酒钢西沟矿采场供电系统接地方案探讨

任 毅

(酒钢集团宏兴股份公司西沟矿)

露天采场供电系统的接地是保证采场电动采矿设备正常运转的前提与基础。尤其对于在高海拔高严寒地区的矿山而言，供电系统接地可靠有效对于采矿设备尤为显得重要。由于供电系统接地缺失或者是接地系统不完善导致的设备事故和安全生产事故频发，严重威胁了露天采场矿工的人身安全和正常的采矿生产。因此，保证露天采场供电系统接地的有效运行，避免出现雷雨季和高压供电线路出现故障时可能发生的设备故障和人身安全事故，已经成为露天采矿行业亟待解决的问题之一[1-3]。本研究主要以酒钢西沟矿采场供电系统的接地为对象，通过技术人员不断现场踏勘和试验，将西沟矿采场供电系统接地电阻降至2 Ω左右。经专业检测机构检测验收，符合国家有关标准和要求。

1 现状分析

西沟矿采场海拔3 200 m左右，采场主要采掘矿石为石灰石矿，基本没有黏土，根据现场多次测定，该采场区域的电阻率约为400～1 000 Ω·m，远远大于普通地区的土壤电阻率(70～100 Ω·m)。因此，采用普通降低电阻的方法在该区域制作接地系统的方法必不可行。同时，在国家大力倡导绿色发展的时代背景下，绿色矿山建设是当前矿山企业发展的必经之路[4]，而绿色矿山的首要条件必须依法合规，其中《金属非金属矿山安全规程》中5.8.6.14规定“露天采矿场主接地极的设置，应符合下列规定：采矿场的主接地极应不少于2组，有2组及以上主接地极时，当任一组主接地极断开后，在架空接地线上任一点所测得的对地电阻值应不大于4 Ω”。

2 降阻设计方案对比

参照《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB 50169—2006)3.2.10说明：“在高土壤电阻率地区，接地装置的接地电阻很难达到要求时，采用外扩接地网、深井接地极、多层接地或电解离子接地极等措施来降低接地电阻。”因此，在西沟矿采场采用向土壤施放电解质的方法来降低土壤电阻率[5-7]，同时选用了一种离子接地棒，两者互相结合，保证西沟矿采场供电系统接地电阻满足要求。现将不同降阻方案介绍如下。

2.1 一般降阻方案分析

由于该地区为高土壤电阻率地区接地电阻很难降下来，如果采用电阻率较低的材料，将接地网内的所有土壤改良剂来替换，并辅助打多口深井，即将接地网等效于一个半球接地体，如图1所示。

图1 半球接地体

其中，r为半球接地体的半径，m；ρ为电阻率，Ω·m。其接地电阻R的公式：

(1)

取最高现场土壤电阻率ρ=2 000 Ω·m，假设将接地电阻值降到R=1 Ω，需将半球接地体的半径r扩至318.47 m。 如用打深井释放土壤改良剂，则应打若干个159.23 m的深井，这样做成本很高，且仍占用较多空闲区域，显然也不是理想的解决办法。从半球接地电阻公式可知，如果能将大于接地半球r的土壤电阻率降下来，接地电阻值R就可以降下来。

2.2 单独离子棒将阻方案分析

设N为要达到的接地电阻设计值R所需的防腐电解地极的数量，则

(2)

式中，R0为原地网的接地电阻，Ω；R为地网设计接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；N为离子棒数量；k为系数，当ρ<200 Ω·m，k取3，200≤ρ<500 Ω·m，k取4，500≤ρ<1 000 Ω·m，k取4.5，ρ≥1 000 Ω·m，k取5。

最高土壤电阻率ρ=2 000 Ω·m，k取5,R0=70 Ω，假设R=1 Ω。离子棒套数N=32根。

选用32根离子接地棒作为接地极价格较高，同时施工难度较大，故此方案不太可取。

2.3 离子棒和土壤改良剂结合方案分析

最终设计方案：设计采用L型作为主接地网，共2组，每组长度100 m的水平接地加垂直接地，其中运用钻井法将离子接地棒放置深9 m的钻孔中，作为垂直接地极，配合土壤改良剂，水平接地极采用镀铜扁钢，在地面将水平接地极与垂直埋入的离子接地棒通过放热焊接进行连接，将土壤改良剂铺洒至地网表面，回埋完成地网，再与西沟矿现场原有的2组地网进行可靠连接，最终形成为4个独立地网并联接地，图2为新增主接地网(2组)。

图2 新增主接地网

根据现场勘察情况，接地体与土壤的接触不是很好，难以达到应有接地效果。选取在采场相对土壤电阻率较低的区域进行接地装置的制作，经现场检测，西沟矿采场入口处土壤电阻率较低，约为1 000 Ω.m。考虑实际采用离子接地棒和土壤改良剂，土壤改良剂每袋为25 kg，接地网为长100 m的“L”形状，共2组。每组地网长度100 m，沟槽开挖深d=1.2 m，宽h=1.0 m，水平接地电阻RL和垂直电阻RV计算公式如下。

(3)

(4)

式中，L为接地网长度，m；A为水平接地极形状系数；l为埋设深度，m；d为接地极直径，m。

水平接地极形状系数见表1。

表1 水平接地极形状系数 A

最终确定西沟矿采场供电系统接地电阻约为1.82 Ω，满足国家法律规定的强制性要求，保证采场设备设施的可靠和有效运行。

3 接地材料说明

3.1 水平接地极

镀铜扁钢是由电镀技术在低碳钢上电镀纯度为99.9%以上的电解铜而成，镀铜层各点厚度为0.254 mm以上。特点如下：①耐腐蚀性强，使用寿命长达50 a以上；②具有优良的导电性能，自身电阻远远低于常规材料；③适用于不同湿度、温度及pH值的土壤条件；④对比传统上采用纯铜材料接地，成本大幅度下降。

3.2 垂直接地极

SSS-离子接地棒是一种高效、价优的复合超导防雷接地产品，具有较高的复合超导的防腐蚀率，从而保证地网稳定高效的运作。该离子棒总长9 m，特点如下。

(1)降阻高效。采用多层降阻结构，在有限区域达到最佳综合降阻效果。

(2)接地电阻稳定。内置长效缓释剂，主要物质是导电离子，靠导电离子导电，电极单元还将不断向周围土壤中释放导电离子，改善接地体周围的土壤，接地电阻随季节变化影响较小。

(3)使用寿命长。电极单元内外均做防腐处理，外置离子导电剂能紧密包裹，同时对电极单元有缓释作用。

(4)安全性高。本接地装置设计有泄流环结构，能有效降低大电流，保障地面人员安全。

(5)安装不需要水。特别适合于野外、高山、戈壁滩等缺水的施工现场；安装非常方便，纳米碳电极单元可竖直安装，开挖量少。

(6)绿色环保。本接地装置所用的一切材料均无毒无污染。

3.3 土壤改良剂

土壤改良剂致力于接地降阻的整体方案。尤其适用于戈壁滩、岩石等复杂地质条件下的接地。特点如下。

(1)速效降阻。埋入地下后，该产品释放到土壤中，可以很快发生作用，特别是在高土壤电阻率地区，降阻效果尤其明显。使用本降阻剂，可使原接地极降阻60%～90%。

(2)潜深接地。释放到土壤中，可以逐渐深入到土壤的深处，达到电极长度的十到几十倍，达到潜深接地降阻的效果。

(3)导电防腐。本改良剂的pH值为8，中性略微偏碱性，对接地体有钝性保护、缓蚀保护和覆盖层保护作用；其次，本改良剂含锌及其化合物，对接地钢材还具有阴极保护作用。因而采用本改良剂包裹接地极，不仅能够降阻，而且还能有效地防止地网腐败。

(4)接地稳定。土壤改良剂改良土壤性能，保证了接地电阻无论气候条件、无论季节变化或者降雨变化等，均可保证接地电阻稳定。本改良剂导电性不受酸、碱、盐及温度、湿度条件影响，不会因地下水位下降或天气干旱而降低导电性。

(5)采用本改良剂包裹的接地极(体、线)制作的地网，受气象、季节、环境、土壤等因数影响较小，Rmax/R≤1.36，接地阻值稳定。

4 结 语

通过露天采场供电系统接地装置的制作，有效保证采矿设备接地装置的正常运行，避免设备供电系统引发接地故障而引起的设备和人身伤害事故，有效保证岗位作业人员的人身安全，提升露天采场的本质安全水平。由于西沟矿采场地质干燥，采用其它接地方案均未能达到预期效果，而该接地方案选用的接地材料具有廉价易购、易导电、性能稳定、耐腐蚀和易于施工等特点，该项目实施后，西沟矿采场供电系统满足《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2006)2018版的强制性规定，满足国家级绿色矿山依法合规的基本要求，为西沟矿顺利进入国家级绿色矿山名录做出前期铺垫。