直流架線電機車雜散電流的危害防治與監(jiān)測

趙 勵

(晉城乾泰安全技術有限責任公司，山西 晉城 048006)

0 引言

在煤礦供電系統(tǒng)中，電流并不總是絕對約束在架空線路、電力電纜或軌道中傳導，在某些情況下，部分電流會在上述導體與土壤、管道等非導電體形成的回路中傳導，這部分電流稱之為雜散電流。雜散電流形成的原因不同，可以分為直流雜散電流和交流雜散電流。由煤礦井下低壓電網(wǎng)零序電流產生的雜散電流為交流雜散電流，由于這種供電系統(tǒng)的供電范圍小、功率不大，因此交流雜散電流的危害一般有限。在直流架線電機車供電系統(tǒng)負極回路中，導軌與地面之間的泄漏電流為直流雜散電流，其危害較大。因此，研究直流架線電機車供電系統(tǒng)中雜散電流的危害，并采取技術手段對其進行防治，不僅能夠提高直流架線電機車供電系統(tǒng)的安全性，而且能夠保護周圍設施設備不被腐蝕，對煤礦安全生產具有現(xiàn)實意義。

1 直流雜散電流成因

架線式電機車常用于煤礦低瓦斯進風大巷的煤炭轉運中，供電系統(tǒng)及其雜散電流示意圖如圖1所示。電機車由直流系統(tǒng)供電，位于牽引變電所的直流電源正極接在架空線路上，通過受電弓對電機車的牽引電機正極供電，電機負極通過道軌與直流電源負極連接，形成閉合回路。由于實際情況下巷道環(huán)境復雜，經(jīng)常出現(xiàn)積水或者粉塵，一部分負極電流會經(jīng)過土壤、金屬管路、積水等高阻回路或絕緣接頭回到直流電源負極，形成雜散電流。根據(jù)雜散電流形成的原因可知，雜散電流受兩方面影響：①道軌電阻越小，雜散電流越??；②道軌與地的接觸電阻越大，雜散電流越小。

圖1 礦井直流架線電機車供電系統(tǒng)及其雜散電流示意圖

2 直流雜散電流的危害

(1)引起電雷管爆炸。電雷管是采掘工作面爆破施工中用于引爆炸藥的裝置，其正負極之間存在1.5 V的電勢差就可能滿足其引爆電流，從而發(fā)生爆炸。當電機車道軌附近的金屬管道上流過雜散電流時，會對負極體道軌產生電勢差，若電雷管的正、負極引線分別接觸到金屬管道和負極體道軌，即有可能引起電雷管的爆炸，產生嚴重后果。

(2)引起瓦斯爆炸或煤塵爆炸。金屬材料與帶電體之間的碰撞容易產生電火花，放電電壓可高達50 V。電火花高壓放電會產生高溫，當環(huán)境中的瓦斯或煤塵濃度超過一定濃度時極易引發(fā)瓦斯爆炸或煤塵爆炸。

(3)腐蝕金屬管道和鎧裝電纜。運輸大巷中的通風管道和排水管道常采用金屬管道，高壓電力電纜可能采用鎧裝電纜，這些金屬材料可能流過雜散電流。礦井中潮氣較重，很容易形成積水，混合酸性物質形成天然電解液。當金屬管道或鎧裝電纜中存在雜散電流時，雜散電流回路就形成了電解槽，金屬管道和鎧裝電纜的陽極區(qū)腐蝕嚴重，長期作用下可能破壞其結構。鎧裝電纜的絕緣一旦被破壞，可能發(fā)生供電系統(tǒng)接地或短路等故障。

(4)保護和監(jiān)控誤動作。井下的漏電保護裝置可能誤將雜散電流判斷為發(fā)生了接地故障，從而動作跳閘。雜散電流竄入監(jiān)控系統(tǒng)控制回路中會影響傳輸信號的質量，甚至可能發(fā)出錯誤斷電信號引起停電事故。

3 直流雜散電流的防治與監(jiān)測

雜散電流對煤礦安全生產具有嚴重危害，必須采取防治措施，必要時還應當對雜散電流進行監(jiān)測。

3.1 防治

(1)減小道軌電阻。雜散電流的大小與道軌縱向電阻值成正比，道軌縱向電阻值越小，負極泄漏的雜散電流越小。因此設計電機車道軌時，采用電阻率小的鋼材，增加單節(jié)道軌長度以減少接頭?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：平行鋼軌應每隔50 m連接一條截面不小于50 mm2的銅導線，進風大巷道軌采用10 m長軌，道軌與道軌的接縫處采用圓鋼焊接，在回電道軌與不回電道軌間加裝長度不小于一列車長度、絕緣電阻不小于50 kΩ的絕緣裝置，以免被列車短路。

(2)增大道軌與大地的接觸電阻。雜散電流的大小與道軌與大地接觸電阻成反比，接觸電阻越大，雜散電流越小。軌枕材料、道軌與軌枕的絕緣水平、路基材料以及環(huán)境是否存在積水等，都是接觸電阻的重要影響因素。可采取的治理措施有：優(yōu)先選擇電阻率大的木質軌枕；道軌與軌枕設置絕緣層；采用碎石鋪設或混凝土澆筑路基；疏通巷道排水溝保持路面無積水。

(3)對供電系統(tǒng)進行改造。雜散電流的大小與電流和電機車到變電所的距離成正比，因此可采用提高供電電壓以減小電流、增設變電所以減小供電半徑等方式減小雜散電流。7噸電機車供電電壓一般為250 V或550 V，地鐵牽引供電電壓一般采用750 V或1 500 V，在同樣的傳輸功率下，如果提高電機車供電電壓，供電電流相應降低，雜散電流也隨之降低。變電所設置在架線區(qū)中央，或者增設變電所，將供電半徑限制在1 500 m以內，可有效減小雜散電流。

(4)設置排流網(wǎng)或回流點。用結構鋼筋將道軌與金屬管道或鎧裝電纜隔離，并且設置絕緣隔板將結構鋼筋與其他建筑隔離，既能夠保護金屬管道或鎧裝電纜不受雜散電流腐蝕，還能避免排流網(wǎng)中的雜散電流侵入其他建筑。當發(fā)現(xiàn)金屬管道或鎧裝電纜電位較高時，可用導線將其與直流電源負極導通，回流點直接將雜散電流引入變電所負極，減小雜散電流的傳播范圍。

(5)陰極保護。陰極保護是采取一定措施保護陰極材料不受電解腐蝕，陰極保護法包括犧牲陽極法和外加電流法兩種。犧牲陽極法是在被腐蝕的金屬體表面附加化學性質更加活潑的鎂、鋁等金屬，被保護的金屬從活潑金屬中獲取電子從而免受電腐蝕。外加電流法是通過外加直流電源，正極接特定材料，負極接被保護金屬體，在電源作用下被保護金屬體處于陰極電位而免受電腐蝕。

3.2 監(jiān)測

對雜散電流監(jiān)測能夠使工作人員通過計算機系統(tǒng)實時查詢雜散電流相關參數(shù)信息，對雜散電流的防護起到輔助決策作用。目前雜散電流還沒有直接的測量手段，一般采用多個參數(shù)間接反映雜散電流大小的方法。道軌電壓、道軌縱向電阻、道軌過渡電阻和要求被保護的金屬體電位等參數(shù)，能夠間接為操作人員提供雜散電流的概況信息，為雜散電流的防治工作提供參考。

4 結論

礦井直流架線電機車的供電系統(tǒng)能夠產生直流雜散電流，雜散電流對煤礦安全具有多方面危害，應當采取必要措施進行防治。在直流架線車供電系統(tǒng)、道軌、路基和排水等設施設計初期應將雜散電流防護考慮在內，防患于未然。在礦井日常安全維護工作中應對絕緣檢查維護、接地檢查維護和排水溝檢查維護等工作重視起來，減小雜散電流。如果雜散電流過大，應及時采取技術改造等措施進行防治。