本课题是山西省青年科技研究基金项目“矿井供电系统杂散电流分布规律及防护方法研究”(项目编号:201701D221240)的子课题,是针对目前我国煤矿井下交流杂散电流的危害日益凸显,安全事故频发,国内外对矿井交流杂散电流的形成机理以及分布规律等相关理论研究匮乏等问题提出的。矿井交流杂散电流这一安全隐患严重威胁着矿井生产安全和人身安全,并随着矿井综采工艺的推广,负荷容量、电压等级以及供电距离的不断增大,矿井交流杂散电流这一问题越来越备受关注。因此,研究总结矿井供电系统接地网中交流杂散电流分布规律,明确其影响因素及其影响规律,将为有效防治交流杂散电流提供理论和技术支持,具有非常重要的理论和现实意义。本文在分析矿井交流杂散电流形成机理及其可能流通路径的基础上,以某矿实际交流供电系统为研究对象,结合井下保护接地网的实际,搭建了矿井交流杂散电流模型。通过仿真分析,研究总结了矿井接地网中交流杂散电流的分布规律,以及局部接地极处的散流特性及其影响因素,并相应的提出了优化措施来指导生产实际。具体研究内容如下:通过查阅相关文献资料,学习总结了杂散电流的相关理论知识和研究方法,明确了矿井交流杂散电流的主要来源和形成机理;在全面掌握矿井交流供电系统、保护接地网以及矿井电缆结构的基础上,利用MATLAB/Simulink软件平台搭建了矿井交流杂散电流模型,研究了低压电缆绝缘不对称、高压电缆绝缘不对称、高低压电缆绝缘均不对称、金属网阻值以及接地电阻阻值等因素对接地网中交流杂散电流分布规律的影响。结果表明:随着电缆绝缘不对称程度(不平衡系数K)的增大,流经屏蔽层/地线芯、金属网及接地极的交流杂散电流也增大;交流杂散电流主要分布在产生其电缆的屏蔽层/地线芯及该电缆对应的金属网结构上,交流杂散电流在返回电源的过程中由于整段电缆绝缘不对称,流经屏蔽层/地线芯、金属网上的交流杂散电流从该段电缆的末端到供电端不断增大;金属网阻值越大,流过金属网的交流杂散电流越小,屏蔽层/地线芯、接地极处的交流杂散电流则越大;由于接地电阻远大于屏蔽层/地线芯、金属网的阻值,接地电阻的变化对屏蔽层/地线芯、金属网上的交流杂散电流分布影响不大,研究结果为进一步治理交流杂散电流奠定了坚实的基础。在明确交流杂散电流在接地网中各局部接地极分布规律的基础上,为进一步分析交流杂散电流经局部接地极在岩层中形成的散流场分布,根据井下局部接地极周围岩层及接地极的实际结构,利用COMSOL软件平台搭建了垂直钢管接地极三维有限元模型,研究了巷道喷射混凝土结构、岩层结构参数、接地极结构以及接地极埋深等因素对接地极散流场的影响。结果表明:交流杂散电流经接地极在岩层中形成的散流场分布受岩层参数、接地极结构及接地极埋深等因素的影响,垂直钢管接地极存在端部效应,电阻率低的岩层处电流密度大,电场强度除在接地极端部位置外,其它位置分布较为均匀;交流杂散电流一定时,接地极对地电位升随着岩层电阻率的减小、接地极长度及半径的增大而减小,岩层结构一定时可改变接地极的埋深来降低接地极对地电位升。通过研究相关因素下接地极散流场的分布对降低交流杂散电流的危害具有一定的指导意义。