石墨接地体在煤矿井上下供电系统中的应用

王治朋

(同煤集团 晋华宫矿， 山西 大同 037000)

0 引言

我国的煤矿大多分布在山区，而煤矿供电的架空线路多数在人烟稀少的山区。由于接地体的不可靠，每年的雷雨季节给煤矿的地面大型设备和井下电气设备带来很大的隐患[1]。煤矿的供电区域主要分为地面和井下，其主通风机、绞车和压风设备分布在地面，而采、掘、运及排水设备分布在井下，接地保护又是煤矿井下供电的三大保护之一。因此，接地体对煤矿的安生生产至关重要。

1 传统接地装置存在的问题

目前，煤矿供电的接地装置主要由接地极、接地导线和接地引线组成，材料一般是含电镀金属层的镀锌钢，带来运输及施工难度大、易发生偷盗等现象[2]。同煤集团共有73座煤矿，主要分布在黄土高原，属于我国的北方地区，夏季干旱少雨，输配电设施大部分处于山区地段,受土壤地质的影响严重[3]。目前使用镀锌钢材质作接地体，与土壤不能良好地接触。当输电线路、杆塔、避雷针等设施遭受雷电侵入时，雷电流不能瞬间导入大地，造成大型设备停机，井下供电网路停电，使被保护的设备设施和煤矿工人受到危害，给矿井的安全生产带来重大隐患。同时,由于煤矿井下潮湿的环境，接地体容易生锈，接地电阻不稳定。当电气设备因绝缘层的损坏而造成漏电时，对井下操作人员的安全造成了很大的威胁。

2 石墨的结构、原理和主要特点

2.1 石墨的结构和原理

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构,如图1所示。同层的碳原子形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，故对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子电子比较自由，相当于金属中的自由电子，石墨能导热和导电。而石墨晶体中层与层之间距离较大,属于分子晶体。由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，石墨的熔点很高，化学性质很稳定,故普遍认为石墨是一种混合晶体,如图2所示。

图1 石墨结晶架结构

图2 石墨的晶体结构

2.2 石墨的主要特点

1) 耐高温性。石墨的强度随温度的升高而加强,即使经超高温电弧灼烧，其质量损失很小，热膨胀系数也很小。

2) 导电、导热性。石墨的导电性比一般非金属矿物质的高100倍,导热性超过钢、铁、铅等金属材料的。其导热系数是随温度的升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。

3) 润滑性。石墨的润滑性取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦因数越小，润滑性越好。

4) 化学稳定性。石墨在常温下具有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

5) 可塑性。石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

6) 抗热性。石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致被破坏，当温度突变时石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

3 石墨接地体的结构特点

随着高科技的不断发展，以石墨为主的各种接地材料先后在通信、石油、化工等领域中得到了广泛的应用[4]。

石墨接地体不仅可以做成电缆状，直径和长度可以任意定制，还可以做成模块和中空式,如图3、图4、图5所示。

图3 电缆状石墨接地体

图4 模块状石墨接地体

图5 中空式石墨接地体

首先，石墨接地体与土壤的物理结构相似，能与土壤结合为一体，使接地体与土壤的有效接触面积比金属接地体大许多倍，增大了接地体的有效散流面积，极大地降低了接地体与土壤的接触电阻，故能显著提高接地效率，减少地网占用土地面积。

其次，它自身有很强的吸湿保湿能力，使它周围的土壤保持湿润，保证接地模块有效发挥导电作用,同时接地体中导电物的导电特性不受干湿度、高低温等季节变化的影响，能提供稳定的接地电阻。

再次，石墨接地体使电阻率相差巨大的金属与土壤之间形成一个变化比较平缓的低电阻区域。当大电流冲击时，可降低接地体、接地线暂态电位梯度，降低跨步电压和接触电压，减少发生地电位反击的概率。

最后，石墨本身是抗腐蚀材料，总体抗腐蚀性能优良，使用寿命可达50 a以上。

总而言之，石墨接地体可以任意连接其他材质接地装置，占地面积小、施工难度低、阻值稳定，不需要每年对接地体进行降阻处理，是镀锌钢板、角铁、扁铁、铁线和纯铜体的优质替代品。

4 目前石墨接地体的种类

1) 长效防雷石墨接地体。以镍铬不锈合金作基体，外表采用导电无纺石墨布，主要应用在氯离子富集、盐碱重的地方。它具有不生锈、不受腐蚀、接地电阻稳定、与土壤能够亲密接触等特性。

2) 纳米碳离子石墨接地体。由先进的纳米碳离子填充剂组成，独特的的离子缓释技术，使接地降阻值效果不断提升，并趋于最佳稳定状态，占地面积小，施工难度低。

3) 柔性石墨接地模块。采用高碳膨胀石墨磷片、碳纤维及专用胶黏剂合成，耐老化、耐腐蚀、降阻值效果好，在使用过程中会跟土壤一起蠕动，时间越长，跟土壤的亲和性就越好，在最快的时间内将电流散泄到大地。

5 石墨接地体在煤矿中的应用情况

1) 近几年，集团公司先以重要的线路杆塔为试点，对其接地装置进行了改进，第一次使用了石墨接地体，取得了非常好的效果。据不完全统计，电业公司7座110 kV变电站、35座35 kV变电站、712.787 kV高压线路遭受雷击的次数下降了70%，并且每年不需要投入大量的人力和物力来对接地装置进行降阻处理。

2) 2018年，集团公司又筹集资金，对73座矿井的主要通风机、提人提升机、空气压缩机等重要负荷的接地体进行了改造。由于大量使用了石墨接地体，对大型设备的安全运转起到了关键作用，不仅保证了煤矿工人的生命安全，还确保了矿井的安全生产。

3) 今年，计划先在塔山矿的中央水泵房、中央变电所及各采掘配电点进行尝试，将石墨接地体应用到煤矿井下。下半年，将在全集团进行推广，充分利用石墨接地体的优势，将井下接地网任意点的电阻降到最低，使井下供电的保护接地有效可靠。

6 建议

随着人们对石墨接地体的深入了解和认识，它将在各行各业得到更广泛的应用，颠覆人们对传统接地材料的认识，并将改写供电行业规范和标准《煤矿安全规程》对接地装置的规定[5]。比如，每年春季防雷的时候，不需要对接地体进行更换或降阻处理。但石墨接地体的不足之处，就是目前对其使用的规格尺寸还没有明确的规定，价格相对较高。因此，建议有关部门，随着科学技术的不断发展，打破几十年来的传统观念，对接地材料的选取进一步组织调研，对石墨接地材料的使用规格做出明确规定。