石墨接地體在煤礦井上下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王治朋

(同煤集團(tuán) 晉華宮礦， 山西 大同 037000)

0 引言

我國的煤礦大多分布在山區(qū)，而煤礦供電的架空線路多數(shù)在人煙稀少的山區(qū)。由于接地體的不可靠，每年的雷雨季節(jié)給煤礦的地面大型設(shè)備和井下電氣設(shè)備帶來很大的隱患[1]。煤礦的供電區(qū)域主要分為地面和井下，其主通風(fēng)機(jī)、絞車和壓風(fēng)設(shè)備分布在地面，而采、掘、運及排水設(shè)備分布在井下，接地保護(hù)又是煤礦井下供電的三大保護(hù)之一。因此，接地體對煤礦的安生生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 傳統(tǒng)接地裝置存在的問題

目前，煤礦供電的接地裝置主要由接地極、接地導(dǎo)線和接地引線組成，材料一般是含電鍍金屬層的鍍鋅鋼，帶來運輸及施工難度大、易發(fā)生偷盜等現(xiàn)象[2]。同煤集團(tuán)共有73座煤礦，主要分布在黃土高原，屬于我國的北方地區(qū)，夏季干旱少雨，輸配電設(shè)施大部分處于山區(qū)地段,受土壤地質(zhì)的影響嚴(yán)重[3]。目前使用鍍鋅鋼材質(zhì)作接地體，與土壤不能良好地接觸。當(dāng)輸電線路、桿塔、避雷針等設(shè)施遭受雷電侵入時，雷電流不能瞬間導(dǎo)入大地，造成大型設(shè)備停機(jī)，井下供電網(wǎng)路停電，使被保護(hù)的設(shè)備設(shè)施和煤礦工人受到危害，給礦井的安全生產(chǎn)帶來重大隱患。同時,由于煤礦井下潮濕的環(huán)境，接地體容易生銹，接地電阻不穩(wěn)定。當(dāng)電氣設(shè)備因絕緣層的損壞而造成漏電時，對井下操作人員的安全造成了很大的威脅。

2 石墨的結(jié)構(gòu)、原理和主要特點

2.1 石墨的結(jié)構(gòu)和原理

石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。同層的碳原子形成了正六連連形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，故對于同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電。而石墨晶體中層與層之間距離較大,屬于分子晶體。由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強(qiáng)，極難破壞，石墨的熔點很高，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定,故普遍認(rèn)為石墨是一種混合晶體,如圖2所示。

圖1 石墨結(jié)晶架結(jié)構(gòu)

圖2 石墨的晶體結(jié)構(gòu)

2.2 石墨的主要特點

1) 耐高溫性。石墨的強(qiáng)度隨溫度的升高而加強(qiáng),即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，其質(zhì)量損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。

2) 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦物質(zhì)的高100倍,導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料的。其導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度的升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。

3) 潤滑性。石墨的潤滑性取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦因數(shù)越小，潤滑性越好。

4) 化學(xué)穩(wěn)定性。石墨在常溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

5) 可塑性。石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。

6) 抗熱性。石墨在常溫下使用時能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致被破壞，當(dāng)溫度突變時石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。

3 石墨接地體的結(jié)構(gòu)特點

隨著高科技的不斷發(fā)展，以石墨為主的各種接地材料先后在通信、石油、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

石墨接地體不僅可以做成電纜狀，直徑和長度可以任意定制，還可以做成模塊和中空式,如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 電纜狀石墨接地體

圖4 模塊狀石墨接地體

圖5 中空式石墨接地體

首先，石墨接地體與土壤的物理結(jié)構(gòu)相似，能與土壤結(jié)合為一體，使接地體與土壤的有效接觸面積比金屬接地體大許多倍，增大了接地體的有效散流面積，極大地降低了接地體與土壤的接觸電阻，故能顯著提高接地效率，減少地網(wǎng)占用土地面積。

其次，它自身有很強(qiáng)的吸濕保濕能力，使它周圍的土壤保持濕潤，保證接地模塊有效發(fā)揮導(dǎo)電作用,同時接地體中導(dǎo)電物的導(dǎo)電特性不受干濕度、高低溫等季節(jié)變化的影響，能提供穩(wěn)定的接地電阻。

再次，石墨接地體使電阻率相差巨大的金屬與土壤之間形成一個變化比較平緩的低電阻區(qū)域。當(dāng)大電流沖擊時，可降低接地體、接地線暫態(tài)電位梯度，降低跨步電壓和接觸電壓，減少發(fā)生地電位反擊的概率。

最后，石墨本身是抗腐蝕材料，總體抗腐蝕性能優(yōu)良，使用壽命可達(dá)50 a以上。

總而言之，石墨接地體可以任意連接其他材質(zhì)接地裝置，占地面積小、施工難度低、阻值穩(wěn)定，不需要每年對接地體進(jìn)行降阻處理，是鍍鋅鋼板、角鐵、扁鐵、鐵線和純銅體的優(yōu)質(zhì)替代品。

4 目前石墨接地體的種類

1) 長效防雷石墨接地體。以鎳鉻不銹合金作基體，外表采用導(dǎo)電無紡石墨布，主要應(yīng)用在氯離子富集、鹽堿重的地方。它具有不生銹、不受腐蝕、接地電阻穩(wěn)定、與土壤能夠親密接觸等特性。

2) 納米碳離子石墨接地體。由先進(jìn)的納米碳離子填充劑組成，獨特的的離子緩釋技術(shù)，使接地降阻值效果不斷提升，并趨于最佳穩(wěn)定狀態(tài)，占地面積小，施工難度低。

3) 柔性石墨接地模塊。采用高碳膨脹石墨磷片、碳纖維及專用膠黏劑合成，耐老化、耐腐蝕、降阻值效果好，在使用過程中會跟土壤一起蠕動，時間越長，跟土壤的親和性就越好，在最快的時間內(nèi)將電流散泄到大地。

5 石墨接地體在煤礦中的應(yīng)用情況

1) 近幾年，集團(tuán)公司先以重要的線路桿塔為試點，對其接地裝置進(jìn)行了改進(jìn)，第一次使用了石墨接地體，取得了非常好的效果。據(jù)不完全統(tǒng)計，電業(yè)公司7座110 kV變電站、35座35 kV變電站、712.787 kV高壓線路遭受雷擊的次數(shù)下降了70%，并且每年不需要投入大量的人力和物力來對接地裝置進(jìn)行降阻處理。

2) 2018年，集團(tuán)公司又籌集資金，對73座礦井的主要通風(fēng)機(jī)、提人提升機(jī)、空氣壓縮機(jī)等重要負(fù)荷的接地體進(jìn)行了改造。由于大量使用了石墨接地體，對大型設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)起到了關(guān)鍵作用，不僅保證了煤礦工人的生命安全，還確保了礦井的安全生產(chǎn)。

3) 今年，計劃先在塔山礦的中央水泵房、中央變電所及各采掘配電點進(jìn)行嘗試，將石墨接地體應(yīng)用到煤礦井下。下半年，將在全集團(tuán)進(jìn)行推廣，充分利用石墨接地體的優(yōu)勢，將井下接地網(wǎng)任意點的電阻降到最低，使井下供電的保護(hù)接地有效可靠。

6 建議

隨著人們對石墨接地體的深入了解和認(rèn)識，它將在各行各業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，顛覆人們對傳統(tǒng)接地材料的認(rèn)識，并將改寫供電行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)《煤礦安全規(guī)程》對接地裝置的規(guī)定[5]。比如，每年春季防雷的時候，不需要對接地體進(jìn)行更換或降阻處理。但石墨接地體的不足之處，就是目前對其使用的規(guī)格尺寸還沒有明確的規(guī)定，價格相對較高。因此，建議有關(guān)部門，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，打破幾十年來的傳統(tǒng)觀念，對接地材料的選取進(jìn)一步組織調(diào)研，對石墨接地材料的使用規(guī)格做出明確規(guī)定。