石墨接地體在煤礦井上下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王治朋

(同煤集團(tuán) 晉華宮礦， 山西 大同 037000)

0 引言

我國(guó)的煤礦大多分布在山區(qū)，而煤礦供電的架空線路多數(shù)在人煙稀少的山區(qū)。由于接地體的不可靠，每年的雷雨季節(jié)給煤礦的地面大型設(shè)備和井下電氣設(shè)備帶來(lái)很大的隱患[1]。煤礦的供電區(qū)域主要分為地面和井下，其主通風(fēng)機(jī)、絞車和壓風(fēng)設(shè)備分布在地面，而采、掘、運(yùn)及排水設(shè)備分布在井下，接地保護(hù)又是煤礦井下供電的三大保護(hù)之一。因此，接地體對(duì)煤礦的安生生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 傳統(tǒng)接地裝置存在的問(wèn)題

目前，煤礦供電的接地裝置主要由接地極、接地導(dǎo)線和接地引線組成，材料一般是含電鍍金屬層的鍍鋅鋼，帶來(lái)運(yùn)輸及施工難度大、易發(fā)生偷盜等現(xiàn)象[2]。同煤集團(tuán)共有73座煤礦，主要分布在黃土高原，屬于我國(guó)的北方地區(qū)，夏季干旱少雨，輸配電設(shè)施大部分處于山區(qū)地段,受土壤地質(zhì)的影響嚴(yán)重[3]。目前使用鍍鋅鋼材質(zhì)作接地體，與土壤不能良好地接觸。當(dāng)輸電線路、桿塔、避雷針等設(shè)施遭受雷電侵入時(shí)，雷電流不能瞬間導(dǎo)入大地，造成大型設(shè)備停機(jī)，井下供電網(wǎng)路停電，使被保護(hù)的設(shè)備設(shè)施和煤礦工人受到危害，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)重大隱患。同時(shí),由于煤礦井下潮濕的環(huán)境，接地體容易生銹，接地電阻不穩(wěn)定。當(dāng)電氣設(shè)備因絕緣層的損壞而造成漏電時(shí)，對(duì)井下操作人員的安全造成了很大的威脅。

2 石墨的結(jié)構(gòu)、原理和主要特點(diǎn)

2.1 石墨的結(jié)構(gòu)和原理

石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。同層的碳原子形成了正六連連形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，故對(duì)于同一層來(lái)說(shuō)，它是原子晶體。在同一平面的碳原子電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電。而石墨晶體中層與層之間距離較大,屬于分子晶體。由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強(qiáng)，極難破壞，石墨的熔點(diǎn)很高，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定,故普遍認(rèn)為石墨是一種混合晶體,如圖2所示。

圖1 石墨結(jié)晶架結(jié)構(gòu)

圖2 石墨的晶體結(jié)構(gòu)

2.2 石墨的主要特點(diǎn)

1) 耐高溫性。石墨的強(qiáng)度隨溫度的升高而加強(qiáng),即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，其質(zhì)量損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。

2) 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦物質(zhì)的高100倍,導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料的。其導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度的升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。

3) 潤(rùn)滑性。石墨的潤(rùn)滑性取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦因數(shù)越小，潤(rùn)滑性越好。

4) 化學(xué)穩(wěn)定性。石墨在常溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

5) 可塑性。石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。

6) 抗熱性。石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致被破壞，當(dāng)溫度突變時(shí)石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

3 石墨接地體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著高科技的不斷發(fā)展，以石墨為主的各種接地材料先后在通信、石油、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

石墨接地體不僅可以做成電纜狀，直徑和長(zhǎng)度可以任意定制，還可以做成模塊和中空式,如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 電纜狀石墨接地體

圖4 模塊狀石墨接地體

圖5 中空式石墨接地體

首先，石墨接地體與土壤的物理結(jié)構(gòu)相似，能與土壤結(jié)合為一體，使接地體與土壤的有效接觸面積比金屬接地體大許多倍，增大了接地體的有效散流面積，極大地降低了接地體與土壤的接觸電阻，故能顯著提高接地效率，減少地網(wǎng)占用土地面積。

其次，它自身有很強(qiáng)的吸濕保濕能力，使它周圍的土壤保持濕潤(rùn)，保證接地模塊有效發(fā)揮導(dǎo)電作用,同時(shí)接地體中導(dǎo)電物的導(dǎo)電特性不受干濕度、高低溫等季節(jié)變化的影響，能提供穩(wěn)定的接地電阻。

再次，石墨接地體使電阻率相差巨大的金屬與土壤之間形成一個(gè)變化比較平緩的低電阻區(qū)域。當(dāng)大電流沖擊時(shí)，可降低接地體、接地線暫態(tài)電位梯度，降低跨步電壓和接觸電壓，減少發(fā)生地電位反擊的概率。

最后，石墨本身是抗腐蝕材料，總體抗腐蝕性能優(yōu)良，使用壽命可達(dá)50 a以上。

總而言之，石墨接地體可以任意連接其他材質(zhì)接地裝置，占地面積小、施工難度低、阻值穩(wěn)定，不需要每年對(duì)接地體進(jìn)行降阻處理，是鍍鋅鋼板、角鐵、扁鐵、鐵線和純銅體的優(yōu)質(zhì)替代品。

4 目前石墨接地體的種類

1) 長(zhǎng)效防雷石墨接地體。以鎳鉻不銹合金作基體，外表采用導(dǎo)電無(wú)紡石墨布，主要應(yīng)用在氯離子富集、鹽堿重的地方。它具有不生銹、不受腐蝕、接地電阻穩(wěn)定、與土壤能夠親密接觸等特性。

2) 納米碳離子石墨接地體。由先進(jìn)的納米碳離子填充劑組成，獨(dú)特的的離子緩釋技術(shù)，使接地降阻值效果不斷提升，并趨于最佳穩(wěn)定狀態(tài)，占地面積小，施工難度低。

3) 柔性石墨接地模塊。采用高碳膨脹石墨磷片、碳纖維及專用膠黏劑合成，耐老化、耐腐蝕、降阻值效果好，在使用過(guò)程中會(huì)跟土壤一起蠕動(dòng)，時(shí)間越長(zhǎng)，跟土壤的親和性就越好，在最快的時(shí)間內(nèi)將電流散泄到大地。

5 石墨接地體在煤礦中的應(yīng)用情況

1) 近幾年，集團(tuán)公司先以重要的線路桿塔為試點(diǎn)，對(duì)其接地裝置進(jìn)行了改進(jìn)，第一次使用了石墨接地體，取得了非常好的效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電業(yè)公司7座110 kV變電站、35座35 kV變電站、712.787 kV高壓線路遭受雷擊的次數(shù)下降了70%，并且每年不需要投入大量的人力和物力來(lái)對(duì)接地裝置進(jìn)行降阻處理。

2) 2018年，集團(tuán)公司又籌集資金，對(duì)73座礦井的主要通風(fēng)機(jī)、提人提升機(jī)、空氣壓縮機(jī)等重要負(fù)荷的接地體進(jìn)行了改造。由于大量使用了石墨接地體，對(duì)大型設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)起到了關(guān)鍵作用，不僅保證了煤礦工人的生命安全，還確保了礦井的安全生產(chǎn)。

3) 今年，計(jì)劃先在塔山礦的中央水泵房、中央變電所及各采掘配電點(diǎn)進(jìn)行嘗試，將石墨接地體應(yīng)用到煤礦井下。下半年，將在全集團(tuán)進(jìn)行推廣，充分利用石墨接地體的優(yōu)勢(shì)，將井下接地網(wǎng)任意點(diǎn)的電阻降到最低，使井下供電的保護(hù)接地有效可靠。

6 建議

隨著人們對(duì)石墨接地體的深入了解和認(rèn)識(shí)，它將在各行各業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，顛覆人們對(duì)傳統(tǒng)接地材料的認(rèn)識(shí)，并將改寫供電行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)《煤礦安全規(guī)程》對(duì)接地裝置的規(guī)定[5]。比如，每年春季防雷的時(shí)候，不需要對(duì)接地體進(jìn)行更換或降阻處理。但石墨接地體的不足之處，就是目前對(duì)其使用的規(guī)格尺寸還沒(méi)有明確的規(guī)定，價(jià)格相對(duì)較高。因此，建議有關(guān)部門，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，打破幾十年來(lái)的傳統(tǒng)觀念，對(duì)接地材料的選取進(jìn)一步組織調(diào)研，對(duì)石墨接地材料的使用規(guī)格做出明確規(guī)定。