石墨接地体在煤矿井上下供电系统中的应用.pdf

扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 王治朋. 石墨接地体在煤矿井上下供电系统中的应用[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３５６￣５８. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ０１６ 石墨接地体在煤矿井上下供电系统中的应用 王治朋 同煤集团 晋华宫矿ꎬ 山西 大同 ０３７０００ 摘 要 防雷在于接地ꎬ接地电阻偏大是引起供电线路遭受雷击的主要原因ꎮ 在大地中埋设防雷 接地体ꎬ在井下埋设主副接地极ꎬ是目前国内外普遍采用的最有效的避雷和防漏电方法ꎮ 但煤矿供 电接地系统的不可靠一直困扰着矿井的安全生产ꎮ 当矿井双回路输电线路遭受雷电侵入时ꎬ不能 瞬间将雷电流泄入大地ꎬ造成了地面大型设备停机ꎬ井下供电双回路停电ꎮ 当井下电气设备出现漏 电时ꎬ会造成供电系统大面积停电ꎮ 而以石墨为主的接地体的研发成功ꎬ破解了这一难题ꎬ并取得 了良好的效果ꎮ 关键词 煤矿供电ꎻ 防雷ꎻ 漏电ꎻ 石墨接地体 中图分类号ＴＭ８６２ ＋ . ３ 文献标志码Ｂ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００５６ －０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｂｏｄｙ ｉｎ Ｕｐｐｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＷＡＮＧ Ｚｈｉｐｅｎｇ Ｊｉｎｈｕａｇｏｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬ Ｄａｔｏｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｄａｔｏｎｇ ０３７０００ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｌｉｅｓ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ. Ｌａｒｇｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｓｔｒｉｋｅ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｌｉｎｅｓ. Ｂｕｒｙｉｎｇ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｂｏｄｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｗｉｔｈ ｍａｉｎ ａｎｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｏｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｕｎｒｅｌｉａｂｌｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｌａｇｕｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ. Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｄｏｕｂｌｅ￣ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｕｄｅｄ ｂｙ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇꎬ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｅａｒｔｈꎬ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｕｔｄｏｗｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｄｏｕｂｌｅ￣ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｌａｃｋｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ. Ｗｈｅｎ ｌｅａｋａｇｅ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ ｉｔ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｌａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔａｇｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ. Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ￣ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｂｏｄｙ ｈａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙꎻ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎻ ｌｅａｋａｇｅꎻ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｂｏｄｙ ０ 引言 我国的煤矿大多分布在山区ꎬ而煤矿供电的架 空线路多数在人烟稀少的山区ꎮ 由于接地体的不可 靠ꎬ每年的雷雨季节给煤矿的地面大型设备和井下 电气设备带来很大的隐患[１]ꎮ 煤矿的供电区域主 要分为地面和井下ꎬ其主通风机、绞车和压风设备分 布在地面ꎬ而采、掘、运及排水设备分布在井下ꎬ接地 保护又是煤矿井下供电的三大保护之一ꎮ 因此ꎬ接 地体对煤矿的安生生产至关重要ꎮ １ 传统接地装置存在的问题 目前ꎬ煤矿供电的接地装置主要由接地极、接地 导线和接地引线组成ꎬ材料一般是含电镀金属层的 镀锌钢ꎬ带来运输及施工难度大、易发生偷盗等现 象[２]ꎮ 同煤集团共有７３ 座煤矿ꎬ主要分布在黄土高 原ꎬ属于我国的北方地区ꎬ夏季干旱少雨ꎬ输配电设 施大部分处于山区地段ꎬ受土壤地质的影响严 重[３]ꎮ 目前使用镀锌钢材质作接地体ꎬ与土壤不能 良好地接触ꎮ 当输电线路、杆塔、避雷针等设施遭受 雷电侵入时ꎬ雷电流不能瞬间导入大地ꎬ造成大型设 备停机ꎬ井下供电网路停电ꎬ使被保护的设备设施和 煤矿工人受到危害ꎬ给矿井的安全生产带来重大隐 患ꎮ 同时ꎬ由于煤矿井下潮湿的环境ꎬ接地体容易生 锈ꎬ接地电阻不稳定ꎮ 当电气设备因绝缘层的损坏 而造成漏电时ꎬ对井下操作人员的安全造成了很大 的威胁ꎮ ２ 石墨的结构、原理和主要特点 ２. １ 石墨的结构和原理 石墨是碳质元素结晶矿物ꎬ它的结晶格架为六 边形层状结构ꎬ如图 １ 所示ꎮ 同层的碳原子形成了 正六连连形的环ꎬ伸展成片层结构ꎬ故对于同一层来 说ꎬ它是原子晶体ꎮ 在同一平面的碳原子电子比较 自由ꎬ相当于金属中的自由电子ꎬ石墨能导热和导 电ꎮ 而石墨晶体中层与层之间距离较大ꎬ属于分子 晶体ꎮ 由于同一平面层上的碳原子间结合很强ꎬ极 难破坏ꎬ石墨的熔点很高ꎬ化学性质很稳定ꎬ故普遍 认为石墨是一种混合晶体ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 图 １ 石墨结晶架结构 图 ２ 石墨的晶体结构 ２. ２ 石墨的主要特点 １ 耐高温性ꎮ 石墨的强度随温度的升高而加 强ꎬ即使经超高温电弧灼烧ꎬ其质量损失很小ꎬ热膨 胀系数也很小ꎮ ２ 导电、导热性ꎮ 石墨的导电性比一般非金属 矿物质的高 １００ 倍ꎬ导热性超过钢、铁、铅等金属材 料的ꎮ 其导热系数是随温度的升高而降低ꎬ甚至在 极高的温度下ꎬ石墨成绝热体ꎮ ３ 润滑性ꎮ 石墨的润滑性取决于石墨鳞片的 大小ꎬ鳞片越大ꎬ摩擦因数越小ꎬ润滑性越好ꎮ ４ 化学稳定性ꎮ 石墨在常温下具有良好的化 学稳定性ꎬ能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀ꎮ ５ 可塑性ꎮ 石墨的韧性好ꎬ可碾成很薄的 薄片ꎮ ６ 抗热性ꎮ 石墨在常温下使用时能经受住温 度的剧烈变化而不致被破坏ꎬ当温度突变时石墨的 体积变化不大ꎬ不会产生裂纹ꎮ ３ 石墨接地体的结构特点 随着高科技的不断发展ꎬ以石墨为主的各种接 地材料先后在通信、石油、化工等领域中得到了广泛 的应用[４]ꎮ 石墨接地体不仅可以做成电缆状ꎬ直径和长度 可以任意定制ꎬ还可以做成模块和中空式ꎬ如图 ３、 图 ４、图 ５ 所示ꎮ 图 ３ 电缆状石墨接地体 图 ４ 模块状石墨接地体 图 ５ 中空式石墨接地体 首先ꎬ石墨接地体与土壤的物理结构相似ꎬ能与 土壤结合为一体ꎬ使接地体与土壤的有效接触面积 􀅱７５􀅱２０２０ 年第 ３ 期王治朋石墨接地体在煤矿井上下供电系统中的应用 比金属接地体大许多倍ꎬ增大了接地体的有效散流 面积ꎬ极大地降低了接地体与土壤的接触电阻ꎬ故能 显著提高接地效率ꎬ减少地网占用土地面积ꎮ 其次ꎬ它自身有很强的吸湿保湿能力ꎬ使它周围 的土壤保持湿润ꎬ保证接地模块有效发挥导电作用ꎬ 同时接地体中导电物的导电特性不受干湿度、高低 温等季节变化的影响ꎬ能提供稳定的接地电阻ꎮ 再次ꎬ石墨接地体使电阻率相差巨大的金属与 土壤之间形成一个变化比较平缓的低电阻区域ꎮ 当 大电流冲击时ꎬ可降低接地体、接地线暂态电位梯 度ꎬ降低跨步电压和接触电压ꎬ减少发生地电位反击 的概率ꎮ 最后ꎬ石墨本身是抗腐蚀材料ꎬ总体抗腐蚀性能 优良ꎬ使用寿命可达 ５０ ａ 以上ꎮ 总而言之ꎬ石墨接地体可以任意连接其他材质 接地装置ꎬ占地面积小、施工难度低、阻值稳定ꎬ不需 要每年对接地体进行降阻处理ꎬ是镀锌钢板、角铁、 扁铁、铁线和纯铜体的优质替代品ꎮ ４ 目前石墨接地体的种类 １ 长效防雷石墨接地体ꎮ 以镍铬不锈合金作 基体ꎬ外表采用导电无纺石墨布ꎬ主要应用在氯离子 富集、盐碱重的地方ꎮ 它具有不生锈、不受腐蚀、接 地电阻稳定、与土壤能够亲密接触等特性ꎮ ２ 纳米碳离子石墨接地体ꎮ 由先进的纳米碳 离子填充剂组成ꎬ独特的的离子缓释技术ꎬ使接地降 阻值效果不断提升ꎬ并趋于最佳稳定状态ꎬ占地面积 小ꎬ施工难度低ꎮ ３ 柔性石墨接地模块ꎮ 采用高碳膨胀石墨磷 片、碳纤维及专用胶黏剂合成ꎬ耐老化、耐腐蚀、降阻 值效果好ꎬ在使用过程中会跟土壤一起蠕动ꎬ时间越 长ꎬ跟土壤的亲和性就越好ꎬ在最快的时间内将电流 散泄到大地ꎮ ５ 石墨接地体在煤矿中的应用情况 １ 近几年ꎬ集团公司先以重要的线路杆塔为试 点ꎬ对其接地装置进行了改进ꎬ第一次使用了石墨接 地体ꎬ取得了非常好的效果ꎮ 据不完全统计ꎬ电业公 司 ７ 座１１０ ｋＶ 变电站、３５ 座３５ ｋＶ 变电站、７１２. ７８７ ｋＶ 高压线路遭受雷击的次数下降了 ７０％ꎬ并且每 年不需要投入大量的人力和物力来对接地装置进行 降阻处理ꎮ ２ ２０１８ 年ꎬ集团公司又筹集资金ꎬ对７３ 座矿井 的主要通风机、提人提升机、空气压缩机等重要负荷 的接地体进行了改造ꎮ 由于大量使用了石墨接地 体ꎬ对大型设备的安全运转起到了关键作用ꎬ不仅保 证了煤矿工人的生命安全ꎬ还确保了矿井的安全 生产ꎮ ３ 今年ꎬ计划先在塔山矿的中央水泵房、中央 变电所及各采掘配电点进行尝试ꎬ将石墨接地体应 用到煤矿井下ꎮ 下半年ꎬ将在全集团进行推广ꎬ充分 利用石墨接地体的优势ꎬ将井下接地网任意点的电 阻降到最低ꎬ使井下供电的保护接地有效可靠ꎮ ６ 建议 随着人们对石墨接地体的深入了解和认识ꎬ它 将在各行各业得到更广泛的应用ꎬ颠覆人们对传统 接地材料的认识ꎬ并将改写供电行业规范和标准 煤矿安全规程对接地装置的规定[５]ꎮ 比如ꎬ每年 春季防雷的时候ꎬ不需要对接地体进行更换或降阻 处理ꎮ 但石墨接地体的不足之处ꎬ就是目前对其使 用的规格尺寸还没有明确的规定ꎬ价格相对较高ꎮ 因此ꎬ建议有关部门ꎬ随着科学技术的不断发展ꎬ打 破几十年来的传统观念ꎬ对接地材料的选取进一步 组织调研ꎬ对石墨接地材料的使用规格做出明确 规定ꎮ 参考文献 [１] 胡元潮ꎬ阮江军ꎬ龚若涵ꎬ等. 柔性石墨复合接地材料及其在输 电线路[Ｊ]. 电网技术ꎬ２０１４１０２８５１￣２８５７. [２] 解广润. 电力系统接地技术[Ｍ]. 北京水利电力出版社ꎬ １９９１５７￣６０. [３] 冯海兵. 长效石墨防雷接地体在同煤输配电中的应用[Ｊ]. 同 煤科技ꎬ２０１６１２８￣３０. [４] 李居林. 石墨接地体在通信防雷系统中的应用[Ｊ]. 科技风ꎬ ２００９１３２２８. [５] 高波ꎬ尹维崴ꎬ钱春贺. 柔性石墨复合接地体应用技术研究 [Ｊ]. 科技创新与应用ꎬ２０１６２０１９５. 作者简介王治朋１９７３ꎬ男ꎬ工程师ꎮ ２０１３ 年毕业于太原理工 大学采矿工程专业ꎬ现在同煤晋华宫综采预备一队工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０５ －３０ꎻ责任编辑贺琪 􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖 上接第 ５１ 页 [２] 朱文. 综采工作面过断层技术及实践[Ｃ] / / 纪念矿井地质专 业委员会成立二十周年暨矿井地质发展战略学术研讨会专 辑ꎬ２００２２４￣２７. [３] 高志杰. 综采工作面过断层实践研究[Ｊ]. 山西煤炭管理干部 学院学报ꎬ２０１３ꎬ２６３３４￣３５. [４] 马可白ꎬ张树齐ꎬ张义森. 刨煤机工作面过断层实践浅析[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０１３６９８￣１００. [５] 吕绍文ꎬ汪华君ꎬ王昌琪ꎬ等. 矿井过断层底板注浆改造效果的 数值模拟分析[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０１５１５６￣６０. 作者简介刘伟１９８３ꎬ男ꎬ工程师ꎮ ２０１９ 年毕业于重庆大学工 程专业ꎮ 研究方向为采矿工程ꎮ 收稿日期２０１９ －０７ －３０ꎻ责任编辑姚克 􀅱８５􀅱煤矿机电２０２０ 年第 ４１ 卷