直流架線電機(jī)車雜散電流的危害防治與監(jiān)測(cè)

趙 勵(lì)

(晉城乾泰安全技術(shù)有限責(zé)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(duì)約束在架空線路、電力電纜或軌道中傳導(dǎo)，在某些情況下，部分電流會(huì)在上述導(dǎo)體與土壤、管道等非導(dǎo)電體形成的回路中傳導(dǎo)，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(chǎn)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(jī)車供電系統(tǒng)負(fù)極回路中，導(dǎo)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(jī)車供電系統(tǒng)中雜散電流的危害，并采取技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行防治，不僅能夠提高直流架線電機(jī)車供電系統(tǒng)的安全性，而且能夠保護(hù)周圍設(shè)施設(shè)備不被腐蝕，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 直流雜散電流成因

架線式電機(jī)車常用于煤礦低瓦斯進(jìn)風(fēng)大巷的煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)中，供電系統(tǒng)及其雜散電流示意圖如圖1所示。電機(jī)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(duì)電機(jī)車的牽引電機(jī)正極供電，電機(jī)負(fù)極通過道軌與直流電源負(fù)極連接，形成閉合回路。由于實(shí)際情況下巷道環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)積水或者粉塵，一部分負(fù)極電流會(huì)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(fù)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，雜散電流越小；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(jī)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(fù)極之間存在1.5 V的電勢(shì)差就可能滿足其引爆電流，從而發(fā)生爆炸。當(dāng)電機(jī)車道軌附近的金屬管道上流過雜散電流時(shí)，會(huì)對(duì)負(fù)極體道軌產(chǎn)生電勢(shì)差，若電雷管的正、負(fù)極引線分別接觸到金屬管道和負(fù)極體道軌，即有可能引起電雷管的爆炸，產(chǎn)生嚴(yán)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(chǎn)生電火花，放電電壓可高達(dá)50 V。電火花高壓放電會(huì)產(chǎn)生高溫，當(dāng)環(huán)境中的瓦斯或煤塵濃度超過一定濃度時(shí)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(yùn)輸大巷中的通風(fēng)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(zhì)形成天然電解液。當(dāng)金屬管道或鎧裝電纜中存在雜散電流時(shí)，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(yán)重，長(zhǎng)期作用下可能破壞其結(jié)構(gòu)。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(hù)和監(jiān)控誤動(dòng)作。井下的漏電保護(hù)裝置可能誤將雜散電流判斷為發(fā)生了接地故障，從而動(dòng)作跳閘。雜散電流竄入監(jiān)控系統(tǒng)控制回路中會(huì)影響傳輸信號(hào)的質(zhì)量，甚至可能發(fā)出錯(cuò)誤斷電信號(hào)引起停電事故。

3 直流雜散電流的防治與監(jiān)測(cè)

雜散電流對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有嚴(yán)重危害，必須采取防治措施，必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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(fù)極泄漏的雜散電流越小。因此設(shè)計(jì)電機(jī)車道軌時(shí)，采用電阻率小的鋼材，增加單節(jié)道軌長(zhǎng)度以減少接頭。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：平行鋼軌應(yīng)每隔50 m連接一條截面不小于50 mm2的銅導(dǎo)線，進(jìn)風(fēng)大巷道軌采用10 m長(zhǎng)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(zhǎng)度不小于一列車長(zhǎng)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(zhì)軌枕；道軌與軌枕設(shè)置絕緣層；采用碎石鋪設(shè)或混凝土澆筑路基；疏通巷道排水溝保持路面無積水。

(3)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。雜散電流的大小與電流和電機(jī)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(shè)變電所以減小供電半徑等方式減小雜散電流。7噸電機(jī)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(jī)車供電電壓，供電電流相應(yīng)降低，雜散電流也隨之降低。變電所設(shè)置在架線區(qū)中央，或者增設(shè)變電所，將供電半徑限制在1 500 m以內(nèi)，可有效減小雜散電流。

(4)設(shè)置排流網(wǎng)或回流點(diǎn)。用結(jié)構(gòu)鋼筋將道軌與金屬管道或鎧裝電纜隔離，并且設(shè)置絕緣隔板將結(jié)構(gòu)鋼筋與其他建筑隔離，既能夠保護(hù)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(dāng)發(fā)現(xiàn)金屬管道或鎧裝電纜電位較高時(shí)，可用導(dǎo)線將其與直流電源負(fù)極導(dǎo)通，回流點(diǎn)直接將雜散電流引入變電所負(fù)極，減小雜散電流的傳播范圍。

(5)陰極保護(hù)。陰極保護(hù)是采取一定措施保護(hù)陰極材料不受電解腐蝕，陰極保護(hù)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(xué)性質(zhì)更加活潑的鎂、鋁等金屬，被保護(hù)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(fù)極接被保護(hù)金屬體，在電源作用下被保護(hù)金屬體處于陰極電位而免受電腐蝕。

3.2 監(jiān)測(cè)

對(duì)雜散電流監(jiān)測(cè)能夠使工作人員通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢雜散電流相關(guān)參數(shù)信息，對(duì)雜散電流的防護(hù)起到輔助決策作用。目前雜散電流還沒有直接的測(cè)量手段，一般采用多個(gè)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(hù)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(jié)論

礦井直流架線電機(jī)車的供電系統(tǒng)能夠產(chǎn)生直流雜散電流，雜散電流對(duì)煤礦安全具有多方面危害，應(yīng)當(dāng)采取必要措施進(jìn)行防治。在直流架線車供電系統(tǒng)、道軌、路基和排水等設(shè)施設(shè)計(jì)初期應(yīng)將雜散電流防護(hù)考慮在內(nèi)，防患于未然。在礦井日常安全維護(hù)工作中應(yīng)對(duì)絕緣檢查維護(hù)、接地檢查維護(hù)和排水溝檢查維護(hù)等工作重視起來，減小雜散電流。如果雜散電流過大，應(yīng)及時(shí)采取技術(shù)改造等措施進(jìn)行防治。