山区煤矿雷击事故的分析及防雷措施

山区煤矿雷击事故的分析及防雷措施
何清芳;张建才;钟启平;李剑刚
【摘要】面对雷电对煤矿安全生产造成的严重威胁,以2014年7月26日龙岩市杨梅坑煤矿雷击事故为例进行调查,从气象条件、地形环境、防雷原理等方面分析,找出矿区地磅、空压机、井口瓦斯监控设备遭受雷击事故的原因,并提出相应防雷整改措施,对矿区用电设施进行雷电防护,为煤矿防雷安全提供参考.
【期刊名称】《气象水文海洋仪器》
【年(卷),期】2015(032)004
【总页数】4页(P106-109)
【关键词】雷击事故;原因分析;煤矿;防雷措施
【作者】何清芳;张建才;钟启平;李剑刚
【作者单位】福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000【正文语种】中文
【中图分类】P49
雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一。

随着电子技术的飞速发展及煤矿产业现代化建设的加速，越来越多的精密电子仪器投入到煤矿生产系统中，而煤矿因其所处的特殊地理环境极易遭受雷击。

龙岩市杨梅坑煤矿位于新罗区赤坑村的一个半山腰，周边地势空旷，植被茂盛。

该矿区在2014年4～9月雷电活动频繁期间遭受两次雷击，其中2014-07-26雷击事故造成矿区内地磅、空压机、2
号矿井井口瓦斯监控等设备受到不同程度的损坏。

杨梅坑煤矿包含2个矿井，矿区内建筑主要包含值班室、低压配电房，均为一层
建筑。

其中值班室位于矿区入口处，地势相对较低，屋面设有明敷接闪带进行直击雷防护，门口装设有地磅秤台，屋内弱电设备包含地磅显示器、监控终端设备等；低压配电房地势高于值班室，屋面也设有明敷接闪带进行直击雷防护，低压配电柜内装设有电涌保护器，配电房后方为变压器，变压器采用独立避雷针进行防护；低压配电房侧面为1号矿井，空压机安装在1号矿井附近，两者之间相隔一条水渠；1号矿井后上方为2号矿井，其地势最高，见图1。

经实地勘测发现，值班室、低压配电房、矿井铁轨接地电阻均符合设计要求，低压配电房安装的电涌保护器状态指示器显示正常，符合设计要求。

但防雷电感应措施不完善，电源线从低压配电室通过架空方式直接引入值班室，入户处未安装电源浪涌保护器，值班室室外地磅金属秤台未进行接地，称重传感器的信号线从室外秤体穿管引入室内，管道未进行接地，信号线引入室内未安装信号浪涌保护器；空压机安装于简易挡雨棚内，挡雨棚金属框架未进行接地，电源线路由低压配电室架空引至空压机房，线路暴露于室外，未采用埋地引入，接入精密设备前端未安装电涌保护器进行防护；引入井内的线路穿钢管埋地引入，并进行了接地，但线路接入设备前端未安装浪涌保护器。

杨梅坑煤矿所在位置为北纬25.1730 41°N，东经117.00 4627°E，地处属亚热带季风气候，年平均雷暴天数一般有78.22 d/a，最早出现在2月25日，最晚12
月21日结束，属典型的南方多雷雨天气。

3～9月，尤其是6～8月，是雷雨和暴雨的高发季节。

由该地区24 h雷电次数变化图(如图2所示)可以看出，该地区全
天各时段均有雷电发生，13：00～24：00雷电活动最强，尤其午后至前半夜15：00～20：00的雷电频次最高。

2014-07-26，龙岩地区最高气温38 ℃，午后有强对流天气发生(如图3，图4所
示)，26日15：49左右龙岩地区南部有对流单体不断发展，向西北移动，龙岩多普勒天气雷达发现 15：54左右回波移动到龙岩地区中部时，回波核心强度已达到55～60 dBz，强回波不断向北移动，伴有雷电发生。

3.1 特殊地形
根据雷击事故调查发现，杨梅坑煤矿周围的特殊地理环境，也是引起雷击事故的主要原因之
一。

矿区属中低山丘陵地貌，主要山脉走向为东北-西南，山势较陡峻，矿区内沟谷纵横交错，最高点位于矿区西南部，最低点位于矿区东部赤坑岭，相对高差达421.3 m。

根据天气学原理可知，这种地形极易形成强对流天气。

夏季，西南暖湿气流逐渐加强，并携带大量水汽和热量，暖湿气流遇到山脉地形被迫沿山坡爬升，加之山地主下垫面以砂石地面为主，受热快，它们使大气不稳定能量和水汽不断积累，引起气流上升运动，发展成强对流天气。

由此可见，煤矿所处特殊地形，也是造成多雷雨天气的主要原因。

3.2 防雷设施不完善
(1) 线路的布置不合理
该矿区电源线路多采用架空线路直接引入建筑物内，在雷雨天气下，直接雷击和感应雷入侵的几率和强度都更大。

由于架空线线路对雷电的传导作用，雷电波可能沿着这些线路侵入建筑物内，在同时没有电源浪涌保护器防护的情况下，危及人生安全或损坏电子设备几率高。

雷电波侵入架空线路的方式主要有直击雷击及感应过电压两种。

直击雷击中金属导线，高压雷电波以波的形式沿着导线两边传播而侵入室内，对电力设备及用电设备造成严重危害。

雷击时间极短，一般为10～100 μs，但冲击电流很大，高达几十千安，最高可达200～300 kA；雷击架空线路产生的过电压如式所示，可见直接雷击产生的过电压对电力系统及用电设备会构成严重威胁。

其中，Us为雷击点过电压最大值，I为雷电流幅值。

雷电感应产生的高电压脉冲，即雷云对大地放电或雷云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，它们在金属导线中感应出几千伏甚至几十千伏的高电位，以波的形式沿导线传播；防雷规程建议[1，2]，当雷击点与线路的水平距离S大于65 m时，雷击线路附近大地时导线上产生的感应过电压幅值Ui 如下式所示。

如距离架空线路约：25～3 000 m发生对地闪击，一般在架空线路中感应高于1 000 V的感应
过电压，这将造成很大的危害。

其中，I为雷电流幅值；hc为导线悬挂的平均高度，单位为m。

(2) 未做好等电位均压措施
雷云放电过程中会发生静电感应和电磁感应，由于静电感应，当雷云接近地面时，会在金属体上感应大量电荷，当雷云向附近物体或其他雷云放电后，由于金属体未进行接地，感应电荷无法泄入大地，产生很高的对地电位；由于电磁感应，雷击后，巨大的雷电流在周围空间形成强大的瞬变电磁场，在附近导体上产生电磁脉冲耦合过电压。

值班室门口的电子地磅金属称体未做好等电位连接。

当发生静电感应或电磁感应时，金属称体上会产生很强的感应过电压，由于地磅传感器弹性体与称体之间是电气连通的，地磅传感器弹性体与电子电路之间耐压极限只有1～1.5 kV，当称体上感应的过电压通过传感器弹性体时，导致传感器内部电路损坏，进而波及与其相连的二次仪表及计算机系统。

空压机上方的金属挡雨棚未进行接地。

当雷击发生，挡雨棚的金属支架上感应生成过电压，在周围形成强大的瞬变电场，造成电子设备受到干扰，或元器件的击穿电路板烧毁等。

(3) 未做好屏蔽措施
地磅、瓦斯监控系统信号线路屏蔽层未进行接地。

当设备附近发生雷击时，会在信
号线路上感应较强的雷击电磁脉冲，由于存在有信号线屏蔽层在进入值班室处未作接地处理，该脉冲可以沿信号线几乎无衰减地传入值班室设备。

(4) 电源线路未进行分级防护
该矿区电源线路仅在低压配电柜安装一级电涌保护器，对于重要电子设备前端未安装二级电涌保护器进行分级防护。

由于雷击能量是非常巨大的，电源线路上往往会感应产生几千伏到几十千伏的过电压，以脉冲波的形式沿线路传播，一级电涌保护器主要是将大量的领用电流分流至大地，但强大的雷电流可能会使单级防护出现损坏及产生高残压，因此仅靠单级防护是无法完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。

4.1 电源雷电防护
室外线路应进行合理布线，在进行布线时采取完善的屏蔽措施，减少外部环境对线路的干扰。

低压架空线路直接引入用户时，在进入建筑物前电杆上绝缘子铁脚进行可靠接地，当低压线路遭受雷击时，即可对绝缘子铁脚进行放电，防止电气设备遭到损坏。

电源系统电涌保护采用三级防护，在值班室配电处及空压机电源供电处分别装设一组通流量≥40 kA的电源浪涌保护器，作为用电设备第二级防护，在值班室计算机、称重显示器前端安装防雷插座作为第三级防护，对敏感用电设备进行电源线路精细级雷电防护[3，4]。

4.2 电子地磅雷电防护措施
金属称台进行接地处理，在称台周围敷设防雷接地网，并与值班室等电位连接带及地网相连，接地电阻不应大于4 Ω，使设备产生高电位后能快速泄入大地而不致损坏电子地磅。

如果条件允许，可在电子地磅附近设安装接闪杆进行保护，使电子地磅金属称台及值班室处于接闪杆有效保护范围内，以减少直接雷击。

每个传感器需做好均压措施。

每个传感器位置要设置一个接地线，将其附近处于地
电位的导体连接起来，做好等电位连接，并与接地装置相连，防止导电部件之间产生电位差，损坏称重传感器。

称重传感器信号电缆屏蔽层做好接地处理，避免雷击电磁感应在引线上引入高电位，造成地磅仪表的损坏。

4.3 空压机的雷电防护措施
空压机上方挡雨棚的金属支架，及空压机金属外壳应就近与接地装置进行等电位连接，尽量将电源线路及控制信号线路穿金属管屏蔽敷设在地下电缆沟内引入，以做好线路屏蔽措施。

4.4 瓦斯监控系统雷电防护
将引入矿井井口的电源线、信号线分槽布设，护套信号线敷设在金属管内进行屏蔽，各条信号线缆之间做好横向均压连接，并在金属管道、电缆金属屏蔽层与矿井铁轨做好等电位连接并做好接地[5]。

煤矿矿区一般位于山区等较空旷区域，雷击概率高。

矿区内安装有精密电子仪器，易受到雷击、电磁场的影响，因此应正确采取防雷措施，综合考虑防直击雷、电源系统防护、信号系统防护、均压等电位防护、屏蔽防护5个方面，才能获得良好
的雷电防护效果。

【相关文献】
[1] 唐兴祚.高电压技术[M].重庆：重庆大学出版社，1991.
[2] 陆小花，潘文霞，范永威.中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十二届学术会论文摘要集：A集[C].南京：河海大学出版社，2006.
[3] GB 50057-2010 建筑物防雷规范[S].
[4] GB/T 21431-2008 建筑物防雷装置检测技术规范[S].
[5] 丁志平，王还忠，赵会林，等.浅谈小型煤矿瓦斯监控系统的防雷设计与安装[J].山西气象，2007，19(2)：38.。