應(yīng)過電壓保護、聯(lián)合接地以及屏蔽等幾方面入手，制訂完善的綜合雷電防護措施，最大限度地降低雷電侵害電子地磅系統(tǒng)的概率。
銅陵紫金礦位于銅陵縣天門鎮(zhèn)大院村后山頂，海拔比較高。該處地下金屬礦藏豐富，雷暴頻發(fā)。每年雷雨季節(jié)，該礦山地磅都會因遭受雷擊而損壞。該礦山日采礦量比較大，所以，采礦計量系統(tǒng)的電子地磅在工作中就顯得尤為重要，而地磅防雷也引起了公司領(lǐng)導(dǎo)的重視，多次求助市氣象局幫助解決地磅防雷問題。經(jīng)現(xiàn)場勘查、分析，該礦電子地磅系統(tǒng)遭受雷擊而損壞是地磅防雷措施不完善所致。
一、遭受雷擊的途徑和方式
1.直擊雷
多年來，閃電擊中礦電子地磅會產(chǎn)生熱效應(yīng)和機械力，因其巨大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波損毀設(shè)備的情況比較少見。但是，該礦電子地磅處于山頂，海拔比較高，直擊雷防護是不能忽視的。
2.閃電感應(yīng)
當(dāng)電子地磅鄰近有雷擊時，它會處于很強的瞬變電磁場中，會感應(yīng)出較大的電動勢，從而損壞設(shè)備。另外，當(dāng)電子地磅上空有帶電積雨云（雷云）經(jīng)過時，電子地磅的金屬結(jié)構(gòu)會感應(yīng)出與雷云相反的電荷而使電動勢增大，進而導(dǎo)致設(shè)備損壞。電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)統(tǒng)稱為雷電感應(yīng)，雖然它對設(shè)備的損壞沒有直擊雷嚴重，但也被 IEC稱為“電子信息時代的一大公害”。實踐證明，電子設(shè)備的損壞多數(shù)是由雷電感應(yīng)造成的。
3. 閃電電涌侵入
當(dāng)電子地磅的電源傳輸線路、信號線路直接被雷擊中或發(fā)生雷電感應(yīng)時，雷電壓會以波的形式沿著線纜侵入設(shè)備，一定程度上造成損毀設(shè)備。
4. 閃電電涌引起地電位反擊
當(dāng)電子地磅房的避雷帶接閃雷電流時，雷電流經(jīng)過的路徑上會產(chǎn)生很高的瞬時高電壓，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成暫態(tài)電位差。如果這種暫態(tài)電位差超過兩者的絕緣程度，將會擊穿放電。當(dāng)直擊雷在電子地磅鄰近入地時，會引起設(shè)備地網(wǎng)電位升高，使設(shè)備外殼產(chǎn)生高電位。如果外殼與設(shè)備電源電壓之間的電位差大于設(shè)備耐壓能力，則會導(dǎo)致設(shè)備被損壞。
二、電子地磅系統(tǒng)防雷原則
分析了地磅遭受雷擊的可能性后可知，電子地磅系統(tǒng)地處礦山，應(yīng)在做好直擊雷防護的基礎(chǔ)上，重點防范閃電電涌侵入閃電過電壓。具體的防雷措施是，在聯(lián)合接地、電源及信號避雷防護、等電位聯(lián)接、屏蔽幾個環(huán)節(jié)上，認真實施各項保護措施，以提高雷電過電壓侵入和雷電電磁脈沖的綜合防御能力。
三、電子地磅系統(tǒng)雷電防護設(shè)計
該公司電子地磅位于山頂，海拔比較高，地下金屬礦藏豐富，是雷暴多發(fā)區(qū)，再加上它地處空曠地帶，周圍沒有高大建筑物，相對比較孤立，所以，受到雷擊的概率比較大。鑒于此，必須實行全方位的雷電防護。
1.電子地磅承載器的直擊雷與雷電感應(yīng)防護
直擊雷防護的目的是把閃電引導(dǎo)到安全的地方泄放入地，防止雷電直接傳導(dǎo)到電子地磅上。其技術(shù)措施為：運用滾球法計算后，在電子地磅承載器 3～5 m處設(shè)置 13 m的高管式避雷針保護，并設(shè)立單獨接地，使電子地磅承載器金屬臺面完全置于避雷針的有效保護范圍之內(nèi)，然后泄放接閃雷電時的第一次雷電流。將電子地磅承載器四角和長邊中點獨立焊接接地，考慮到礦山的土壤環(huán)境，為了達到較好的接地效果，接地裝置可采用接地模塊和降阻劑。接地的具體施工應(yīng)嚴格按照 GB 50057— 2010規(guī)范中的技術(shù)要求進行。其防雷設(shè)計與施工過程如圖 1所示。

2. 電子地磅接地系統(tǒng)設(shè)計
接地系統(tǒng)如圖 1所示，它主要包括磅房及設(shè)備接地、獨立避雷針接地、地磅承載器接地 3個接地體。地網(wǎng)應(yīng)按照規(guī)范要求施工安裝，并滿足管式避雷針和磅房接地電阻 R≤ 10Ω，地磅承載器與磅房設(shè)備通過埋地的穿線鋼管形成共用接地地網(wǎng)，接地電阻 R≤ 4Ω的要求。
3.電子地磅的線路屏蔽措施
市電電力線路在進入室內(nèi)前會套金屬管并埋地。地埋金屬管長度不得小于 15 m，并且金屬管兩端可靠接地。同時，測控線路全部穿鋼管埋地敷設(shè)，鋼管兩端可靠接地，具體如圖 1所示。
4.等電位連接
在磅房內(nèi)敷設(shè)等電位匯流排，將室內(nèi)電器設(shè)備就近與等電位匯流排可靠連接，并與地網(wǎng)相連接。將地磅承載器金屬面用16 mm的銅線與底座跨接，并與接地網(wǎng)可靠連接。
5.電子地磅系統(tǒng)電源和信號的雷電防護
據(jù)雷擊事故調(diào)查結(jié)果分析，電子地磅系統(tǒng)所遭受的雷擊多數(shù)是雷電波從電源線和信號線路侵入設(shè)備造成的，所以，地磅系統(tǒng)的電源和信號系統(tǒng)防雷也是整個防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵。
由于礦山地磅一般處于室外，因此，其應(yīng)力部件（傳感器）、放大器和顯示設(shè)備以及與地磅配套使用的電腦、打印機等設(shè)備也很容易遭受閃電感應(yīng)而損害。在大多數(shù)情況下，地磅的損壞都是由電阻或電容耦合瞬態(tài)過電壓造成的。因而，所有引入測控顯示間的供電、信號線路和室外與地磅的應(yīng)力部件（傳感器）相連接的信號線、電源線都應(yīng)安裝過電壓保護裝置。
(1)控制線入口安裝SPD
在地磅應(yīng)力傳感器的供電回路加裝相應(yīng)直流電壓等級、通流量 8/20波形10 kA的 SPD，在其采樣信號回路加裝相應(yīng)直流信號 SPD，并對采樣信號進行標校。
(2)電源線處安裝電源SPD
由于雷電沖擊波的主要能量集中在從工頻附近幾十赫茲到幾百赫茲的低端，所以，雷電沖擊波能量很容易與工頻回路發(fā)生耦合、諧振。雷電沖擊波從電源線路進入電子設(shè)備的概率比從信號線中進入的概率要高得多。據(jù)統(tǒng)計，約有80%的電子設(shè)備雷擊損壞事故是由電源線路引入閃電電涌造成的，因此，應(yīng)特別加強系統(tǒng)中設(shè)備電源的防雷措施。在選型時，要選擇殘壓小、響應(yīng)時間快的SPD。電源 SPD的選擇、安裝情況如表1所示。