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[摘 要 ]为了提升矿井交流供电系统杂散电流控制效果，本文对矿井交流供电系统进行研究，并提出矿井交流供电系统接地保护技术，介绍了接地保护的原理，并给出了接地保护系统结构示意图，对给出接地保护系统中各部件的尺寸要求，为矿井交流供电系统杂散电流的控制提供一定的借鉴，有效地提升了矿井用电安全。
[关键词]供电系统;变电站;杂散电流;接地保护
[中图分类号]TM63 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）08–00–02
Research on Mine AC Power Supply System and Protective Grounding
Yang Xi
[Abstract]In order to improve the control effect of stray current in mine AC power supply system， this paper studies the mine AC power supply system， puts forward the grounding protection technology of mine AC power supply system， introduces the principle of grounding protection， and gives the structure diagram of grounding protection system， and gives the size requirements of each component in the grounding protection system， so as to provide the stray current of mine AC power supply system Flow control provides a certain reference， and effectively improves the safety of mine electricity.
[Keywords]power supply system; substation; stray current; grounding protection
煤炭是我國的基础能源，随着煤炭开采年限的不断增加，越来越多的矿山安全问题涌现出来，严重影响着矿山的安全生产。随着矿井自动化水平的不断提升，矿井供电的距离及矿井供电等级不断增大，交流杂散电流的安全问题逐步凸显出来[1]。为了解决矿井杂散电流对矿井正常生产的影响，我国众多学者对此进行过一定的研究[2]。本文为了解决交流杂散电流问题，对矿井杂散电流的产生原因及接地后的分布规律进行研究，有效地保障了井下工作人员的安全生产及设备的正常运行。
1 矿井交流供电系统介绍
矿井交流杂散电流产生的原因主要受煤矿井下生产条件和生产环节的复杂性影响，所以矿井交流供电系统的结构对于交流杂散电流的分布十分重要。矿井交流供电系统由不同的供电等级及各级变电所组成。同时根据供电系统工作平面可将矿井供电系统分为地面供电系统和井下供电系统。井下供电系统由中央变电所、移动变电站及配电点组成。地面供电系统由供电线路和各级变电所组成。根据相应的用途确定交流电压等级。
地面变电站将受电端的高压电进行降压，后输送至高压用电设备、车间及井下变电所，井下变电所和车间进行二次降压，降压后输送至低电压用电设备。矿井供电系统根据矿井埋深、开采年限、地质条件等分为矿井、深井供电系统。当煤层埋深较浅时，此时可以通过井筒和电缆输入至井下，而当煤层埋深较大时，此时只能通过井筒将高压电输送至井下。所以在选定供电方案时，需要综合合理性、可靠性、经济效益等因素，做到合理配置[3]。
矿井供电系统的特点是不设中央变电所，矿井井底车场及其他低压供电设备通过地面变电所降压后的电能进行运行。当采空区无高压用电设备时，此时可利用低压电缆将地面变电站降压后的电能进行传输。当采空区存在高压用电设备时，此时需要利用高压电缆将高压电直接传输至井下变电所，此时井下变电所根据设备电压需求情况对电压进行传输或者降压，满足井下供电要求。矿井供电系统结构图如图1所示。
矿井供电系统主要存在的缺点是钻孔钢管不能进行回收，且后期维修较为复杂，深井供电系统多用于煤层倾角小、埋深较大等矿井。供电系统的电源由35（110） kV的电力网进线，在井下设立中央变电站，同时为了降低雷电的损害，在母线位置均安装避雷装置。深井供电系统不仅可以对空气压缩机、提升机及通风机等高压设备进行供电，也可以通过降压为车间、照明设备等进行供电。各级变电站及不同电压等级按照一定的连接方式进行连接，形成供电系统，供电根据其可靠性分为有备用接线和无备用接线2种。其中根据有备用接线系统是否能保障全部回路进行使用，可分为部分可以使用为不完全备用系统和全部能用为完全备用系统。变电所的主线是由变压器、断路器、隔离开关及母线等原件按照一定顺序进行连接形成的电路，其主要用于电能的分配及汇集。变电所的接电方式可以分为单母线、双母线、桥式接线和线路-变压器接线。接线方案的选择与变压器的台数、电源回路数、电源进线长度等有关。
2 保护接地系简介
由于井下条件较为恶略，所以井下电气设备的使用寿命会大大缩短，所以为了提升矿井安全用电水平，需要对电路进行保护装置安装，常见的保护措施为保护接地，其可以对电路进行漏电保护、过流保护及保护接地，保证了矿井的安全运行。保护接地是指将电气设备正常运行不带电或者由于线路老化造成绝缘层损坏等电路通过将带电部分利用导体进行接地保护，避免出现杂散电流。当电气设备无接地保护时，此时一旦发生漏电现象时，人体接触漏电端时，人体触电的大小可以根据戴维南定律进行求得，公式如下： 公式（1）中，im为通过人体电流，A;Ua为开路电压，V;Rm为人体电阻，Ω;Zin为开路等效电阻，Ω;Z为三相地抗阻，Ω。可以看出人体接触的电流域自身电阻及电网对地抗阻大小有着密切联系，当人体通过的电流较大时，此时杂散电流极易造成人员伤亡，同时漏电极易造成矿井内部发生瓦斯爆炸，严重影响矿井生产。为了减少电气设备故障带来的损失，对电气设备进行保护接地，当人体接触漏电部位时，人体电阻和接地装置形成并联电路，此时由于接地端电阻较大，所以人体通过电流较小，较好地保证了人员的安全。公式为：
可以看出，当接地装置的电阻越大，此时通过人体的电流量越小;反之接地转置电阻越小，通过人体的电流量越大，所以为了将漏电电流降低至人体安全标准以下，需要将接地电阻设置值原大于人体电阻，从而降低人员危险系数。
根据煤矿安全规章可知，当电压超过36 V时，需要对金属外壳、橡胶电缆及地线芯等进行接地保护，但仅使用接地保护不能完全使得漏电危险消除，所以需要建立一个完整的接地系统，又可称之接地网，有效地提升了供电的安全性能[5]。接地系统的结构图如图2所示。
图2中1为接地母线;2为辅助接地母线;3为主接地极;4为局部接地极;5为电缆;6为电缆接地层;7为中央变电所;8为采区变电所;9为配电点;10为电缆接地盒;11为连接导线;12为接地导线。主接地极分别在主副水仓各设置一块，这样可以起到连续不断保护作用，其面积不得小于0.75 m2，厚度应当大于5 mm。局部接地极设置在水沟附近，其面积不得小于0.6 m2，厚度应当大于3 mm，其余位置埋设时局部接地极直径应当大于等于35 mm，长度大于等于1.5 m，并设置于底板下。接地及辅助接地母线截面面积铜线应当大于等于50 mm2，鍍锌铁线应当大于等于100 mm2，接地导线和连接导线截面面积铜线应当大于等于25 mm2，镀锌铁线应当大等50 mm2。
3 结束语
本文为了解决消除电流，对矿井交流供电系统进行研究，给出了矿井供电系统及变电所的接线方式。对矿井下保护接地的原理进行分析，给出了保护接地的优越性，并对保护接地系统中各元件的尺寸要求进行介绍，为矿井交流杂散电流的治理提供一定的方法，保障了矿井的安全生产。
参考文献
[1] 郑子璇，杜贵府，朱成乾.城轨多区间绝缘非均匀情况下钢轨电位与杂散电流建模及分布[J].北京交通大学学报，2020，44（3）：66-78.
[2] 董安祁.基于仿真方法对矿井交流杂散电流产生机理分析[J].机电工程技术，2020，49（3）：204-206.
[3] 殷录民，田希民，郭晓东.煤矿高压供电系统接地方式及单相接地保护研究[J].煤矿机械，2020（5）：18-20.
[4] 刘建华，李建冬，黄国清，等.基于三层两网的煤矿智能供电系统接地保护方案研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：309-311.
[5] 王国伟，杨丽，王海潮.选煤厂660V供电系统的接地保护技术研究[J].煤矿机电，2012（4）：30-32.
[关键词]供电系统;变电站;杂散电流;接地保护
[中图分类号]TM63 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）08–00–02
Research on Mine AC Power Supply System and Protective Grounding
Yang Xi
[Abstract]In order to improve the control effect of stray current in mine AC power supply system， this paper studies the mine AC power supply system， puts forward the grounding protection technology of mine AC power supply system， introduces the principle of grounding protection， and gives the structure diagram of grounding protection system， and gives the size requirements of each component in the grounding protection system， so as to provide the stray current of mine AC power supply system Flow control provides a certain reference， and effectively improves the safety of mine electricity.
[Keywords]power supply system; substation; stray current; grounding protection
煤炭是我國的基础能源，随着煤炭开采年限的不断增加，越来越多的矿山安全问题涌现出来，严重影响着矿山的安全生产。随着矿井自动化水平的不断提升，矿井供电的距离及矿井供电等级不断增大，交流杂散电流的安全问题逐步凸显出来[1]。为了解决矿井杂散电流对矿井正常生产的影响，我国众多学者对此进行过一定的研究[2]。本文为了解决交流杂散电流问题，对矿井杂散电流的产生原因及接地后的分布规律进行研究，有效地保障了井下工作人员的安全生产及设备的正常运行。
1 矿井交流供电系统介绍
矿井交流杂散电流产生的原因主要受煤矿井下生产条件和生产环节的复杂性影响，所以矿井交流供电系统的结构对于交流杂散电流的分布十分重要。矿井交流供电系统由不同的供电等级及各级变电所组成。同时根据供电系统工作平面可将矿井供电系统分为地面供电系统和井下供电系统。井下供电系统由中央变电所、移动变电站及配电点组成。地面供电系统由供电线路和各级变电所组成。根据相应的用途确定交流电压等级。
地面变电站将受电端的高压电进行降压，后输送至高压用电设备、车间及井下变电所，井下变电所和车间进行二次降压，降压后输送至低电压用电设备。矿井供电系统根据矿井埋深、开采年限、地质条件等分为矿井、深井供电系统。当煤层埋深较浅时，此时可以通过井筒和电缆输入至井下，而当煤层埋深较大时，此时只能通过井筒将高压电输送至井下。所以在选定供电方案时，需要综合合理性、可靠性、经济效益等因素，做到合理配置[3]。
矿井供电系统的特点是不设中央变电所，矿井井底车场及其他低压供电设备通过地面变电所降压后的电能进行运行。当采空区无高压用电设备时，此时可利用低压电缆将地面变电站降压后的电能进行传输。当采空区存在高压用电设备时，此时需要利用高压电缆将高压电直接传输至井下变电所，此时井下变电所根据设备电压需求情况对电压进行传输或者降压，满足井下供电要求。矿井供电系统结构图如图1所示。
矿井供电系统主要存在的缺点是钻孔钢管不能进行回收，且后期维修较为复杂，深井供电系统多用于煤层倾角小、埋深较大等矿井。供电系统的电源由35（110） kV的电力网进线，在井下设立中央变电站，同时为了降低雷电的损害，在母线位置均安装避雷装置。深井供电系统不仅可以对空气压缩机、提升机及通风机等高压设备进行供电，也可以通过降压为车间、照明设备等进行供电。各级变电站及不同电压等级按照一定的连接方式进行连接，形成供电系统，供电根据其可靠性分为有备用接线和无备用接线2种。其中根据有备用接线系统是否能保障全部回路进行使用，可分为部分可以使用为不完全备用系统和全部能用为完全备用系统。变电所的主线是由变压器、断路器、隔离开关及母线等原件按照一定顺序进行连接形成的电路，其主要用于电能的分配及汇集。变电所的接电方式可以分为单母线、双母线、桥式接线和线路-变压器接线。接线方案的选择与变压器的台数、电源回路数、电源进线长度等有关。
2 保护接地系简介
由于井下条件较为恶略，所以井下电气设备的使用寿命会大大缩短，所以为了提升矿井安全用电水平，需要对电路进行保护装置安装，常见的保护措施为保护接地，其可以对电路进行漏电保护、过流保护及保护接地，保证了矿井的安全运行。保护接地是指将电气设备正常运行不带电或者由于线路老化造成绝缘层损坏等电路通过将带电部分利用导体进行接地保护，避免出现杂散电流。当电气设备无接地保护时，此时一旦发生漏电现象时，人体接触漏电端时，人体触电的大小可以根据戴维南定律进行求得，公式如下： 公式（1）中，im为通过人体电流，A;Ua为开路电压，V;Rm为人体电阻，Ω;Zin为开路等效电阻，Ω;Z为三相地抗阻，Ω。可以看出人体接触的电流域自身电阻及电网对地抗阻大小有着密切联系，当人体通过的电流较大时，此时杂散电流极易造成人员伤亡，同时漏电极易造成矿井内部发生瓦斯爆炸，严重影响矿井生产。为了减少电气设备故障带来的损失，对电气设备进行保护接地，当人体接触漏电部位时，人体电阻和接地装置形成并联电路，此时由于接地端电阻较大，所以人体通过电流较小，较好地保证了人员的安全。公式为：
可以看出，当接地装置的电阻越大，此时通过人体的电流量越小;反之接地转置电阻越小，通过人体的电流量越大，所以为了将漏电电流降低至人体安全标准以下，需要将接地电阻设置值原大于人体电阻，从而降低人员危险系数。
根据煤矿安全规章可知，当电压超过36 V时，需要对金属外壳、橡胶电缆及地线芯等进行接地保护，但仅使用接地保护不能完全使得漏电危险消除，所以需要建立一个完整的接地系统，又可称之接地网，有效地提升了供电的安全性能[5]。接地系统的结构图如图2所示。
图2中1为接地母线;2为辅助接地母线;3为主接地极;4为局部接地极;5为电缆;6为电缆接地层;7为中央变电所;8为采区变电所;9为配电点;10为电缆接地盒;11为连接导线;12为接地导线。主接地极分别在主副水仓各设置一块，这样可以起到连续不断保护作用，其面积不得小于0.75 m2，厚度应当大于5 mm。局部接地极设置在水沟附近，其面积不得小于0.6 m2，厚度应当大于3 mm，其余位置埋设时局部接地极直径应当大于等于35 mm，长度大于等于1.5 m，并设置于底板下。接地及辅助接地母线截面面积铜线应当大于等于50 mm2，鍍锌铁线应当大于等于100 mm2，接地导线和连接导线截面面积铜线应当大于等于25 mm2，镀锌铁线应当大等50 mm2。
3 结束语
本文为了解决消除电流，对矿井交流供电系统进行研究，给出了矿井供电系统及变电所的接线方式。对矿井下保护接地的原理进行分析，给出了保护接地的优越性，并对保护接地系统中各元件的尺寸要求进行介绍，为矿井交流杂散电流的治理提供一定的方法，保障了矿井的安全生产。
参考文献
[1] 郑子璇，杜贵府，朱成乾.城轨多区间绝缘非均匀情况下钢轨电位与杂散电流建模及分布[J].北京交通大学学报，2020，44（3）：66-78.
[2] 董安祁.基于仿真方法对矿井交流杂散电流产生机理分析[J].机电工程技术，2020，49（3）：204-206.
[3] 殷录民，田希民，郭晓东.煤矿高压供电系统接地方式及单相接地保护研究[J].煤矿机械，2020（5）：18-20.
[4] 刘建华，李建冬，黄国清，等.基于三层两网的煤矿智能供电系统接地保护方案研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：309-311.
[5] 王国伟，杨丽，王海潮.选煤厂660V供电系统的接地保护技术研究[J].煤矿机电，2012（4）：30-32.