等电位连接在井下接地系统中的研究与应用

2014-04-20王伟

中国煤炭 2014年8期

王伟

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京市西城区，100120）

随着我国煤矿机械自动化的发展，电气设备在井下的大量使用增加了人员发生触电事故的几率，同时由于煤矿井下存在生产条件较差、巷道空间不足以及空气潮湿等原因，人员一旦接触到漏电设备必然会造成严重的触电伤亡事故。设备漏电产生的电火花也有可能引起煤尘和瓦斯爆炸，造成重大的安全事故，因此接地保护对矿井的安全生产意义重大。

1 接地保护的工作原理

煤矿井下配电变压器为中性点不直接接地系统，在没有接地保护时，若人体接触到漏电设备的外壳，漏电电流通过人体流入大地，再经过电网对地绝缘阻抗形成回路，无接地保护时人员触电示意图见图1。

由图1可见，电网对地绝缘一切正常时，漏电设备对地电压很低，但在煤矿井下长期的生产运行中，当发生电网对地绝缘下降，对地绝缘阻抗降低，则通过人体的漏电电流值很可能远远超过人体安全极限电流（30 mA），造成人身触电事故，特别在煤矿井下，漏电电流还有可能引起煤尘和瓦斯爆炸等重大事故。

图1 无接地保护时人员触电示意图

为了避免各种因漏电而可能发生的事故，井下供配电系统必须设置有效的接地保护装置。当设有接地保护时，若人体接触到漏电的设备外壳，人体与接地装置形成并联电气回路，有接地保护时人员触电示意图见图2。

图2 有接地保护时人员触电示意图

由图2 可见，由于人体电阻远远大于接地电阻，所以漏电电流的绝大部分是经过接地装置流入大地的，而流过人体的漏电电流很小，远小于人体的安全极限电流值，因而保证了井下作业人员的人身安全。

2 煤矿井下普遍使用的接地做法及存在的问题

2.1 井下保护接地系统的构成

井下保护接地系统是由分布在井下各供配电点的保护接地装置通过接地导线连接起来，组成统一的保护接地网。根据煤矿相关规范的规定，井下需要设置保护接地装置的地点包括井下各变电所、配电点、电气设备硐室和高低压电缆接线盒等处。井下任意一处供配电点的保护接地装置的做法，都是由各电气设备引出接地支线，接地支线均连接至接地母线，由接地母线连接至接地极，再通过引至该供配电点的铠装电缆的金属外皮和橡套电缆的接地芯线将此处保护接地系统接入井下接地网。

2.2 井下普遍使用的接地做法

煤矿井下最常见的接地做法是沿着变电所或配电硐室的巷道壁敷设一根镀锌扁钢作为接地母线，该地点的所有电气设备以独立的接地支线连接至接地母线，接地支线与接地母线之间以焊接或螺栓连接，接地母线与接地极采用连续焊接的方式连接。

在一些临时的配电点，例如动力电缆接线盒处、采区排水点、小型绞车处、掘进头以及移动设备列车等处，也常采用以镀锌钢丝绳作为接地母线和接地支线，两端均分别压制铜线线鼻，电气设备、接地支线、接地母线与接地极之间均采用镀锌螺栓连接。

2.3 目前存在的问题

目前我国煤矿井下普遍使用的接地做法并不适用于井下所有的工作场合，尤其是作业环境较恶劣的场所容易出现安全隐患，存在的问题如下：

（1）井下的接地母线均是裸露敷设，所以接地母线和接地支线靠焊接或螺栓连接的连接点暴露在空气中，在井下长期使用的过程中，会有很多煤尘堆积在接地线上，加之空气潮湿很容易对接地母线与支线的连接点造成腐蚀，使得连接点出现虚接的现象，未能形成有效的电气通路，从而没有很好的保护接地系统。

（2）在移动设备列车和掘进头配电点这样需要频繁搬迁设备的场合，由于接地母线较长又没有防护罩，很容易在搬迁设备的过程中磕碰到接地母线，对接地母线造成机械性损伤，且时常伴有落煤和落石现象，砸到没有防护的接地母线就有可能造成接地线的机械性损伤，也可能造成接地母线与支线连接点的松动。井下多数供配电点都敷设有两根接地母线，即局部接地母线和辅助接地母线，在一些照明条件不佳的场合，容易出现将设备的局部接地线和辅助接地线接错的现象。

（3）由于接地母线较长且需使用专用支架敷设在固定的巷道壁上，所以接地母线要求敷设平整，然而在井下除了大巷、变电所和一些固定配电点等处的巷道壁较为平整外，很多场所的巷道壁都是凹凸不平的，而母线支架都是统一制作，这就使得接地母线不能平整沿巷道壁敷设，在安装施工过程中造成了不小的困难，安装时会使用几段镀锌扁钢靠焊接或螺栓连接在一起形成一根接地母线，在巷道不平整的时候，由于受力不均匀也增加了接地母线机械损伤的风险。

3 井下等电位连接

3.1 井下等电位连接的原理和优点

等电位连接简单来说就是将建筑物内所有的金属构件的接地线统一用电气连接的方法连接起来，使整个建筑物形成一个良好的等电位体，可以降低建筑物内间接接触电压以及不同金属物间的电位差，消除经电缆线路和金属管道引入的故障电压的危害。而井下等电位连接，也就是将井下供配电点内的所有金属构件连接起来，形成一个良好的等电位体，由于井下作业环境复杂，各类金属构件又较多，各种金属管道和轨道等与电缆在同一巷道中平行敷设数公里，一旦电气设备或电缆发生漏电故障引起其它金属构件带电，就有可能造成重大的安全事故。

等电位连接的做法，是通过等电位连接线将金属管道和轨道等金属构件与大地连接形成一个良好的等电位体，各金属构件之间便不会因为存在较大的电位差而引起电火花。当人员触碰到已经带电的金属构件时，因为金属构件与大地之间的电位差很小，则施加在人体的漏电电压值就很小，流过人体的电流值会远小于安全极限的电流值。

井下等电位连接还可以起到静电防护的作用，由于井下金属设备较多，则可能因感应和摩擦等原因产生静电，容易产生火花放电引起煤尘和瓦斯爆炸，做好等电位连接可以将静电电荷通过接地装置流入大地，从而防治和降低了静电危害。

3.2 井下等电位连接的两种做法

针对煤矿井下普遍接地做法所引起的诸多问题，经过研究井下保护接地系统的特点，考察现场实际应用的需求，提出了将等电位连接这一概念和做法运用在井下的接地系统中。煤矿井下的等电位连接根据不同的安装地点分为以下两种做法：

（1）在环境比较恶劣的条件下，供配电点等场所的等电位连接做法，是在供配电点内挂壁处安装1台带防护罩的等电位连接端子箱，将所有电气设备的金属外壳或接地端子、进出供配电点的电缆金属屏蔽层、金属管道和金属轨道等金属构件用独立的接地支线接至等电位端子箱，再由等电位端子箱引出接地母线至接地极，接地线与等电位端子板采用螺栓连接。

该做法与原来接地的做法最大的区别就是使用等电位连接端子箱取代了在供配电点内敷设的接地母线段，很好解决原有接地做法的弊端。由于等电位端子箱带有护罩，可以避免因煤尘堆积、淋水等原因造成的接地连接点腐蚀而引起的电气连接故障，还大大降低了因为设备搬迁以及落石和落煤等原因造成的机械性损伤。在等电位端子箱和辅助接地端子箱上均设有明显的标识，接线简单方便，不易出现将局部接地线和辅助接地线接错的问题。端子箱体积小，安装简单，对安装环境要求小。

（2）在变电所和固定供配电点等安装使用环境较为简单场所的做法，依然采用沿巷道壁敷设一整根镀锌扁钢作为接地母线，将所有的接地支线均接至接地母线后再接至接地极。

与原接地做法的区别是除了需要正常接地的电气设备和电缆金属屏蔽层等外，还将进出变电所或供配电点的金属水管、风管及金属轨道等金属构件也用接地导线边接至接地母线。这时接地母线就起到了等电位端子板的作用，将该变电所或供配电点形成一个良好的等电位体。

3.3 井下等电位连接的实际应用案例及问题

井下等电位连接的做法首先应用在陕西的柠条塔煤矿，经过现场的实际考察后发现等电位连接做法安全、可靠、实用，解决了原有接地做法会出现的诸多实际问题。尤其是在条件恶劣的应用场所，等电位端子箱的使用为整个接地保护系统提供了可靠的防护措施，解决了重大的安全隐患问题。此后，又陆续在陕西的小庄矿和雅店矿以及山西的常村矿和高河矿等煤矿井下使用了等电位连接的做法，效果同样得到了实践的肯定。

另外，井下等电位连接应该可以起到抑制井下交流杂散电流的作用，但实际应用效果还待继续研究和实验。