煤礦電氣控制系統(tǒng)及保護(hù)接地問題分析

陳于

摘要：煤礦生產(chǎn)特殊的工作環(huán)境，決定了井下供電系統(tǒng)的特殊性。隨著現(xiàn)在城市電纜電路的進(jìn)一步增多，單純地采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式很難徹底消除接地故障點(diǎn)的電弧。文章就目前煤礦電氣控制系統(tǒng)保護(hù)接地問題進(jìn)行了探討，包括電控系統(tǒng)失控和漏電引爆雷管等問題，并從實(shí)現(xiàn)接地智能化、完善漏電保護(hù)裝置和加強(qiáng)保護(hù)接地措施等方面闡述了煤炭開采中電氣控制系統(tǒng)及保護(hù)接地的完善方式，為后期實(shí)現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備有效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

Abstract： The special working environment of coal mine determines the particularity of underground power supply system. With the further increase of the city cable circuit， it is very difficult to eliminate the arc of the ground fault point simply by taking the neutral point through the arc suppression coil grounding mode. This paper discusses the problems of protection grounding in the electric control system of coal mine， including the electronic control system out of control and leakage of detonators and other issues. And from realizing intelligent grounding， improving the leakage protection device and strengthening the protection of grounding measures and other aspects， the perfect way of electrical control system and protection grounding in the coal mining are expounded to realize the effective operation of coal mine electrical equipment.

關(guān)鍵詞：煤礦；電氣控制；保護(hù)接地；問題

Key words：coal mine；electric control；protection grounding；problem

中圖分類號：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0115-3

0 引言

煤炭是我國的重要能源之一，在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，煤炭行業(yè)的發(fā)展對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的惡劣，井下采掘作業(yè)存在諸多安全隱患，尤其在煤礦電氣系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，一旦電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不但會終止煤炭的開采，而且還會造成嚴(yán)重的安全事故，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來威脅。因此，及時發(fā)現(xiàn)煤礦電氣系統(tǒng)中的安全隱患，及時的預(yù)防并加以改進(jìn)至關(guān)重要。這對于煤礦安全生產(chǎn)有著非常重要的意義。這樣，不但保障了人民的生命財產(chǎn)安全，而且也提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 煤礦電氣控制電路發(fā)生故障的危害

隨著科技的不斷發(fā)展，企業(yè)的機(jī)械化程度越來越高，煤礦企業(yè)在開采過程中會使用許多大功率機(jī)器來保證開采的順利進(jìn)行。而大功率機(jī)器的正常運(yùn)行需要設(shè)備的電氣控制電路來保證。煤礦開采地方的用電量比較大，再加上設(shè)備的復(fù)雜化，很容易在煤礦開采的過程中發(fā)生故障。同時，電氣控制電路控制著整個電氣系統(tǒng)，一旦電路中出現(xiàn)了問題，整個電氣系統(tǒng)都無法進(jìn)行作業(yè)。電氣故障的發(fā)生會給煤礦企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

1.1 電氣控制系統(tǒng)失靈

電氣控制系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中電氣系統(tǒng)最重要的組成部分。施工設(shè)備就是通過電氣控制系統(tǒng)的控制來進(jìn)行作業(yè)的。煤礦的正常開采也是在電氣控制系統(tǒng)的操控下進(jìn)行。因此，電氣控制系統(tǒng)在工作過程中一旦出現(xiàn)故障，整體的開采設(shè)備也將無法運(yùn)行。突然終止的開采設(shè)備很容易引發(fā)安全事故，造成人員的傷亡和財產(chǎn)的損失。

1.2 漏電引爆雷管

在煤礦生產(chǎn)中采掘作業(yè)常常會遇到質(zhì)地堅(jiān)硬的煤層或巖層，造成采煤機(jī)難以向前推進(jìn)，需要進(jìn)行雷管爆破來保證正常開采進(jìn)度。但是由于采礦作業(yè)工序復(fù)雜，會用到管道、軌道、輸送機(jī)等多種設(shè)備，為了確保作業(yè)活動順利開展，雷管爆破所用導(dǎo)電體通常沿軌道鋪設(shè)，爆破過程中現(xiàn)場如果產(chǎn)生雜散電流，管道、軌道及輸送機(jī)等導(dǎo)體與大地之間就極易形成強(qiáng)烈的電位差，對現(xiàn)場人員和設(shè)備造成極大的安全威脅。假設(shè)采掘巷道內(nèi)軌道絕緣，雜散電壓就會不斷升高直至可能引爆雷管，這對現(xiàn)場作業(yè)來說無疑是極大的安全隱患。

2 煤礦電氣控制電路的常見故障及其產(chǎn)生原因

2.1 短路

短路故障，即在不同電位之間，未通過消耗電阻或電損設(shè)備的條件下直接連通，造成電路斷電，無法正常工作的一種電力故障。在實(shí)際工況中，線路短路的原因往往是多個方面造成。比如，線纜老化，絕緣失效，受外界環(huán)境影響線路損壞，導(dǎo)致絕緣破損，最終引起短路；設(shè)備磨損造成設(shè)備線路之間出現(xiàn)不同電位線路接觸，進(jìn)而引起線路短路；在煤礦定期設(shè)備檢修與維護(hù)工作中，電氣工人違規(guī)操作往往也是造成電氣短路的主要原因。在線路發(fā)生短路故障后，線路中會產(chǎn)生瞬間過電流現(xiàn)象，在電流過大或者瞬間過電流持續(xù)時間較長的情況下，電氣設(shè)備就會被燒毀，同時會波及其它部分設(shè)備。若不及盡快排除故障，就可能波及整個電氣系統(tǒng)，造成全礦的電氣系統(tǒng)整體癱瘓。

2.2 電控系統(tǒng)失控

加強(qiáng)煤礦電氣控制電路的安全管控，不僅是保障井下開采作業(yè)順利進(jìn)行的前提條件，更是保障井下作業(yè)人員、設(shè)備安全的必要措施。煤礦電氣控制線路是電控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控的有效載體，如果線路不能正常工作，就會導(dǎo)致電控系統(tǒng)的操控指令無法有效傳遞給終端設(shè)備，并且有可能導(dǎo)致全礦的電控系統(tǒng)整體失效，影響礦井的正常生產(chǎn)秩序，并有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 引爆雷管

當(dāng)前，井下炮采作業(yè)通常會用到雷管。雷管一般放置在作業(yè)面附近，以備隨時取用。作業(yè)面的軌道、帶式輸送機(jī)的鋼絲繩及各種管道等沿巷道敷設(shè)的導(dǎo)體中一旦有雜散電流通過，它們與大地及接地網(wǎng)中的接地體之間就會形成強(qiáng)烈的電位差，即通常所說的雜散電壓。在采掘巷道內(nèi)軌道與有架線電機(jī)車運(yùn)行的運(yùn)輸大巷的軌道絕緣不徹底的情況下，雜散電壓就會不斷升高。如果雷管兩根腳線與存在雜散電壓的兩極恰好接觸，就會引爆雷管，造成重大安全事故。

2.4 硬件問題

硬件是指與煤礦生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)扔嘘P(guān)的一切輔助的儀器、儀表和控制設(shè)備。這些基本的硬件是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，但由于很多企業(yè)的資金和人員投入有限，一方面硬件本身技術(shù)不能達(dá)到要求，另一方面這些硬件的后期維護(hù)也無法滿足要求，進(jìn)而導(dǎo)致由硬件技術(shù)引發(fā)的安全事故。

3 煤礦電氣控制系統(tǒng)及保護(hù)接地問題控制分析

3.1 煤礦開采中接地方式分析

3.1.1 保護(hù)接地

保護(hù)接地，即在電氣設(shè)備遭受外界干擾時，為避免系統(tǒng)損害而設(shè)置的一種安全接地模式。目前這種接地方式被廣泛用在煤礦機(jī)電設(shè)備的安全防護(hù)系統(tǒng)中。它可將電氣系統(tǒng)中不帶電的金屬部分與地面形成導(dǎo)電連接，當(dāng)在不帶電金屬部分由于設(shè)備漏電而帶電時，可防止人或設(shè)備受到安全威脅。

3.1.2 工作接地

工作接地目前常用在煤礦電氣設(shè)備安全防護(hù)系統(tǒng)中，用于保護(hù)機(jī)電設(shè)備的性能不被外界干擾因素破壞。具體來說，工作接地能夠確保在外部環(huán)境中工作的測量儀表始終維持精確的精度，可實(shí)現(xiàn)對礦用機(jī)電設(shè)備的動態(tài)管理，從而確保設(shè)備性能穩(wěn)定。

3.2 防雷接地

礦區(qū)一般處于空曠的野外，遭受雷擊風(fēng)險較高，一旦發(fā)生雷擊，造成電壓的疊加，將會使得強(qiáng)大的電壓、電流沿著供電線路輸送到井下，從而使供電線路和機(jī)電設(shè)備造成危害，而設(shè)置防雷接地可實(shí)現(xiàn)將雷電通過避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)和防雷裝置等引入大地，使其煤炭設(shè)備及生產(chǎn)過程免受傷害。

3.3 通過低壓電網(wǎng)加強(qiáng)電氣防爆

以往，煤礦企業(yè)常常采用“點(diǎn)”式電氣防爆設(shè)計(jì)。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然可確保防爆點(diǎn)相互獨(dú)立，但整體防爆功能較弱。建議安裝快速斷電裝置以達(dá)到整體防爆效果。在電力系統(tǒng)中裝配快速斷電裝置，可使其與礦井現(xiàn)有電氣安全設(shè)計(jì)有機(jī)整合，構(gòu)成一套全方位、立體化的防爆結(jié)構(gòu)。在電氣系統(tǒng)突發(fā)故障后，可依靠快速斷電裝置將故障線路斷開，保障其他電纜線路不受干擾。該裝置由快速斷電真空反饋開關(guān)、快速斷電移動變電站等部件組成。它在煤礦電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效提高故障電網(wǎng)的斷電效率，從而確保在未出現(xiàn)明火之前將線路快速切斷，避免明火引起瓦斯爆炸。從安全角度來講，快速斷電裝置能夠?yàn)槊旱V的生產(chǎn)活動提供更多安全保障。

3.4 低壓電網(wǎng)的“全方位”防爆

上文已述，以往煤礦多采用“點(diǎn)”式傳統(tǒng)電氣防爆設(shè)計(jì)，無法達(dá)到整體防火防爆效果。現(xiàn)代煤礦電氣防爆設(shè)計(jì)要求構(gòu)建一套具有整體防火防爆功能的低壓電網(wǎng)的“全方位”防爆體系。早在20世紀(jì)，我國就成功研發(fā)了具有國際水準(zhǔn)的快速斷電裝置，如各種快速斷電真空饋電開關(guān)、快速斷電移動變電站等電源開關(guān)組合裝置等，這些裝置在煤礦、電力等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這種裝置的特點(diǎn)是能夠在出現(xiàn)明火前將故障電源及時切斷，避免了故障危害進(jìn)一步蔓延。但是由于電氣系統(tǒng)中裝有儲能元件，即時切斷故障電源，仍不能保證故障點(diǎn)不會出現(xiàn)電弧或明火。因此，在電氣故障維護(hù)中必須根據(jù)電動機(jī)反電勢的產(chǎn)生及衰減規(guī)律來徹底解決能量吸收的問題，以期使快速斷電技術(shù)進(jìn)一步完善。

3.5 地面供電系統(tǒng)管理技術(shù)

作為整個煤礦的核心電氣設(shè)備，地面供電系統(tǒng)的故障預(yù)防與管理工作也十分關(guān)鍵。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，該核心部分通常會出現(xiàn)電網(wǎng)停電故障、電網(wǎng)接地故障、洪澇電路故障等。這些故障都可能引發(fā)井下大規(guī)模停電事故，煤礦企業(yè)也會因此蒙受重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，在生產(chǎn)作業(yè)過程中，必須定期或不定期對電氣設(shè)備進(jìn)行檢修與維護(hù)。采礦企業(yè)可以從礦井的回路電源設(shè)置開始進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。通常情況下，礦井至少有兩條電氣回路，當(dāng)其中一條出現(xiàn)故障后，另一條回路可替換使用。在進(jìn)行回路設(shè)置時，首先應(yīng)該確保突發(fā)故障前地面供電系統(tǒng)中至少有兩條線路能維持正常運(yùn)行。在回路保護(hù)動作被觸發(fā)后，至少有一條線路正常供電。當(dāng)供電系統(tǒng)的主保護(hù)與主線路突發(fā)故障后，須及時進(jìn)行線路排障并設(shè)置線路保護(hù)措施，以確保電氣設(shè)備不受影響。

礦井供電線路應(yīng)該嚴(yán)格根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及規(guī)程來進(jìn)行敷設(shè)或架設(shè)，特別是導(dǎo)線選型、桿塔型式、線路布置等都必須符合安全控制標(biāo)準(zhǔn)，對于礦井電源線路上嚴(yán)禁裝設(shè)負(fù)荷定量器等各種限電斷電裝置。另外，不宜在儲氣開采區(qū)、滑坡區(qū)、塌陷區(qū)等危險地帶架設(shè)電源線；架設(shè)線纜的塔桿要按要求隔開一定的距離，并且要滿足“基礎(chǔ)穩(wěn)定、不傾斜、排水通暢”的要求，鋼混結(jié)構(gòu)的桿塔不能有裂縫；要配套安裝防震錘、護(hù)線條等工具，以防線路共振；備用線路與運(yùn)行線路必須負(fù)載一致，且線路之間要能靈活切換，以備在故障發(fā)生時能夠及時啟用備用線路恢復(fù)正常供電。

3.6 接地變壓器的特性

以Z型接線為主的接地變壓器，其電磁特性與普通變壓器相比有特別之處。從接線類型來看，接地變壓器每相線圈分別側(cè)繞在磁柱上，鐵心柱上兩段不同相的繞組呈相反的繞向，對正、負(fù)序電流能夠呈現(xiàn)高阻抗，只允許很小的勵磁電流通過繞組。對于零序電流，由于同相兩繞組反極性串聯(lián)，即便感應(yīng)電動勢大小一致，但只能反向抵消，零序電流的抗阻狀態(tài)仍然為低阻抗。按照相關(guān)接線技術(shù)規(guī)程，安裝消弧線圈的普通變壓器，其線圈容量必須小于變壓器容量的1/5，但接地變壓器有可能超過線圈容量的90%。從這點(diǎn)來看，在中性點(diǎn)處加接消弧線圈接地往往能達(dá)到安全保障的效果。線路運(yùn)行中如果出現(xiàn)單向接地現(xiàn)象，零序電流通過消弧線圈接入地，接地電容電流可經(jīng)由感性電流補(bǔ)償，消除了接地點(diǎn)的電弧。其作用與消弧線圈一樣。此外，由于接地變壓器的零序阻抗非常小，對零序電流呈低阻抗。因此，通過接地變中性點(diǎn)加接接地電阻，能夠使接地保護(hù)迅速而可靠的將故障切除。

4 結(jié)束語

隨著煤礦供電設(shè)備的升級改造，電氣自動化控制技術(shù)將在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，對電氣設(shè)備的檢修與維護(hù)工作就變得更加重要。工作人員應(yīng)該不斷強(qiáng)化設(shè)備巡視及運(yùn)行分析工作，利用帶電檢測等手段，加強(qiáng)對運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視。每季度定期開展電氣設(shè)備運(yùn)行分析，制定切實(shí)可行的整改措施，并發(fā)布設(shè)備運(yùn)行分析報告和評估結(jié)果，為煤礦生產(chǎn)活動的順利進(jìn)行提供更可靠的保障。

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