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[摘 要]分析煤矿安全监控系统当前在雷电防护上的缺陷，探讨针对KJ2000N监控系统对雷电的各种入侵途径，提出了各种针对性防范措施和方法，并从技术上进行深入分析和解决。
[关键词]雷击防雷，安全监控系统，雷电入侵原理，防雷措施，
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0027-01
一、前言：
随着现代化管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿安全监控技术的日益成熟，煤矿安全监控系统在全国大中型矿井中得到广泛的应用，作为煤矿安全生产的保护神，安全监控系统本身的可靠性，稳定性、抗干扰性、安全性显得越发突出和重要，特别是抵抗雷击的能力，作为安全性的重要指标，在雷雨季节能否抵抗住雷电的袭击，则是系统能否安全运行的重要保证。
目前，在煤矿安全监控系统发展上，生产厂家注意力主要集中在性能指标上，系统自身防雷击能力上存在不同程度的缺陷。虽然系统整体的三级防雷用户已经设计安装，但系统固有隐患没能引起足够的重视，只重视整体而忽略了安全监控系统外围设备的防雷性能的提升，特别是地面运行的设备防雷压力极大。
防雷是一项系统工程，任何一点疏漏都可能引发灾难性后果，当携带有巨大能量的雷电击中系统防雷能力最为薄弱的外围设备及线路时，雷电的危险能量仍能传入线路中，轻则造成设备损坏，重则造成系统彻底瘫痪。
因此，本文仅以KJ2000N监控系统外围设备为重点，对监控系统深度防雷从技术上进行分析、解决。
二、KJ2000N监控系统雷电入侵薄弱环节及路径
1、KJ2000N监控系统配套的KJ2007F型分站外围各种传感器接口均没有设计安全栅保护电路或浪涌吸收电路，对于在地面运行的分站，各类传感器线路直接暴露在空气中，极易成为雷电侵入的路径。
2、KJ2007F型分站开关量输入通道没有采用光耦进行电气隔离，而是直接输入到分站内部主电路，极易产生电磁干扰，同时更是雷电入侵的途径。
3、地电位反击是雷电侵入的另一个重要路径。
三、KJ2000N监控系统雷电入侵原理分析
1、KJ2007F型分站外围各种传感器采用的电缆都是无屏蔽型专用信号电缆，传感器接口无安全栅保护电路或浪涌吸收电路，外围线路又直接暴露在空中，遭遇雷击时，瞬间雷电浪涌电压通过信号电缆中本安电源线串入分站供电电源，一旦雷电感应电压超过设备耐压值就会造成传感器被击毁、分站中断等事故。
2、KJ2007F型分站外围接口输入通道局部电路原理如下图所示。
经研究分析，从原理图中可以看出，在接入触点型开关量传感器时，外接线路越过光耦，经跳接线直接进入分站主电路中的缓冲器74HC14的输入端，缓冲器74HC14取到的高低电平信号经缓冲器缓冲整形后再送入16选一电路74HC150输入端，线选后再送入单片机89C669进行数据处理。此开关量信号输入方式没有任何隔离措施，一旦信号与电源正端端路，分站内部所有数字电路的地电位将会被抬高，造成分站死机、重启、中断等事故。而一旦遭遇雷击就可能会烧毁分站，或分站误断电、高值误报、等不可预知的事故，一旦死机自动重启过程中使分站出现地址乱码，造成中心站采集程序死锁，有可能扩大事故范围，产生系统通讯全部中断的巨大隐患。
3、地电位反击通常是指：建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷网等）遭受直接雷击，则在接地电阻的两端产生危险的过电压，此过电压由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物（各种管道、电缆屏蔽管等）引入设备，造成设备的损坏的现象。
地电位的反击通常存在两中形式：A、雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备；B、两个地网之间，由于没有离开足够的安全距离，其中一个地网接受了雷电流，产生高电位，则向没有接受雷击的地网产生反击，使得该接地系统上带有危险的电压。
四、KJ2000N监控系统外围设备针对性防雷措施
1、在分站输入口电源线及信号线上并入瞬变电压抑制二极管（TVS）用于吸收雷电浪涌干扰电压。瞬变电压抑制二极管在承受瞬态高能量电压（例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压）时，能迅速反向击穿，由高阻态变为低阻态，把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子设备或元器件不受损坏。TVS的钳位时间极短，仅1纳秒，所能承受的瞬态脉冲峰值电流高达几十至几百安培。
2、在开关量通道信号线中串入反向隔离二极管（1N4007），反向隔离二极管有两个作用，一是防止信号线电源线短路，二是隔离浪涌电压干扰。串入反向隔离二极管后即使发生短路，由于二极管单向导电性，外部为传感器供电的21V高电压和雷电干扰电压不会与内电路形成回路，阻塞了雷电干扰的侵入路径，杜绝了雷击造成的设备损坏。
3、地电位反击解决方案
地电位反击的感生电压可达几KV至几百KV，一旦发生，后果将是灾难性的，设备全部击毁，不可修复。可以采取以下措施。
A、对于使用对立接地的系统，在两地网之间用“等电位连接器”做等电位连接。等电位连接器的作用是保证正常工作状态下两接地网不连通，没有相互干扰，当一个接地系统遭受雷击时，经等电位连接器使两地网在瞬间形成等电位，消除此暂态高电位在设备内由于线间电压差而造成的损害。
B、对于在建筑内布线距离较长的接地线，可使用“机房等电位连接器”将交流工作接地、直流工作接地、防静电及保护接地在机房内进行等电位连接，以确保精密系统设备在正常工作状态下不受干扰，在存在暂态过电压时，不发生设备内击穿。
C、地面运行的分站单独打接地桩且与其他防雷接地极分开20米以上距离，接地电阻越小越好，最好达到0.1欧姆以下，并用截面不小于25平方毫米裸铜线做连接线，电源及外部信号线路上加装避雷器（如条件不允许可以在信号线上加装TVS代替避雷器进行防护）。
五、应用效果
2009年，我礦原抽采泵房安装运行的两台KJ2007F型分站在雷雨季节经常发生死机或中断故障，现场检查时没有发现问题，更换设备、强化接地、更换屏蔽通讯电缆、加装电源避雷器也无法解决。后经多次现场勘察及研究分析分站原理后发现，抽采泵房外有三处避雷针作为对车间设备的一级避雷保护，且此地处于雷区，判断是在避雷针引雷时的雷电入地电流产生的感应电磁干扰通过分站外部线路进入分站内电路从而使分站出现死机、中断等故障。于是马上采取在分站输入口电源线及信号线上并入瞬变电压抑制二极管，在开关量通道信号线中串入反向隔离二极管（1N4007）等措施进行防护。采取以上措施后抽采泵房分站没有再发生死机、中断等故障，效果显著，达到了防雷目地。因此只有对安全监控系统雷电侵入路径做全面研究、分析，并采取针对措施消除雷击隐患，才能保证监控系统的长久稳定运行，为矿井高效开采打下坚实的安全保障。
[关键词]雷击防雷，安全监控系统，雷电入侵原理，防雷措施，
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0027-01
一、前言：
随着现代化管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿安全监控技术的日益成熟，煤矿安全监控系统在全国大中型矿井中得到广泛的应用，作为煤矿安全生产的保护神，安全监控系统本身的可靠性，稳定性、抗干扰性、安全性显得越发突出和重要，特别是抵抗雷击的能力，作为安全性的重要指标，在雷雨季节能否抵抗住雷电的袭击，则是系统能否安全运行的重要保证。
目前，在煤矿安全监控系统发展上，生产厂家注意力主要集中在性能指标上，系统自身防雷击能力上存在不同程度的缺陷。虽然系统整体的三级防雷用户已经设计安装，但系统固有隐患没能引起足够的重视，只重视整体而忽略了安全监控系统外围设备的防雷性能的提升，特别是地面运行的设备防雷压力极大。
防雷是一项系统工程，任何一点疏漏都可能引发灾难性后果，当携带有巨大能量的雷电击中系统防雷能力最为薄弱的外围设备及线路时，雷电的危险能量仍能传入线路中，轻则造成设备损坏，重则造成系统彻底瘫痪。
因此，本文仅以KJ2000N监控系统外围设备为重点，对监控系统深度防雷从技术上进行分析、解决。
二、KJ2000N监控系统雷电入侵薄弱环节及路径
1、KJ2000N监控系统配套的KJ2007F型分站外围各种传感器接口均没有设计安全栅保护电路或浪涌吸收电路，对于在地面运行的分站，各类传感器线路直接暴露在空气中，极易成为雷电侵入的路径。
2、KJ2007F型分站开关量输入通道没有采用光耦进行电气隔离，而是直接输入到分站内部主电路，极易产生电磁干扰，同时更是雷电入侵的途径。
3、地电位反击是雷电侵入的另一个重要路径。
三、KJ2000N监控系统雷电入侵原理分析
1、KJ2007F型分站外围各种传感器采用的电缆都是无屏蔽型专用信号电缆，传感器接口无安全栅保护电路或浪涌吸收电路，外围线路又直接暴露在空中，遭遇雷击时，瞬间雷电浪涌电压通过信号电缆中本安电源线串入分站供电电源，一旦雷电感应电压超过设备耐压值就会造成传感器被击毁、分站中断等事故。
2、KJ2007F型分站外围接口输入通道局部电路原理如下图所示。
经研究分析，从原理图中可以看出，在接入触点型开关量传感器时，外接线路越过光耦，经跳接线直接进入分站主电路中的缓冲器74HC14的输入端，缓冲器74HC14取到的高低电平信号经缓冲器缓冲整形后再送入16选一电路74HC150输入端，线选后再送入单片机89C669进行数据处理。此开关量信号输入方式没有任何隔离措施，一旦信号与电源正端端路，分站内部所有数字电路的地电位将会被抬高，造成分站死机、重启、中断等事故。而一旦遭遇雷击就可能会烧毁分站，或分站误断电、高值误报、等不可预知的事故，一旦死机自动重启过程中使分站出现地址乱码，造成中心站采集程序死锁，有可能扩大事故范围，产生系统通讯全部中断的巨大隐患。
3、地电位反击通常是指：建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷网等）遭受直接雷击，则在接地电阻的两端产生危险的过电压，此过电压由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物（各种管道、电缆屏蔽管等）引入设备，造成设备的损坏的现象。
地电位的反击通常存在两中形式：A、雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备；B、两个地网之间，由于没有离开足够的安全距离，其中一个地网接受了雷电流，产生高电位，则向没有接受雷击的地网产生反击，使得该接地系统上带有危险的电压。
四、KJ2000N监控系统外围设备针对性防雷措施
1、在分站输入口电源线及信号线上并入瞬变电压抑制二极管（TVS）用于吸收雷电浪涌干扰电压。瞬变电压抑制二极管在承受瞬态高能量电压（例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压）时，能迅速反向击穿，由高阻态变为低阻态，把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子设备或元器件不受损坏。TVS的钳位时间极短，仅1纳秒，所能承受的瞬态脉冲峰值电流高达几十至几百安培。
2、在开关量通道信号线中串入反向隔离二极管（1N4007），反向隔离二极管有两个作用，一是防止信号线电源线短路，二是隔离浪涌电压干扰。串入反向隔离二极管后即使发生短路，由于二极管单向导电性，外部为传感器供电的21V高电压和雷电干扰电压不会与内电路形成回路，阻塞了雷电干扰的侵入路径，杜绝了雷击造成的设备损坏。
3、地电位反击解决方案
地电位反击的感生电压可达几KV至几百KV，一旦发生，后果将是灾难性的，设备全部击毁，不可修复。可以采取以下措施。
A、对于使用对立接地的系统，在两地网之间用“等电位连接器”做等电位连接。等电位连接器的作用是保证正常工作状态下两接地网不连通，没有相互干扰，当一个接地系统遭受雷击时，经等电位连接器使两地网在瞬间形成等电位，消除此暂态高电位在设备内由于线间电压差而造成的损害。
B、对于在建筑内布线距离较长的接地线，可使用“机房等电位连接器”将交流工作接地、直流工作接地、防静电及保护接地在机房内进行等电位连接，以确保精密系统设备在正常工作状态下不受干扰，在存在暂态过电压时，不发生设备内击穿。
C、地面运行的分站单独打接地桩且与其他防雷接地极分开20米以上距离，接地电阻越小越好，最好达到0.1欧姆以下，并用截面不小于25平方毫米裸铜线做连接线，电源及外部信号线路上加装避雷器（如条件不允许可以在信号线上加装TVS代替避雷器进行防护）。
五、应用效果
2009年，我礦原抽采泵房安装运行的两台KJ2007F型分站在雷雨季节经常发生死机或中断故障，现场检查时没有发现问题，更换设备、强化接地、更换屏蔽通讯电缆、加装电源避雷器也无法解决。后经多次现场勘察及研究分析分站原理后发现，抽采泵房外有三处避雷针作为对车间设备的一级避雷保护，且此地处于雷区，判断是在避雷针引雷时的雷电入地电流产生的感应电磁干扰通过分站外部线路进入分站内电路从而使分站出现死机、中断等故障。于是马上采取在分站输入口电源线及信号线上并入瞬变电压抑制二极管，在开关量通道信号线中串入反向隔离二极管（1N4007）等措施进行防护。采取以上措施后抽采泵房分站没有再发生死机、中断等故障，效果显著，达到了防雷目地。因此只有对安全监控系统雷电侵入路径做全面研究、分析，并采取针对措施消除雷击隐患，才能保证监控系统的长久稳定运行，为矿井高效开采打下坚实的安全保障。