煤矿电气控制系统及保护接地问题分析

陈于

摘要：煤矿生产特殊的工作环境，决定了井下供电系统的特殊性。随着现在城市电缆电路的进一步增多，单纯地采取中性点经消弧线圈接地方式很难彻底消除接地故障点的电弧。文章就目前煤矿电气控制系统保护接地问题进行了探讨，包括电控系统失控和漏电引爆雷管等问题，并从实现接地智能化、完善漏电保护装置和加强保护接地措施等方面阐述了煤炭开采中电气控制系统及保护接地的完善方式，为后期实现煤矿电气设备有效运行奠定基础。

Abstract： The special working environment of coal mine determines the particularity of underground power supply system. With the further increase of the city cable circuit， it is very difficult to eliminate the arc of the ground fault point simply by taking the neutral point through the arc suppression coil grounding mode. This paper discusses the problems of protection grounding in the electric control system of coal mine， including the electronic control system out of control and leakage of detonators and other issues. And from realizing intelligent grounding， improving the leakage protection device and strengthening the protection of grounding measures and other aspects， the perfect way of electrical control system and protection grounding in the coal mining are expounded to realize the effective operation of coal mine electrical equipment.

關键词：煤矿；电气控制；保护接地；问题

Key words：coal mine；electric control；protection grounding；problem

中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0115-3

0 引言

煤炭是我国的重要能源之一，在我国的经济发展过程中，煤炭行业的发展对我国国民经济的发展至关重要。由于煤矿生产环境的恶劣，井下采掘作业存在诸多安全隐患，尤其在煤矿电气系统的运行过程中，一旦电气系统出现故障，不但会终止煤炭的开采，而且还会造成严重的安全事故，给人民的生命财产安全带来威胁。因此，及时发现煤矿电气系统中的安全隐患，及时的预防并加以改进至关重要。这对于煤矿安全生产有着非常重要的意义。这样，不但保障了人民的生命财产安全，而且也提升了企业的经济效益。

1 煤矿电气控制电路发生故障的危害

随着科技的不断发展，企业的机械化程度越来越高，煤矿企业在开采过程中会使用许多大功率机器来保证开采的顺利进行。而大功率机器的正常运行需要设备的电气控制电路来保证。煤矿开采地方的用电量比较大，再加上设备的复杂化，很容易在煤矿开采的过程中发生故障。同时，电气控制电路控制着整个电气系统，一旦电路中出现了问题，整个电气系统都无法进行作业。电气故障的发生会给煤矿企业造成经济上的损失。

1.1 电气控制系统失灵

电气控制系统是煤矿生产作业中电气系统最重要的组成部分。施工设备就是通过电气控制系统的控制来进行作业的。煤矿的正常开采也是在电气控制系统的操控下进行。因此，电气控制系统在工作过程中一旦出现故障，整体的开采设备也将无法运行。突然终止的开采设备很容易引发安全事故，造成人员的伤亡和财产的损失。

1.2 漏电引爆雷管

在煤矿生产中采掘作业常常会遇到质地坚硬的煤层或岩层，造成采煤机难以向前推进，需要进行雷管爆破来保证正常开采进度。但是由于采矿作业工序复杂，会用到管道、轨道、输送机等多种设备，为了确保作业活动顺利开展，雷管爆破所用导电体通常沿轨道铺设，爆破过程中现场如果产生杂散电流，管道、轨道及输送机等导体与大地之间就极易形成强烈的电位差，对现场人员和设备造成极大的安全威胁。假设采掘巷道内轨道绝缘，杂散电压就会不断升高直至可能引爆雷管，这对现场作业来说无疑是极大的安全隐患。

2 煤矿电气控制电路的常见故障及其产生原因

2.1 短路

短路故障，即在不同电位之间，未通过消耗电阻或电损设备的条件下直接连通，造成电路断电，无法正常工作的一种电力故障。在实际工况中，线路短路的原因往往是多个方面造成。比如，线缆老化，绝缘失效，受外界环境影响线路损坏，导致绝缘破损，最终引起短路；设备磨损造成设备线路之间出现不同电位线路接触，进而引起线路短路；在煤矿定期设备检修与维护工作中，电气工人违规操作往往也是造成电气短路的主要原因。在线路发生短路故障后，线路中会产生瞬间过电流现象，在电流过大或者瞬间过电流持续时间较长的情况下，电气设备就会被烧毁，同时会波及其它部分设备。若不及尽快排除故障，就可能波及整个电气系统，造成全矿的电气系统整体瘫痪。

2.2 电控系统失控

加强煤矿电气控制电路的安全管控，不仅是保障井下开采作业顺利进行的前提条件，更是保障井下作业人员、设备安全的必要措施。煤矿电气控制线路是电控系统远程操控的有效载体，如果线路不能正常工作，就会导致电控系统的操控指令无法有效传递给终端设备，并且有可能导致全矿的电控系统整体失效，影响矿井的正常生产秩序，并有可能造成巨大的经济损失。

2.3 引爆雷管

当前，井下炮采作业通常会用到雷管。雷管一般放置在作业面附近，以备随时取用。作业面的轨道、带式输送机的钢丝绳及各种管道等沿巷道敷设的导体中一旦有杂散电流通过，它们与大地及接地网中的接地体之间就会形成强烈的电位差，即通常所说的杂散电压。在采掘巷道内轨道与有架线电机车运行的运输大巷的轨道绝缘不彻底的情况下，杂散电压就会不断升高。如果雷管两根脚线与存在杂散电压的两极恰好接触，就会引爆雷管，造成重大安全事故。

2.4 硬件问题

硬件是指与煤矿生产、运输等有关的一切辅助的仪器、仪表和控制设备。这些基本的硬件是保障煤矿安全生产的重要基础，但由于很多企业的资金和人员投入有限，一方面硬件本身技术不能达到要求，另一方面这些硬件的后期维护也无法满足要求，进而导致由硬件技术引发的安全事故。

3 煤矿电气控制系统及保护接地问题控制分析

3.1 煤矿开采中接地方式分析

3.1.1 保护接地

保护接地，即在电气设备遭受外界干扰时，为避免系统损害而设置的一种安全接地模式。目前这种接地方式被广泛用在煤矿机电设备的安全防护系统中。它可将电气系统中不带电的金属部分与地面形成导电连接，当在不带电金属部分由于设备漏电而带电时，可防止人或设备受到安全威胁。

3.1.2 工作接地

工作接地目前常用在煤矿电气设备安全防护系统中，用于保护机电设备的性能不被外界干扰因素破坏。具体来说，工作接地能够确保在外部环境中工作的测量仪表始终维持精确的精度，可实现对矿用機电设备的动态管理，从而确保设备性能稳定。

3.2 防雷接地

矿区一般处于空旷的野外，遭受雷击风险较高，一旦发生雷击，造成电压的叠加，将会使得强大的电压、电流沿着供电线路输送到井下，从而使供电线路和机电设备造成危害，而设置防雷接地可实现将雷电通过避雷针、避雷带、避雷网和防雷装置等引入大地，使其煤炭设备及生产过程免受伤害。

3.3 通过低压电网加强电气防爆

以往，煤矿企业常常采用“点”式电气防爆设计。这种传统设计虽然可确保防爆点相互独立，但整体防爆功能较弱。建议安装快速断电装置以达到整体防爆效果。在电力系统中装配快速断电装置，可使其与矿井现有电气安全设计有机整合，构成一套全方位、立体化的防爆结构。在电气系统突发故障后，可依靠快速断电装置将故障线路断开，保障其他电缆线路不受干扰。该装置由快速断电真空反馈开关、快速断电移动变电站等部件组成。它在煤矿电气系统中的应用，能够有效提高故障电网的断电效率，从而确保在未出现明火之前将线路快速切断，避免明火引起瓦斯爆炸。从安全角度来讲，快速断电装置能够为煤矿的生产活动提供更多安全保障。

3.4 低压电网的“全方位”防爆

上文已述，以往煤矿多采用“点”式传统电气防爆设计，无法达到整体防火防爆效果。现代煤矿电气防爆设计要求构建一套具有整体防火防爆功能的低压电网的“全方位”防爆体系。早在20世纪，我国就成功研发了具有国际水准的快速断电装置，如各种快速断电真空馈电开关、快速断电移动变电站等电源开关组合装置等，这些装置在煤矿、电力等工业领域得到了广泛应用。这种装置的特点是能够在出现明火前将故障电源及时切断，避免了故障危害进一步蔓延。但是由于电气系统中装有储能元件，即时切断故障电源，仍不能保证故障点不会出现电弧或明火。因此，在电气故障维护中必须根据电动机反电势的产生及衰减规律来彻底解决能量吸收的问题，以期使快速断电技术进一步完善。

3.5 地面供电系统管理技术

作为整个煤矿的核心电气设备，地面供电系统的故障预防与管理工作也十分关键。在实际运行环境中，该核心部分通常会出现电网停电故障、电网接地故障、洪涝电路故障等。这些故障都可能引发井下大规模停电事故，煤矿企业也会因此蒙受重大经济损失。因此，在生产作业过程中，必须定期或不定期对电气设备进行检修与维护。采矿企业可以从矿井的回路电源设置开始进行设备维护。通常情况下，矿井至少有两条电气回路，当其中一条出现故障后，另一条回路可替换使用。在进行回路设置时，首先应该确保突发故障前地面供电系统中至少有两条线路能维持正常运行。在回路保护动作被触发后，至少有一条线路正常供电。当供电系统的主保护与主线路突发故障后，须及时进行线路排障并设置线路保护措施，以确保电气设备不受影响。

矿井供电线路应该严格根据国家标准规范及规程来进行敷设或架设，特别是导线选型、杆塔型式、线路布置等都必须符合安全控制标准，对于矿井电源线路上严禁装设负荷定量器等各种限电断电装置。另外，不宜在储气开采区、滑坡区、塌陷区等危险地带架设电源线；架设线缆的塔杆要按要求隔开一定的距离，并且要满足“基础稳定、不倾斜、排水通畅”的要求，钢混结构的杆塔不能有裂缝；要配套安装防震锤、护线条等工具，以防线路共振；备用线路与运行线路必须负载一致，且线路之间要能灵活切换，以备在故障发生时能够及时启用备用线路恢复正常供电。

3.6 接地变压器的特性

以Z型接线为主的接地变压器，其电磁特性与普通变压器相比有特别之处。从接线类型来看，接地变压器每相线圈分别侧绕在磁柱上，铁心柱上两段不同相的绕组呈相反的绕向，对正、负序电流能够呈现高阻抗，只允许很小的励磁电流通过绕组。对于零序电流，由于同相两绕组反极性串联，即便感应电动势大小一致，但只能反向抵消，零序电流的抗阻状态仍然为低阻抗。按照相关接线技术规程，安装消弧线圈的普通变压器，其线圈容量必须小于变压器容量的1/5，但接地变压器有可能超过线圈容量的90%。从这点来看，在中性点处加接消弧线圈接地往往能达到安全保障的效果。线路运行中如果出现单向接地现象，零序电流通过消弧线圈接入地，接地电容电流可经由感性电流补偿，消除了接地点的电弧。其作用与消弧线圈一样。此外，由于接地变压器的零序阻抗非常小，对零序电流呈低阻抗。因此，通过接地变中性点加接接地电阻，能够使接地保护迅速而可靠的将故障切除。

4 结束语

随着煤矿供电设备的升级改造，电气自动化控制技术将在煤矿生产中发挥重要作用，对电气设备的检修与维护工作就变得更加重要。工作人员应该不断强化设备巡视及运行分析工作，利用带电检测等手段，加强对运行设备的监视。每季度定期开展电气设备运行分析，制定切实可行的整改措施，并发布设备运行分析报告和评估结果，为煤矿生产活动的顺利进行提供更可靠的保障。

参考文献：

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