煤矿地面瓦斯抽放泵站防雷接地系统应用

煤矿地面瓦斯抽放泵站防雷接地系统应用

摘要：本文从雷电的主要形式及其对煤矿瓦斯抽放泵站的危害分析入手，以实例中防雷接地系统在煤矿地面瓦斯抽放泵站的保护应用为内容进行论述，期望能够对确保煤矿安全生产有所帮助。

关键词：瓦斯抽放泵站；防雷系统设计；接地保护

一、雷电的主要形式及其对煤矿瓦斯抽放泵站的危害分析

较为常见的雷电形式有以下三种：直击雷、感应雷、雷电波侵入。由于大部分建筑物都安装了避雷装置，所以直击雷的危害较之以往大幅度减少。然而，建筑物上安装的避雷装置只能够有效预防直击雷，对感应雷和雷电波的作用不大，从而使得这几种形式的雷击造成的危害逐步增大。下面重点对这三种雷电形式对煤矿地面瓦斯抽放泵站的危害进行分析。

（一）直击雷对煤矿地面瓦斯抽放泵站的危害

当雷电直接击在抽放泵站的某个部件上时，被击中的物体会在瞬间产生出较大的热量，这样很容易引起瓦斯气体快速膨胀、燃烧，进而引起爆炸。若是雷电流通过截面较小的金属件时，则可能引起该金属件熔化，从而对瓦斯抽采系统造成影响。

（二）感应雷对煤矿地面瓦斯抽放泵站的危害

当感应雷沿着电源线路侵入后，会直接损坏电源设备，进而击毁瓦斯抽放泵，导致瓦斯抽放停止，这样容易引起爆炸。同时感应雷还会对瓦斯监测监控系统造成

一定影响，有可能导致通讯网络系统损坏。

（三）雷电波对煤矿地面瓦斯抽放泵站的危害

当雷电接近架空管线时，高压冲击波会沿着线路侵入到泵站当中，这样不但会造成设备损坏，而且还会可能引起人员伤亡。若是泵站附近存在可燃性物体，还容易引发火灾。此外，雷电波还可能引起抽放泵站爆炸。

综上所述，雷电对煤矿地面瓦斯抽放泵站的危害非常严重。因此，必须采取有效的防雷措施。

二、煤矿地面瓦斯抽放泵站的防雷地接系统应用

某矿的瓦斯抽放站的泵房与配电室联建，总长：38.8m、宽：25m、高：（泵房）12m、配电室高5.1m；瓦斯放空管的高度为16m，依据相关要求管帽上方垂直高度为5m，水平距离为5m，则瓦斯放空管需保护的高度为21m。详见图（a）避雷针塔平面布置图。

（一）防雷设计方案预设

依据《建筑物防雷设计规范》煤矿瓦斯泵房建议按照“第二类”防雷建筑物，瓦斯排空管则按照“第一类”防雷建筑物设置防雷。

1.瓦斯排空管防直击雷的有效措施：为了有效预防直击雷对泵站的危害，可采取以下措施加以预防：①可在抽放泵站设4个30m高的避雷针，以此来防直击雷。

②应当在每根避雷针上均安装独立的接地装置，并且每一引下线的冲击接地电阻均不宜大于10Ω。在土壤电阻率高的地区，可适当增大冲击接地电阻，但在3000Ωm 以下的地区，冲击接地电阻不应大于30Ω。

避雷针的选择：参考规范：《建筑物防雷设计规范》GB50057―2010

已知条件，算法：滚球法；避雷针编号：#1、#2、#3、#4；避雷针计算高度：(#1、#2、#3、#4)30m ；被保护物的防雷等级要求：60m；被保护物的高度：21m；

计算过程和公式

保护高度21m的计算，#1,#2,#3,#4：

r0=√[h×(2h r-h)]

=√[30×(2×60-30)]

=51.96(m)

r x=√[h×(2h r-h)]-√[h x(2h r-h x)]

=√[30×(2×60-30)]-√[21(2×60-21)]

=6.37(m)

r0-避雷针在地面上的保护半径（m）；r x-避雷针在21m高度的保护半径（m）。

#1-#2，#3-#4：两针距离 D=48.80

D1= D/2

= 48.80/2

= 24.40(m)

B x=√[h(2×h r-h)-D1×D1]-√[h x(2×h r-h x)]

=√[30 (2×60 -30)-24.40×24.40]-√[21(2×60-21)]

=0.28(m)

中心点最低高度h0

h0=h r-√[(h r-h)×(h r-h)+D1×D1]

=60-√[(60-30)×(60- 30)+24.40×24.40]

=21.33(m)

#1-#3，#2-#4：两针距离 D=36.40

D1=D/2

=36.40/2

=18.20(m)

B x=√[h(2×h r-h)-D1×D1]-√[h x(2×h r- h x)]

=√[30(2×60-30)-18.20×18.20]-√[21(2×60 - 21)]

=3.07(m)

中心点最低高度h0

h0=h r-√[(h r-h)×(h r-h) +D1×D1]

=60-√[(60- 30)×(60- 30) +18.20×18.20]

=24.91(m)

#1-#4，#2-#3：两针距离D=60.88

D1=D/2

=60.88/2

=30.44(m)

中心点最低高度h0

h0=h r-√[(h r-h)×(h r-h)+D1×D1]

=60-√[(60-30)×(60-30) +30.44×30.44]

=17.26(m)

计算结果：#1,#2,#3,#4 ，避雷针在21m处的单针保护范围为6.37m。避雷针塔选用GFL1-11(针塔总高度30m)，实践证明，这样设计的防雷装置效果明显。

2.瓦斯泵房防（新建）防雷措施。为了有效预防直击雷对泵站的危害，提高其

防雷的可靠性，建议在屋面敷设避雷网格，网格采用10m×10m或12m×8m的网格密度，屋脊、檐角处设置避雷短针；避雷网每隔不大于18m设置引下线，将避雷网和金属屋面与避雷带无缝隙焊接，每根引下线处设置一组接地装置，每组接地装置的接地电阻不得大于10Ω，如土质不好可采用降阻剂和降阻模块。详见图（b）屋面防雷平面图。

3.防感应雷的有效措施。①位于瓦斯泵房内的所有设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架以及钢窗等较大的金属物和突出屋面的放空管，均应当接到防雷电感应的接地装置上，同时，可在金属屋面的周边每间隔18～24m左右采用引下线接地一次。此外，现浇或预制的钢混屋面，其钢筋网的交叉点应采取绑扎或焊接的方式，并且应当每间隔18～24m左右采用引下线接地一次。这样能够有效预防感应雷。

②对于平行敷设的管道、构架以及电缆金属外皮等较长的金属物，当其净距小于100mm时，应当采用金属线进行跨接，跨接点的间距应控制在30m以内；当交叉净距小于100mm时，也应当在其交叉位置处进行跨接。当较长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应采用金属线进行跨接。对有不少

于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀的环境下，可以不进行跨接，否则也需要跨接。

③防感应雷的接地装置应当与电气保护及电子系统的接地装置共用，其工频接地电阻不得大于10Ω。防感应雷的接地装置与避雷针的接地装置之间的间隔距离应当与相关规定要求相符。

4.防雷电波侵入的措施。瓦斯管路进出瓦斯泵的位置处应当与防雷电感应的接地装置进行可靠连接；与建筑距离在100m以内的管道，应当每间隔25m左右接地一次，其冲击接地电阻不得大于30Ω，同时可利用金属支架或钢混支架的焊接、绑扎钢筋网作为引下线，可将其钢混基础作为接地装置；埋地或地沟当中的金属管道，在进出建筑物的位置处等电位应连接到等电位连接带或防雷电感应的接地装置上。

5.附加设计构想措施。基于以上防雷设计方案均是参考国际规范设计标准而实施的，在结合煤矿具体工程特点，可能会存在某些方面的不足和缺陷。所以，为了提高实际操作中整个瓦斯泵站区域的防雷安全系数，笔者建议尽可能使雷电在该区域以外的空间提前泄放。根据实际经验，可考虑在距离以上危险区50m左右周围设置较高的避雷塔提前截收雷电。再结合煤矿工程的实际情况，具体配置相应的避雷塔及放电避雷针装备。笔者认为，提前放电避雷针是当前较为先进的一种防雷技术，尤其是区域防雷方面，它有着明显优势，它具备当在进入该区域的雷雨云达到闪电能量时提前发出上行雷电，从而能够有效拦截雷雨云上发出的雷电并安全导入地下，形成基本界定的保护范围。

（二）防雷接地保护系统

分析防雷接地保护系统之前，首先要明确防雷接地分为两个概念，一是防雷，防止因雷击而造成损害；二是静电接地，防止静电产生危害。为了使接闪器截获直接雷击的雷电流或通过防雷器的雷电流安全泄放入地，以保护建筑物，建筑物内人员和设备安全的接地成为防雷接地。诸如高压线上的避雷线是用于防止高压线被雷击的架空地线，它的两端都是接地，也是一种防雷接地。

电力系统中性点运行方式有不接地、经电阻接地、经消弧线圈接地或直接接地

等多种。我国电力系统目前所采用的中性点接地方式主要有三种：即不接地、经消弧线圈接地和直接接地。小电阻接地系统在国外应用较为广泛，我国开始部分应用。考虑到本文涉及到的煤矿瓦斯抽采站采用的是中性点不接地系统，在此，笔者将着重了解和研究“中性点不接地（绝缘）的三相系统”。

在中性点不接地的三相系统中，当一相发生接地时：一是未接地两相的对地电压升高到3倍，即等于线电压，所以，这种系统中，相对地的绝缘水平应根据线电压来设计。二是各相间的电压大小和相位仍然不变，三相系统的平衡没有遭到破坏，因此可继续运行一段时间，这是这种系统的最大优点。但不许长期接地运行，诸如发电机直接供电的电力系统，因为未接地相对地电压升高到线电压，一相接地运行时间过长可能会造成两相短路。所以在这种系统中，一般应装设绝缘监视或接地保护装置。当发生单相接地时能发出信号，使值班人员迅速采取措施，尽快消除故障。三是接地点通过的电流为电容性的，其大小为原来相对地电容电流的3倍，这种电容电流不容易熄灭，可能会在接地点引起弧光解析，周期性的熄灭和重新发生电弧。弧光接地的持续间歇性电弧较危险，可能会引起线路的谐振现场而产生过电压，损坏电气设备或发展成相间短路。故在这种系统中，若接地电流大于5A时，接地保护装备都应装设动作于跳闸的接地保护装置。

在本工程中，瓦斯抽采站采用的中性点不接地系统，即由风井场地6/0.4kV开闭所至瓦斯抽采站场地的电缆线路上均装设零序电流互感器和选择性的单相接地保护装置；由瓦斯抽采站配电室至瓦斯抽采泵房的高低压馈电线路上均装设有选择性的检漏保护装置。由上述装置对瓦斯抽采站电缆的绝缘状况进行连续检测，当电缆线路出现故障时，能够及时将电源切断，这样可以确保矿井安全生产。

三、结论：

总而言之，煤矿地面瓦斯抽放泵站的防雷接地是一项较为复杂且系统的工作，为了有效防止雷电对瓦斯抽放泵站造成的危害，必须确保防雷措施合理、有效，接地系统安全可靠。只有这样，才能保证瓦斯抽放泵站安全、稳定运行，这对于确保煤矿生产的安全性具有非常重要的现实意义。

参考文献：

[1]汪伟.关于煤矿井下临时瓦斯抽放泵站内安全监控装置安设的探讨[J].水力采煤与管道运输.2012(10).

[2]董丁稳.基于安全监控系统实测数据的瓦斯浓度预测预警研究[D].西安科技大学.2012(4).

[3]李新华.白芨沟煤矿瓦斯抽采新技术在瓦斯防治中的研究与应用[J].神华科技.2010(8).