探析煤矿井下杂散电流有效控制方法
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇探析煤矿井下杂散电流有效控制方法范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】由于煤矿井下工作环境的特殊性，在其工作面上常会存在杂散电流，如果相关部门不能够及时的对杂散电流进行处理，那么将会在一定程度上增加工人工作的危险性，不利于安全施工的进行。另外杂散电流还会在一定程度上对煤矿井下的相关设备的运行造成影响，不利于煤矿生产工作的展开，因此煤矿必须注重对杂散电流的控制。
【关键词】煤矿；杂散电流；有效控制
中图分类号：TU74文献标识码： A
一、前言
在生产过程中安全的保证是最为重要的，在煤矿井下相关工作进行中，杂散电流是影响其安全施工的重要因素，相关部门必须加强对其的重视，为安全施工的实现提供条件，本文就煤矿井下杂散电流有效的控制方法进行讨论。
二、对煤矿井下杂散电流的相关讨论
矿井杂散电流是指在规定的电路或意图电路之外流动的电流。矿井杂散电流主要产生在采区，它对矿井安全生产及设备的正常使用会产生很大的危害，不仅能导致雷管发生早爆现象，还能引起瓦斯爆炸，腐蚀电缆外皮和风、水管路，甚至导致井下漏检装置发生误动作，影响井下通信系统。据统计，在我国煤矿机电事故中，杂散电流引发的火灾和瓦斯爆炸事故占２５％～３５％。因此，研究相应的检测方法对矿井杂散电流的防治具有重要的现实意义。目前，国内外在杂散电流检测方面使用较多的是基于极化电位检测的标准半电池电位法，这种检测方法的准确度和稳定性受参比电极的寿命和稳定性等因素的影响，而且检测对象也以城市埋地管道和铁轨为主。近年来，基于磁光效应的杂散电流检测法是杂散电流检测研究的一个新方向，但是光纤缠绕式的检测方式会受到井下各种环境因素的制约，对井下因电缆漏电和电磁感应产生的杂散电流并不适用。基于磁阻效应的杂散电流检测法是一种非接触式的检测方法，我国在地面及管道杂散电流检测和防腐方面已有初步应用但在井下应用较少。
三、杂散电流的危害
1、出现瓦斯煤尘的爆炸。
因为瓦斯等气体会出现在煤矿井下，与此同时，也存在着煤尘，如果矿井的通风性比较差，从而使得煤尘和瓦斯等积聚，这就会导致爆炸事故的出现。这样，混合气体当中会引进电火花，从而出现瓦斯煤尘的爆炸。
2、馈电开关和漏电保护设施的误动作
在矿井作业的时候，倘若电机车离采区比较远，通过绝缘电阻的杂散电流就会到达低压电网，且经过零序电抗线圈和三相抗电器流到继电器，最后流到接地网，且通过电点回流向负母线回流。这样，在当电流通过继电器的过程中，会在瞬间加大继电器线圈的电流，进而出现馈电开关和漏电保护设施的误动作。
3、金属的腐蚀
因为在大地流入杂散电流之后，电缆外皮与金属管道的电阻值比较小，所以在电缆与金属管道的外皮当中会流入电流，倘若在回电点的位置流出电流，然后通过电缆外皮与金属管道到达大地，再到达轨道，此时，阴极区(电流流入)在电缆与管道的一侧形成，而阳极区(电流流出)在电缆与管道的另外一侧形成，这样，电解槽就在轨道与管道大地形成，从而导致金属的腐蚀。
四、加强对煤矿井下杂散电流控制的有效方法
1、加强检测系统的建立
（一）基于磁阻效应的散乱电流检测系统
（1）测量方法根据《井下牵引网络杂散电流防治技术规范》(以下简称规范)规定的井下各地点的杂散电流允许值，又按牵引网络电压降和轨道接缝电阻的设计要求，对澄合矿务局下属的某煤矿测试点进行连续多次测量(井下火药库、煤仓、巷道、采取工作面、掘进面)，并进行杂散电流评估。
根据图1的简化电路，按式(1)计算出杂散电流值。决定杂散电流IS的因素是:整流变输出总的电流IT;机车到整流变的钢轨电阻ＲN;钢轨对地绝缘电阻ＲS;机车电阻ＲL。由式(1)可知，只要减小IT和ＲN，或增大ＲS，便可减小杂散电流IS。
测试方法如图2所示，使用SL8086型矿用杂散电流测定仪测量，仪器的X1端子接钢轨或金属护网，X2端子接总接地网，记录其最大值。
架空线路电压降可用精度为0．5%+3的数字万用表进行测量，红表笔接架线，黑表笔接钢轨。钢轨接缝电阻要用两块规格一致、精度为0．5%的电磁系毫伏表同时测量1m钢轨(包括接缝和不包括接缝)的电压，测量方法见图3。测试前要用锉刀打磨钢轨露出金属光泽测量，否则会因阻抗增大而影响测量结果。
根据规程，轨道接缝电阻值按式(2)计式中，V1为1m钢轨(包含接缝)电阻上的电压降，mV;V2为1m钢轨(不包含接缝)电阻上的电压降，mV;Ｒ为1m钢轨的电阻值。
加强检测系统的建立2.1基于磁阻效应的杂散电流检测系统的系统原理磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象［７］。磁阻传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的，可以分为半导体磁阻式传感器和薄膜磁阻式传感器。
磁阻传感器内部有一个惠斯通电桥，当磁阻传感器置于外部磁场中时，根据磁阻效应的原理，４个桥臂的电阻值会发生变化，磁性金属电阻的变化就会转变成差分电压信号输出，值为式中：
ＶＣＣ为电源电压；Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４为电桥电阻在外部磁场作用下的值。
在测量范围内，电桥的差分输出与外部的磁场强度成线性关系，即（式中：Ｋ１，Ｋ２为常数；Ｂ为外部磁场强度。
通过磁阻传感器检测杂散电流在检测点处产生的磁场强度Ｂ，然后用公式推算出相应位置的杂散电流Ｉ，当导线、电缆或管道为无限长时，Ｉ的推算公式为式中：
ｒ为杂散电流发出点到磁阻传感器之间的直线距离；μ０为真空磁导率。
（2）系统设计
系统结构基于磁阻效应的矿井杂散电流检测系统硬件电路包括磁信号检测电路、传感器电路、单片机模块、ＲＳ４８５通信模块、电源模块等，如图所示。磁信号检测电路将电流磁场信号转换成差分电压信号，传感器电路对其进行差分放大和滤波，处理后的信号进入单片机Ｃ８０５Ｆ０２０实现模数转换及实时存储功能，ＲＳ４８５通信模块将数字信号传输给监控中心，实现磁场和电流的实时显示。
磁信号检测电路磁信号检测电路选用ＨＭＣ1001/2磁阻传感器。ＨＭＣ1001为单轴型，ＨＭＣ1002为双轴型，它们相互搭配可以同时检测３个方向的磁场，HMC100/2检测的磁场范围为±2*10-100，单轴分辨率为27*10-10t。
ＨＭＣ1002是由２个垂直的ＨＭＣ1001搭建而成，每个ＨＭＣ1001内置一个置位／复位电流带和偏置电流带。置位／复位电流带的作用是使传感器输出电压反相偏转。当给传感器施加置位脉冲后，输出按照正斜率线作出响应；当施加复位脉冲后，输出按照负斜率线作出响应，这样可以保证传感器得到最佳的灵敏度，单轴传感器的输出曲线如图３所示，其中交点Ｏ为调零零点。偏置电流带产生的偏置电流用以抵消每轴的干扰磁场，偏置电流带每产生５０ｍＡ的电流，可提供10-4Ｔ的磁场，以此来计算检测现场每轴需要添加的偏置电流，偏置电流带阻值在３．５Ω左右。
软件设计系统软件用Ｃ语言和汇编语言编写，程序主要有两部分：一部分包括传感器信号采集、滤波、分析计算和显示等程序；另一部分包括系统时钟、频率、Ａ／Ｄ模块、晶振电路、定时器参数设置程序和其他中断的入口子程序等。
（二）基于嵌入式TCP/IP协议单片机技术的检测系统
（1）在目前的煤矿监测系统设计中，系统通信方式基本上是以光纤的工业以太网有线网络为主体并结合现场总线技术。该网络具有传输方式稳定、传输速率高等优点。但是在煤矿特殊区域中，如废弃的矿井、开采面以及狭小巷道等工作面，对这种有线的传输方式提出了很大挑战。这些区域存在着大量的不确定非安全因素等，发生事故时容易对有线网络造成致命的破坏，不利于井下环境的实时监测。ZigBee网络具有自组织、低功耗、结构简单、成本低等特点，采用无线传感网络实现煤矿监测系统设计，可以很好地解决井下近距离通信问题，保证数据传输的持续性、系统的可靠性。杂散电流监控系统分为两大部分，一部分为现有杂散电流监控系统，第二部分为扩展杂散电流监控系统。本文将对扩展杂散电流监控系统进行设计。扩展杂散电流监控系统由两部分组成，第一部分为ZigBee无线传感网络，实现杂散电流检测、转换与数据传输;第二部分为由AＲM11构成的嵌入式网关，实现ZigBee与TCP/IP或CAN等多种协议间数据转换。ZigBee网络包含以下3种设备:①协调器(PANcoordinator)，负责建立和维护网络，承担无线网络与网关的连接;②路由器执行路由功能，也称全功能设备(fullfunctiondevice，FFD);③终端节点作用为执行基本功能，也称精减功能设备(reducedfunctiondevice，ＲFD)。
（2）ZigBee网络节点硬件设计①杂散电流检测信号处理电路由于杂散电流含有直流杂散电流与交流杂散电流，因此，采用探针法与近参比法相结合的方法测取杂散电流波形，并通过电压信号的形式反映出来。在杂散电流检测信号处理电路中，低通滤波电路与LM324AD电压跟随电路组合成一阶低通有源滤波电路，在信号放大前滤波，防止噪声进入放大器。低功耗高精度单电源供电放大器OPA335对交流电流进行偏置放大，得到对应波形的直流信号。低通一阶滤波电路与OPA335电压跟随电路组成一阶低通有源滤波电路，滤除放大器产生的噪声，并将信号送至CC2530进行A/D转换。
②网络数据处理单元硬件设计ZigBee网络数据处理单元主要是依靠FFD与ＲFD设备中所包含的微处理器进行数据运算及处理。
因此，所有ZigBee网络的数据处理依靠FFD与ＲFD节点中的CC2530核心板完成。
③节点电源ZigBee节点采用干电池供电方式。为保证A/D转换基准参考电压恒定在4．5V，采用ＲEF5045对干电池电源进行转换，为CC2530A/D转换提供基准参考电压。CC2530具有电源管理功能，可以实现对电源供电进行监测和管理，当供电不足时，向网关发送电量不足信息，提醒更换电池。CC2530芯片拥有4种供电模式，可在低至0．4μA供应电流下响应外部中断。
（3）嵌入式网关软件设计a、协调器节点(FFD)与AＲM核心板通过UＲAT进行通信。协调器节点的功能为:①负责建立并维护整个ZigBee网络;②将ZigBee网络中的数据通过UＲAT传送至AＲM网关。
b、AＲM核心板作为网关节点核心，主要实现以下功能:①与ZigBee网络中的协调器节点通过UAＲT与ZigBee网络进行实时通信;②建立TCP/IP总线服务，将ZigBee网络检测数据发送至上位机或者将上位机命令送至ZigBee网络;③对杂散电流超标区域进行预警。
（4）ZigBee网络节点软件设计ＲFD设备主要负责杂散电流信号的检测并转发至ZigBee网络。ＲFD启动，完成初始化，加入附近的ZigBee网络并建立连接，完成对检测到的杂散电流的A/D转换，将转换后的数据通过无线发送至最近的父节点。检查并接收来自父节点的消息，根据父节点指令作出相应动作或周期性地进入休眠状态。
2、加强对屏蔽电缆的使用
屏蔽电缆的应用目前形势下，我国矿井生产所应用的橡胶电缆往往会出现三相导线对地电容不相同的情况，而应用屏蔽电缆能够使得电容的电流经过屏蔽层向电网当中回流，这不再外泄零序电流，从源头上阻止了杂散电流。
3、改变两个电阻值
(一)减少轨道接头电阻值"加强轨道接头的维护，保持良好的电气连接，确保接头电阻符合《煤矿安全规程》(2013年版)第354条明文的规定:焊接长轨，是减少轨道接头电阻极为有效的措施。
(二)增大轨道与大地间的接触电阻。
保持轨道清洁、干燥是增大接触电阻的主要措施"对沿线管路和金属铠装电缆铺设支点施加绝缘，也是增加杂散电流过渡电阻、减少杂散电流的重要措施。
4、加强谐波电流的预防
（一)在补偿电容器上进行电抗器滤波的有效串联。这种方法主要是对电容器电抗器的过载能力进行充分的利用，有效实现电容器回路的增大来达到对谐波进行分流的目的。
（二)对滤波器进行有效的调谐。这种方法是将电容电路以及电抗器进行一定的串联，并把这个电路直接串联在电网上，让供电系统电网中的等效电阻产生一定的变化。当供电系统的电网中的某个谐波和这个滤波支路的阻抗相同时，这条支路对于谐波的阻抗有着最小值，这时谐波当中的大部分电流被短路，实现了显著防治的效果。
（三)对供电系统电网中等效阻抗的位置进行一定的移动。
通过电抗器和电容器的串联形成滤波器，按照一定的要求来对调谐电网中各个支路的频率进行有效的调节，有效实现对供电系统电网中等效阻抗最小值在频率轴上位置的移动。
5、使加载轨道负荷电流减少
（一）敷设回流线的策略可以将废旧钢丝绳顺着巷道敷设，以此充当回流线将杂散的电流收集起来，从而屏蔽金属管线及电缆，且能够有效地减少牵引网络回路的电阻值，改善架线电机车的技术水平。
（二）双线供电接正负极的策略在运输系统双线供电的过程中，可以将一架线接负极，而另外的一架线接正极，在它的正负极间接轨道，如果重车道上的负荷相同的过程中，电流是不经过轨道的，这就不会出现杂散电流。
五、结束语
本文就煤矿井下的散乱电流的有效控制方法进行了探讨，希望其探讨结果能够为同行的研究提供一定的参考。
参考文献
［1］刘健，倪建立，邓永辉．配电自动化系统［M］．2版．北京:中国水利水电出版，2006:72－75．
［2］刘健，保记，赵树仁，等．一种快速自愈的分布智能馈线自动化系统［J］．电力系统自动化，2010，34(10):62－66．
［3］刘健，赵树仁，保记，等．分布式智能型馈线自动化系统快速自愈技术及可靠性保障措施［J］．电力系统自动化，2011，35(17):67－71．
［4］董旭柱，黄邵远，陈柔伊等．智能配电网自愈控制技术［J．电力系统自动化，2012，36(18):17－21．
［5］胡福年．基于DSP的馈线自动化远方终端研究［J］．继电器，2006，34(11):78－82．
［6］徐科军，陶维青，汪海宁．DSP及其电气与自动化工程应用［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2010:305－314．
［7］周洪，罗星，邓其军．基于DSP的智能配电网环网柜FTU的设计［J］．电力自动化设备，2011，31(2):124－128．
［8］公茂法，杨兴，吴江波，等．一种新型馈线终端设备的研究［J］．电力系统通信，2011，32(229):4－8．