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摘 要 本文对煤炭安全生产系统中应用的R485工业总线的雷电防护措施和干扰源排除进行了分析。
关键词 煤炭安全生产监控系统；雷电防护；干扰
中图分类号 TD 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0196-01
近年来，随着国家对高危险行业的监管力度的加强，许多高科技信息化设备在高危行业中得到了应用，为监管部门有效快捷的监管起到了重要作用。煤矿瓦斯监控系统，就是应用现场总线和网络技术，把煤矿井下的瓦斯、通风加以监视和自动控制，并通过网络可以在异地直接监控井下瓦斯状况。这套系统被国家安全生产部门定为强制安装系统。各级安全监督部门可以直接、方便、实时的查看和监督各煤矿井下的瓦斯状况，对减少煤炭行业事故有重要意义。
瓦斯监控系统采用了现场总线技术对煤矿瓦斯和通风情况进行现场采样监视和模拟量控制，整套系统分为主机、分机和传感器三部分。主机一般都在井外的机房，分站和感应器都在井下，地面主控接口与井下分站传输采用RS485协议；传输介质一般采用非屏蔽双绞线，传输电压为5V。
1 雷电的危害
由于系统采用的是主干线是采用RS485基带，其工作电压为5V，其最大承受电压为小于15V，所有很容易被雷电损坏接口通信芯片。从我们对我市140家安装了这套系统的煤矿调查，都遭受过雷电的袭击。在我们这的一个国有煤矿，从安装这套系统开始，只要一有雷暴天气，一定会有损坏，不管雷电的强度有多大。少者损坏一两个分站通信芯片，多数是井下全部分站芯片全部损坏。有时连井下的分站电源都一并打坏。，所以破不得以只能在雷雨来临时断开所有的线路连接，中断系统工作。这就严重的影响了瓦斯的监控。
2 雷电干扰系统途径
由于系统都是处于雷电环境十分恶劣的矿区，所以系统设备的电源和信号部分都成为了雷电袭击设备的途径。
3 浪涌防护措施
3.1 电源部分的雷电防护
系统的电源防护分为井外机房和井下分站部分。机房的取电一般都是在办公楼的电源处取得，矿区内由于有大型机电设备如绞车等，其浪涌现象十分严重，并且矿区的电源线一般都是架空线路，及其容易被雷电感应甚至被雷电直接作用低压架空线，侵入机房设备。所以需要采用多级安装防雷器释放雷电能量，和采取多重防护的措施，才能保证机房设备电源的安全。在机房取电配电处安装通流量不小于60kA/线的浪涌保护器作为第一级防护，在机房的UPS前安装一台通流量不小于40kA/线的浪涌保护器作为机房设备的第二级防护，在设备前端安装一台通流量10kA/线浪涌保护器作为机房设备的第三级防护。
井下分站的电源是从附近的配电处取得，通过变压、整流后变成24V直流供给分站和传感器用电。由于大多数煤矿的井下电源都是采用金属铠装6000V高压线引入井下，再通过井下变电房变压器变成660V、IT制式的供电方式。所以井下分站电源的遭受雷击的几率相对小些，很少会损坏分站的电源系统。但是矿山大型电机设备多，供电线路电压波动大，会使输出的直流电压产生很大的浪涌，故需在分站电源的直流输出端要安装直流电源防雷器，保护分站设备电源的正常供给。
3.2 信号线路的防护
煤矿安全生产监控系统由于采用了工业控制总线，使用了RS485基带协议，其工作电压低位5V，通讯接口最大承受电压冲击低与15V。再加上布线方式一般都是采用普通双绞线从机房到井口几百米的架空。并且信号线在狭窄的井下巷道都是和其他所有的线路捆在一起的，包括：高压电源线、电话线、电铃线等。这样雷电和其他干扰源就很容易干扰信号线产生过电压，损坏分站和主机的接口设备。
对于信号线的防护，最有效的方式有两种：1）采用屏蔽线路并良好的多处接地，能有效的把信号线上的感应雷电流通过屏蔽层接地泄到地上。从而避免屏蔽层下的信号线带上雷电流。2）在信号线入设备端安装信号防雷器，把信号线上的雷电流分流到大地，避免雷电流进入
设备。
采用屏蔽线路不但可以屏蔽雷电干扰，还可以有效的屏蔽矿上其他电气对信号线的干扰。特别是拉煤的电车，其开动时产生的空间电磁场可以使附近几百内的信号线感应出过电流。但是在工程中全线换屏蔽线，施工难度大，费用高，屏蔽层有效接地困难（根据干扰源信号的波形在1/4处就要接地，如：电磁场干扰，其接地间距为50m，但是煤矿监控线路一般都在2km以上）。
信号防雷器虽然可以很方便的把信号线上的过电流泄放到地，但是，煤矿电气干扰严重，信号线路被感应出过电流频率非常的高，如：电车启动时，只要电车的接触点和架线接触时就会释放出很强的电磁脉冲，会在百米以内的线缆上感应出过电流。监控RS485信号线上的过电压的强度都会大于5V，信号线上的防雷器就开始动作。如果信号线长、分站多、分站和主站入口处的防雷器启动电压不一致就会造成RS485线上
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电压不一致，造成传输信号的短暂中断。并且防雷器连续的启动，会大大减少使用寿命。所以在矿山监控系统中采取局部屏蔽和安装信号防雷器相结合的方式会起到很好的防护效果。
4 工程实例
在我们的一个工程中，我们开始在RS485线的分站上安装了启动电压为5V的信号防雷器（分站接口芯片最大承受冲击电压为15V），在主机接口处安装一台启动电压为24V的信号防雷器，（主机接口能最大承受冲击电压为50V）,通过几次强雷击后设备没有问题，防雷效果非常的好。（以前这个煤矿的瓦斯监控系统只要有雷暴天气，就会有损坏，哪怕是系统关闭状态下）。但是有一个信号中断现象出现，只要电车运行就会不断的、间接性的中断信号。只要电车一停信号马上恢复正常。甩掉信号防雷器后，电车通行正常。其中断原因就是电车的接触点和架线接触时就会释放出很强的电磁脉冲，会在线缆上感应出过电压，造成分站上的5V防雷器动作，（主站24V的防雷器，没有动作）影响了信号线上的电压平衡，造成信号短暂中断。
后在电车通行的路段的信号线改成双屏蔽线后，效果比较明显，但是还是在电车行驶的末端有中断（屏蔽线铺设已超过电车轨道末端150M处）。显然，电车对150M外的非屏蔽线还是有干扰。后把主机处的信号防雷器换成和分站一样的启动电压5V后，信号衰减消失。
由此可得出结论，RS485信号线路对整条线路的电压一致性要求很高，我们在处理RS485信号线的防雷时，必须要在主机接口和分站接口处同时安装工作电压一致的信号防雷器，否则就会引起信号线上电压不平衡，出现信号中断现象影响正常的通讯。特别是矿山煤炭安全生产系统，其电气干扰严重，建议采用屏蔽线后在信号线的主机和各分站处加装工作电压为5V信号防雷器，方能起到很好的防雷效果。
參考文献
[1]向阳.基于CAN总线的煤矿监控系统节点设计[J].煤炭工程,2008,08.
[2]周磊,华钢.基于MCGS的煤矿监控系统独立设备驱动构件设计[J].工矿自动化,2007,01.
关键词 煤炭安全生产监控系统；雷电防护；干扰
中图分类号 TD 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0196-01
近年来，随着国家对高危险行业的监管力度的加强，许多高科技信息化设备在高危行业中得到了应用，为监管部门有效快捷的监管起到了重要作用。煤矿瓦斯监控系统，就是应用现场总线和网络技术，把煤矿井下的瓦斯、通风加以监视和自动控制，并通过网络可以在异地直接监控井下瓦斯状况。这套系统被国家安全生产部门定为强制安装系统。各级安全监督部门可以直接、方便、实时的查看和监督各煤矿井下的瓦斯状况，对减少煤炭行业事故有重要意义。
瓦斯监控系统采用了现场总线技术对煤矿瓦斯和通风情况进行现场采样监视和模拟量控制，整套系统分为主机、分机和传感器三部分。主机一般都在井外的机房，分站和感应器都在井下，地面主控接口与井下分站传输采用RS485协议；传输介质一般采用非屏蔽双绞线，传输电压为5V。
1 雷电的危害
由于系统采用的是主干线是采用RS485基带，其工作电压为5V，其最大承受电压为小于15V，所有很容易被雷电损坏接口通信芯片。从我们对我市140家安装了这套系统的煤矿调查，都遭受过雷电的袭击。在我们这的一个国有煤矿，从安装这套系统开始，只要一有雷暴天气，一定会有损坏，不管雷电的强度有多大。少者损坏一两个分站通信芯片，多数是井下全部分站芯片全部损坏。有时连井下的分站电源都一并打坏。，所以破不得以只能在雷雨来临时断开所有的线路连接，中断系统工作。这就严重的影响了瓦斯的监控。
2 雷电干扰系统途径
由于系统都是处于雷电环境十分恶劣的矿区，所以系统设备的电源和信号部分都成为了雷电袭击设备的途径。
3 浪涌防护措施
3.1 电源部分的雷电防护
系统的电源防护分为井外机房和井下分站部分。机房的取电一般都是在办公楼的电源处取得，矿区内由于有大型机电设备如绞车等，其浪涌现象十分严重，并且矿区的电源线一般都是架空线路，及其容易被雷电感应甚至被雷电直接作用低压架空线，侵入机房设备。所以需要采用多级安装防雷器释放雷电能量，和采取多重防护的措施，才能保证机房设备电源的安全。在机房取电配电处安装通流量不小于60kA/线的浪涌保护器作为第一级防护，在机房的UPS前安装一台通流量不小于40kA/线的浪涌保护器作为机房设备的第二级防护，在设备前端安装一台通流量10kA/线浪涌保护器作为机房设备的第三级防护。
井下分站的电源是从附近的配电处取得，通过变压、整流后变成24V直流供给分站和传感器用电。由于大多数煤矿的井下电源都是采用金属铠装6000V高压线引入井下，再通过井下变电房变压器变成660V、IT制式的供电方式。所以井下分站电源的遭受雷击的几率相对小些，很少会损坏分站的电源系统。但是矿山大型电机设备多，供电线路电压波动大，会使输出的直流电压产生很大的浪涌，故需在分站电源的直流输出端要安装直流电源防雷器，保护分站设备电源的正常供给。
3.2 信号线路的防护
煤矿安全生产监控系统由于采用了工业控制总线，使用了RS485基带协议，其工作电压低位5V，通讯接口最大承受电压冲击低与15V。再加上布线方式一般都是采用普通双绞线从机房到井口几百米的架空。并且信号线在狭窄的井下巷道都是和其他所有的线路捆在一起的，包括：高压电源线、电话线、电铃线等。这样雷电和其他干扰源就很容易干扰信号线产生过电压，损坏分站和主机的接口设备。
对于信号线的防护，最有效的方式有两种：1）采用屏蔽线路并良好的多处接地，能有效的把信号线上的感应雷电流通过屏蔽层接地泄到地上。从而避免屏蔽层下的信号线带上雷电流。2）在信号线入设备端安装信号防雷器，把信号线上的雷电流分流到大地，避免雷电流进入
设备。
采用屏蔽线路不但可以屏蔽雷电干扰，还可以有效的屏蔽矿上其他电气对信号线的干扰。特别是拉煤的电车，其开动时产生的空间电磁场可以使附近几百内的信号线感应出过电流。但是在工程中全线换屏蔽线，施工难度大，费用高，屏蔽层有效接地困难（根据干扰源信号的波形在1/4处就要接地，如：电磁场干扰，其接地间距为50m，但是煤矿监控线路一般都在2km以上）。
信号防雷器虽然可以很方便的把信号线上的过电流泄放到地，但是，煤矿电气干扰严重，信号线路被感应出过电流频率非常的高，如：电车启动时，只要电车的接触点和架线接触时就会释放出很强的电磁脉冲，会在百米以内的线缆上感应出过电流。监控RS485信号线上的过电压的强度都会大于5V，信号线上的防雷器就开始动作。如果信号线长、分站多、分站和主站入口处的防雷器启动电压不一致就会造成RS485线上
（下转第215页）
（上接第196页）
电压不一致，造成传输信号的短暂中断。并且防雷器连续的启动，会大大减少使用寿命。所以在矿山监控系统中采取局部屏蔽和安装信号防雷器相结合的方式会起到很好的防护效果。
4 工程实例
在我们的一个工程中，我们开始在RS485线的分站上安装了启动电压为5V的信号防雷器（分站接口芯片最大承受冲击电压为15V），在主机接口处安装一台启动电压为24V的信号防雷器，（主机接口能最大承受冲击电压为50V）,通过几次强雷击后设备没有问题，防雷效果非常的好。（以前这个煤矿的瓦斯监控系统只要有雷暴天气，就会有损坏，哪怕是系统关闭状态下）。但是有一个信号中断现象出现，只要电车运行就会不断的、间接性的中断信号。只要电车一停信号马上恢复正常。甩掉信号防雷器后，电车通行正常。其中断原因就是电车的接触点和架线接触时就会释放出很强的电磁脉冲，会在线缆上感应出过电压，造成分站上的5V防雷器动作，（主站24V的防雷器，没有动作）影响了信号线上的电压平衡，造成信号短暂中断。
后在电车通行的路段的信号线改成双屏蔽线后，效果比较明显，但是还是在电车行驶的末端有中断（屏蔽线铺设已超过电车轨道末端150M处）。显然，电车对150M外的非屏蔽线还是有干扰。后把主机处的信号防雷器换成和分站一样的启动电压5V后，信号衰减消失。
由此可得出结论，RS485信号线路对整条线路的电压一致性要求很高，我们在处理RS485信号线的防雷时，必须要在主机接口和分站接口处同时安装工作电压一致的信号防雷器，否则就会引起信号线上电压不平衡，出现信号中断现象影响正常的通讯。特别是矿山煤炭安全生产系统，其电气干扰严重，建议采用屏蔽线后在信号线的主机和各分站处加装工作电压为5V信号防雷器，方能起到很好的防雷效果。
參考文献
[1]向阳.基于CAN总线的煤矿监控系统节点设计[J].煤炭工程,2008,08.
[2]周磊,华钢.基于MCGS的煤矿监控系统独立设备驱动构件设计[J].工矿自动化,2007,01.