直流架线电机车杂散电流的危害防治与监测

赵 励

(晋城乾泰安全技术有限责任公司，山西 晋城 048006)

0 引言

在煤矿供电系统中，电流并不总是绝对约束在架空线路、电力电缆或轨道中传导，在某些情况下，部分电流会在上述导体与土壤、管道等非导电体形成的回路中传导，这部分电流称之为杂散电流。杂散电流形成的原因不同，可以分为直流杂散电流和交流杂散电流。由煤矿井下低压电网零序电流产生的杂散电流为交流杂散电流，由于这种供电系统的供电范围小、功率不大，因此交流杂散电流的危害一般有限。在直流架线电机车供电系统负极回路中，导轨与地面之间的泄漏电流为直流杂散电流，其危害较大。因此，研究直流架线电机车供电系统中杂散电流的危害，并采取技术手段对其进行防治，不仅能够提高直流架线电机车供电系统的安全性，而且能够保护周围设施设备不被腐蚀，对煤矿安全生产具有现实意义。

1 直流杂散电流成因

架线式电机车常用于煤矿低瓦斯进风大巷的煤炭转运中，供电系统及其杂散电流示意图如图1所示。电机车由直流系统供电，位于牵引变电所的直流电源正极接在架空线路上，通过受电弓对电机车的牵引电机正极供电，电机负极通过道轨与直流电源负极连接，形成闭合回路。由于实际情况下巷道环境复杂，经常出现积水或者粉尘，一部分负极电流会经过土壤、金属管路、积水等高阻回路或绝缘接头回到直流电源负极，形成杂散电流。根据杂散电流形成的原因可知，杂散电流受两方面影响：①道轨电阻越小，杂散电流越小；②道轨与地的接触电阻越大，杂散电流越小。

图1 矿井直流架线电机车供电系统及其杂散电流示意图

2 直流杂散电流的危害

(1)引起电雷管爆炸。电雷管是采掘工作面爆破施工中用于引爆炸药的装置，其正负极之间存在1.5 V的电势差就可能满足其引爆电流，从而发生爆炸。当电机车道轨附近的金属管道上流过杂散电流时，会对负极体道轨产生电势差，若电雷管的正、负极引线分别接触到金属管道和负极体道轨，即有可能引起电雷管的爆炸，产生严重后果。

(2)引起瓦斯爆炸或煤尘爆炸。金属材料与带电体之间的碰撞容易产生电火花，放电电压可高达50 V。电火花高压放电会产生高温，当环境中的瓦斯或煤尘浓度超过一定浓度时极易引发瓦斯爆炸或煤尘爆炸。

(3)腐蚀金属管道和铠装电缆。运输大巷中的通风管道和排水管道常采用金属管道，高压电力电缆可能采用铠装电缆，这些金属材料可能流过杂散电流。矿井中潮气较重，很容易形成积水，混合酸性物质形成天然电解液。当金属管道或铠装电缆中存在杂散电流时，杂散电流回路就形成了电解槽，金属管道和铠装电缆的阳极区腐蚀严重，长期作用下可能破坏其结构。铠装电缆的绝缘一旦被破坏，可能发生供电系统接地或短路等故障。

(4)保护和监控误动作。井下的漏电保护装置可能误将杂散电流判断为发生了接地故障，从而动作跳闸。杂散电流窜入监控系统控制回路中会影响传输信号的质量，甚至可能发出错误断电信号引起停电事故。

3 直流杂散电流的防治与监测

杂散电流对煤矿安全生产具有严重危害，必须采取防治措施，必要时还应当对杂散电流进行监测。

3.1 防治

(1)减小道轨电阻。杂散电流的大小与道轨纵向电阻值成正比，道轨纵向电阻值越小，负极泄漏的杂散电流越小。因此设计电机车道轨时，采用电阻率小的钢材，增加单节道轨长度以减少接头。《煤矿安全规程》规定：平行钢轨应每隔50 m连接一条截面不小于50 mm2的铜导线，进风大巷道轨采用10 m长轨，道轨与道轨的接缝处采用圆钢焊接，在回电道轨与不回电道轨间加装长度不小于一列车长度、绝缘电阻不小于50 kΩ的绝缘装置，以免被列车短路。

(2)增大道轨与大地的接触电阻。杂散电流的大小与道轨与大地接触电阻成反比，接触电阻越大，杂散电流越小。轨枕材料、道轨与轨枕的绝缘水平、路基材料以及环境是否存在积水等，都是接触电阻的重要影响因素。可采取的治理措施有：优先选择电阻率大的木质轨枕；道轨与轨枕设置绝缘层；采用碎石铺设或混凝土浇筑路基；疏通巷道排水沟保持路面无积水。

(3)对供电系统进行改造。杂散电流的大小与电流和电机车到变电所的距离成正比，因此可采用提高供电电压以减小电流、增设变电所以减小供电半径等方式减小杂散电流。7吨电机车供电电压一般为250 V或550 V，地铁牵引供电电压一般采用750 V或1 500 V，在同样的传输功率下，如果提高电机车供电电压，供电电流相应降低，杂散电流也随之降低。变电所设置在架线区中央，或者增设变电所，将供电半径限制在1 500 m以内，可有效减小杂散电流。

(4)设置排流网或回流点。用结构钢筋将道轨与金属管道或铠装电缆隔离，并且设置绝缘隔板将结构钢筋与其他建筑隔离，既能够保护金属管道或铠装电缆不受杂散电流腐蚀，还能避免排流网中的杂散电流侵入其他建筑。当发现金属管道或铠装电缆电位较高时，可用导线将其与直流电源负极导通，回流点直接将杂散电流引入变电所负极，减小杂散电流的传播范围。

(5)阴极保护。阴极保护是采取一定措施保护阴极材料不受电解腐蚀，阴极保护法包括牺牲阳极法和外加电流法两种。牺牲阳极法是在被腐蚀的金属体表面附加化学性质更加活泼的镁、铝等金属，被保护的金属从活泼金属中获取电子从而免受电腐蚀。外加电流法是通过外加直流电源，正极接特定材料，负极接被保护金属体，在电源作用下被保护金属体处于阴极电位而免受电腐蚀。

3.2 监测

对杂散电流监测能够使工作人员通过计算机系统实时查询杂散电流相关参数信息，对杂散电流的防护起到辅助决策作用。目前杂散电流还没有直接的测量手段，一般采用多个参数间接反映杂散电流大小的方法。道轨电压、道轨纵向电阻、道轨过渡电阻和要求被保护的金属体电位等参数，能够间接为操作人员提供杂散电流的概况信息，为杂散电流的防治工作提供参考。

4 结论

矿井直流架线电机车的供电系统能够产生直流杂散电流，杂散电流对煤矿安全具有多方面危害，应当采取必要措施进行防治。在直流架线车供电系统、道轨、路基和排水等设施设计初期应将杂散电流防护考虑在内，防患于未然。在矿井日常安全维护工作中应对绝缘检查维护、接地检查维护和排水沟检查维护等工作重视起来，减小杂散电流。如果杂散电流过大，应及时采取技术改造等措施进行防治。