酒鋼西溝礦采場供電系統接地方案探討

任 毅

(酒鋼集團宏興股份公司西溝礦)

露天采場供電系統的接地是保證采場電動采礦設備正常運轉的前提與基礎。尤其對于在高海拔高嚴寒地區的礦山而言，供電系統接地可靠有效對于采礦設備尤為顯得重要。由于供電系統接地缺失或者是接地系統不完善導致的設備事故和安全生產事故頻發，嚴重威脅了露天采場礦工的人身安全和正常的采礦生產。因此，保證露天采場供電系統接地的有效運行，避免出現雷雨季和高壓供電線路出現故障時可能發生的設備故障和人身安全事故，已經成為露天采礦行業亟待解決的問題之一[1-3]。本研究主要以酒鋼西溝礦采場供電系統的接地為對象，通過技術人員不斷現場踏勘和試驗，將西溝礦采場供電系統接地電阻降至2 Ω左右。經專業檢測機構檢測驗收，符合國家有關標準和要求。

1 現狀分析

西溝礦采場海拔3 200 m左右，采場主要采掘礦石為石灰石礦，基本沒有黏土，根據現場多次測定，該采場區域的電阻率約為400～1 000 Ω·m，遠遠大于普通地區的土壤電阻率(70～100 Ω·m)。因此，采用普通降低電阻的方法在該區域制作接地系統的方法必不可行。同時，在國家大力倡導綠色發展的時代背景下，綠色礦山建設是當前礦山企業發展的必經之路[4]，而綠色礦山的首要條件必須依法合規，其中《金屬非金屬礦山安全規程》中5.8.6.14規定“露天采礦場主接地極的設置，應符合下列規定：采礦場的主接地極應不少于2組，有2組及以上主接地極時，當任一組主接地極斷開后，在架空接地線上任一點所測得的對地電阻值應不大于4 Ω”。

2 降阻設計方案對比

參照《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》(GB 50169—2006)3.2.10說明：“在高土壤電阻率地區，接地裝置的接地電阻很難達到要求時，采用外擴接地網、深井接地極、多層接地或電解離子接地極等措施來降低接地電阻。”因此，在西溝礦采場采用向土壤施放電解質的方法來降低土壤電阻率[5-7]，同時選用了一種離子接地棒，兩者互相結合，保證西溝礦采場供電系統接地電阻滿足要求。現將不同降阻方案介紹如下。

2.1 一般降阻方案分析

由于該地區為高土壤電阻率地區接地電阻很難降下來，如果采用電阻率較低的材料，將接地網內的所有土壤改良劑來替換，并輔助打多口深井，即將接地網等效于一個半球接地體，如圖1所示。

圖1 半球接地體

其中，r為半球接地體的半徑，m；ρ為電阻率，Ω·m。其接地電阻R的公式：

(1)

取最高現場土壤電阻率ρ=2 000 Ω·m，假設將接地電阻值降到R=1 Ω，需將半球接地體的半徑r擴至318.47 m。 如用打深井釋放土壤改良劑，則應打若干個159.23 m的深井，這樣做成本很高，且仍占用較多空閑區域，顯然也不是理想的解決辦法。從半球接地電阻公式可知，如果能將大于接地半球r的土壤電阻率降下來，接地電阻值R就可以降下來。

2.2 單獨離子棒將阻方案分析

設N為要達到的接地電阻設計值R所需的防腐電解地極的數量，則

(2)

式中，R0為原地網的接地電阻，Ω；R為地網設計接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；N為離子棒數量；k為系數，當ρ<200 Ω·m，k取3，200≤ρ<500 Ω·m，k取4，500≤ρ<1 000 Ω·m，k取4.5，ρ≥1 000 Ω·m，k取5。

最高土壤電阻率ρ=2 000 Ω·m，k取5,R0=70 Ω，假設R=1 Ω。離子棒套數N=32根。

選用32根離子接地棒作為接地極價格較高，同時施工難度較大，故此方案不太可取。

2.3 離子棒和土壤改良劑結合方案分析

最終設計方案：設計采用L型作為主接地網，共2組，每組長度100 m的水平接地加垂直接地，其中運用鉆井法將離子接地棒放置深9 m的鉆孔中，作為垂直接地極，配合土壤改良劑，水平接地極采用鍍銅扁鋼，在地面將水平接地極與垂直埋入的離子接地棒通過放熱焊接進行連接，將土壤改良劑鋪灑至地網表面，回埋完成地網，再與西溝礦現場原有的2組地網進行可靠連接，最終形成為4個獨立地網并聯接地，圖2為新增主接地網(2組)。

圖2 新增主接地網

根據現場勘察情況，接地體與土壤的接觸不是很好，難以達到應有接地效果。選取在采場相對土壤電阻率較低的區域進行接地裝置的制作，經現場檢測，西溝礦采場入口處土壤電阻率較低，約為1 000 Ω.m。考慮實際采用離子接地棒和土壤改良劑，土壤改良劑每袋為25 kg，接地網為長100 m的“L”形狀，共2組。每組地網長度100 m，溝槽開挖深d=1.2 m，寬h=1.0 m，水平接地電阻RL和垂直電阻RV計算公式如下。

(3)

(4)

式中，L為接地網長度，m；A為水平接地極形狀系數；l為埋設深度，m；d為接地極直徑，m。

水平接地極形狀系數見表1。

表1 水平接地極形狀系數 A

最終確定西溝礦采場供電系統接地電阻約為1.82 Ω，滿足國家法律規定的強制性要求，保證采場設備設施的可靠和有效運行。

3 接地材料說明

3.1 水平接地極

鍍銅扁鋼是由電鍍技術在低碳鋼上電鍍純度為99.9%以上的電解銅而成，鍍銅層各點厚度為0.254 mm以上。特點如下：①耐腐蝕性強，使用壽命長達50 a以上；②具有優良的導電性能，自身電阻遠遠低于常規材料；③適用于不同濕度、溫度及pH值的土壤條件；④對比傳統上采用純銅材料接地，成本大幅度下降。

3.2 垂直接地極

SSS-離子接地棒是一種高效、價優的復合超導防雷接地產品，具有較高的復合超導的防腐蝕率，從而保證地網穩定高效的運作。該離子棒總長9 m，特點如下。

(1)降阻高效。采用多層降阻結構，在有限區域達到最佳綜合降阻效果。

(2)接地電阻穩定。內置長效緩釋劑，主要物質是導電離子，靠導電離子導電，電極單元還將不斷向周圍土壤中釋放導電離子，改善接地體周圍的土壤，接地電阻隨季節變化影響較小。

(3)使用壽命長。電極單元內外均做防腐處理，外置離子導電劑能緊密包裹，同時對電極單元有緩釋作用。

(4)安全性高。本接地裝置設計有泄流環結構，能有效降低大電流，保障地面人員安全。

(5)安裝不需要水。特別適合于野外、高山、戈壁灘等缺水的施工現場；安裝非常方便，納米碳電極單元可豎直安裝，開挖量少。

(6)綠色環保。本接地裝置所用的一切材料均無毒無污染。

3.3 土壤改良劑

土壤改良劑致力于接地降阻的整體方案。尤其適用于戈壁灘、巖石等復雜地質條件下的接地。特點如下。

(1)速效降阻。埋入地下后，該產品釋放到土壤中，可以很快發生作用，特別是在高土壤電阻率地區，降阻效果尤其明顯。使用本降阻劑，可使原接地極降阻60%～90%。

(2)潛深接地。釋放到土壤中，可以逐漸深入到土壤的深處，達到電極長度的十到幾十倍，達到潛深接地降阻的效果。

(3)導電防腐。本改良劑的pH值為8，中性略微偏堿性，對接地體有鈍性保護、緩蝕保護和覆蓋層保護作用；其次，本改良劑含鋅及其化合物，對接地鋼材還具有陰極保護作用。因而采用本改良劑包裹接地極，不僅能夠降阻，而且還能有效地防止地網腐敗。

(4)接地穩定。土壤改良劑改良土壤性能，保證了接地電阻無論氣候條件、無論季節變化或者降雨變化等，均可保證接地電阻穩定。本改良劑導電性不受酸、堿、鹽及溫度、濕度條件影響，不會因地下水位下降或天氣干旱而降低導電性。

(5)采用本改良劑包裹的接地極(體、線)制作的地網，受氣象、季節、環境、土壤等因數影響較小，Rmax/R≤1.36，接地阻值穩定。

4 結 語

通過露天采場供電系統接地裝置的制作，有效保證采礦設備接地裝置的正常運行，避免設備供電系統引發接地故障而引起的設備和人身傷害事故，有效保證崗位作業人員的人身安全，提升露天采場的本質安全水平。由于西溝礦采場地質干燥，采用其它接地方案均未能達到預期效果，而該接地方案選用的接地材料具有廉價易購、易導電、性能穩定、耐腐蝕和易于施工等特點，該項目實施后，西溝礦采場供電系統滿足《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)2018版的強制性規定，滿足國家級綠色礦山依法合規的基本要求，為西溝礦順利進入國家級綠色礦山名錄做出前期鋪墊。