郊外礦區電子地磅系統雷電防護設計

以銅陵紫金礦電子地磅系統多次遭受雷擊事故為例，闡述了礦區電子地磅系統遭受雷擊的途徑和方式，分析了雷電侵害電子地磅系統的原因，總結、歸納了郊外礦區電子地磅系統相應的雷電防護措施。在具體工作中，應從直擊雷防護、電源系統與信號控制系統的閃電電涌入侵和感應過電壓保護、聯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的概率。
銅陵紫金礦位于銅陵縣天門鎮大院村后山頂，海拔比較高。該處地下金屬礦藏豐富，雷暴頻發。每年雷雨季節，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導的重視，多次求助市氣象局幫助解決地磅防雷問題。經現場勘查、分析，該礦電子地磅系統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生熱效應和機械力，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
當電子地磅鄰近有雷擊時，它會處于很強的瞬變電磁場中，會感應出較大的電動勢，從而損壞設備。另外，當電子地磅上空有帶電積雨云（雷云）經過時，電子地磅的金屬結構會感應出與雷云相反的電荷而使電動勢增大，進而導致設備損壞。電磁感應和靜電感應統稱為雷電感應，雖然它對設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，電子設備的損壞多數是由雷電感應造成的。
3. 閃電電涌侵入
當電子地磅的電源傳輸線路、信號線路直接被雷擊中或發生雷電感應時，雷電壓會以波的形式沿著線纜侵入設備，一定程度上造成損毀設備。
4. 閃電電涌引起地電位反擊
當電子地磅房的避雷帶接閃雷電流時，雷電流經過的路徑上會產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電位差。如果這種暫態電位差超過兩者的絕緣程度，將會擊穿放電。當直擊雷在電子地磅鄰近入地時，會引起設備地網電位升高，使設備外殼產生高電位。如果外殼與設備電源電壓之間的電位差大于設備耐壓能力，則會導致設備被損壞。
二、電子地磅系統防雷原則
分析了地磅遭受雷擊的可能性后可知，電子地磅系統地處礦山，應在做好直擊雷防護的基礎上，重點防范閃電電涌侵入閃電過電壓。具體的防雷措施是，在聯合接地、電源及信號避雷防護、等電位聯接、屏蔽幾個環節上，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、電子地磅系統雷電防護設計
該公司電子地磅位于山頂，海拔比較高，地下金屬礦藏豐富，是雷暴多發區，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防護
直擊雷防護的目的是把閃電引導到安全的地方泄放入地，防止雷電直接傳導到電子地磅上。其技術措施為：運用滾球法計算后，在電子地磅承載器 3～5 m處設置 13 m的高管式避雷針保護，并設立單獨接地，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，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。接地的具體施工應嚴格按照 GB 50057— 2010規范中的技術要求進行。其防雷設計與施工過程如圖 1所示。

2. 電子地磅接地系統設計
接地系統如圖 1所示，它主要包括磅房及設備接地、獨立避雷針接地、地磅承載器接地 3個接地體。地網應按照規范要求施工安裝，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備通過埋地的穿線鋼管形成共用接地地網，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，鋼管兩端可靠接地，具體如圖 1所示。
4.等電位連接
在磅房內敷設等電位匯流排，將室內電器設備就近與等電位匯流排可靠連接，并與地網相連接。將地磅承載器金屬面用16 mm的銅線與底座跨接，并與接地網可靠連接。
5.電子地磅系統電源和信號的雷電防護
據雷擊事故調查結果分析，電子地磅系統所遭受的雷擊多數是雷電波從電源線和信號線路侵入設備造成的，所以，地磅系統的電源和信號系統防雷也是整個防雷系統的關鍵。
由于礦山地磅一般處于室外，因此，其應力部件（傳感器）、放大器和顯示設備以及與地磅配套使用的電腦、打印機等設備也很容易遭受閃電感應而損害。在大多數情況下，地磅的損壞都是由電阻或電容耦合瞬態過電壓造成的。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力部件（傳感器）相連接的信號線、電源線都應安裝過電壓保護裝置。
(1)控制線入口安裝SPD
在地磅應力傳感器的供電回路加裝相應直流電壓等級、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生耦合、諧振。雷電沖擊波從電源線路進入電子設備的概率比從信號線中進入的概率要高得多。據統計，約有80%的電子設備雷擊損壞事故是由電源線路引入閃電電涌造成的，因此，應特別加強系統中設備電源的防雷措施。在選型時，要選擇殘壓小、響應時間快的SPD。電源 SPD的選擇、安裝情況如表1所示。