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1、图 2 电解腐蚀金属原理图图 1 井下机车供电系统示意图煤矿井下直流牵引 供电系统中的杂散电流研究李锋 1 郁青林 2 朱磊 3山西和顺天池能源有限责任公司 032700道， 它们都是杂散电流的良好通道。 在回流点附近，电流从管架流出，使 管线在电流的流出点受到电腐蚀。由 于巷道表面湿度大，且水中又多含酸 性， 这就等于管线外表有电解液存 在， 使杂散电流对其产生电解作用， 致使巷道中的金属管道及铠装电缆外皮 等不断腐蚀而剥落。 金属管路或电缆外金属皮，最后回流到 变流所，这样就产生了井下直流杂散电 流。 2 煤矿井下杂散电流的危害 直流牵引供电系统中产生的杂散电 流对矿井设备和生产安全有着较
2、大的危 害， 主要表现在以下几个方面 ：（1 ）井下杂散电流影响架线电机 车的正常运行质量， 增加电能消耗， 导致企业生产成本的提高。 （2 ）井下杂散电流有可能使漏电 保护装置误动作。当电机车运行到轨 道 电 位 较 高 的 位 置 时 （ 如 采 区 附 近 ） ， 杂散电流可以通过采区电网的 绝缘电阻到达采区的低压电网到达继电 器，致使通过继电器线圈的直流电加 大， 导致漏电保护装置发生误动作， 影响安全生产。 （3 ）井下杂散电流会对邻近的管 路和铠装电缆外皮等金属造成腐蚀， 缩短金属管道和铠装电缆的使用寿命。 一般在煤矿井下运输大巷中，除架线 外， 还敷设有压风、 排水等各种管 引言
3、 在煤矿井下， 杂散电流严重影响 煤矿井下的安全生产，其存在能加速 沿线的金属管道和铠装电缆金属外壳的 腐蚀，甚至引起雷管的超前爆炸，并 诱发瓦斯、煤尘爆炸。因此深入探讨 矿井直流杂散电流的产生、危害与防 治对确保煤矿的安全生产具有十分重要 的意义。 1 煤矿井下杂散电流的产生机理 杂散电流（Stray current ）是 指由于某些原因，离开了指定的导体而 在原来不应有电流的导体内流动的电流 1 。目前我国矿用直流架线式电机车 一般采用单架空线方式。该架线方式将 馈电线路架设在电机车上方, 利用运输 轨道作为回流线，其建设投资和维护费 用较低，因此得到普遍应用。但把运输 轨道（钢轨）作为回
4、流线，如图 1 所示， 由于钢轨和道床间无电气绝缘，从而与 大地直接接触，漏电量很大；加之钢轨 接缝连接不善，致使钢轨中的电流有相 当大的一部分被大地及其附近的金属管 线等物所分流，这部分电流流经水沟、电解反应方程式如下： 4Fe+(SO )2- +4H O FeS+3Fe4 -2 (OH) 2+2OH 当电缆外壳局部被腐蚀穿，水分 进入电缆将会破坏电缆的绝缘，引起 井下高压开关误动作，严重时可能会 烧毁机电设备。 （4 ）井下杂散电流可能引起电雷 管的超前爆炸，威胁人员安全，严重摘 要本文对杂散电流的产生机理进行了研究，分 析了其可能产生的几种危害；通过构建数学 模型，从理论上分析了影响杂散
5、电流大小的 几个重要参数，并根据杂散电流与这几个参 数间的相互关系提出了对杂散电流的防止措 施 。 关键词杂散电流 ； 数学模型 ； 防治措施 ， 影响矿井安全生产。由于存在杂散电 电流 的大小与钢轨电阻 R、钢轨与大 流 使得轨道与管路之间有一个电位 地间的接触电导 G 以及电机车与牵引（2 ） 差。当雷管的 2 根引脚分别碰到钢轨和 变电所间的距离 x 这三个参数的关系 管路时 就会有电流流过雷管 如果这个 式中：C 1 、C 2 - 积分常数； 最大。因此如何合理配置井下牵引供电 电流大于雷管的起爆电流时（约 4 5 0a - 常数 。 系统，使参数 R 与 G 取得最佳值成为防 mA
6、） 就会使雷管引爆。这种情况十 由（1）式可以看出，钢轨上某点的 治井下杂散电流的关键。传统的最直接 分危险。 的防治方法均有其实用价值2 。杂散电流值与该点的轨道电位 u 和钢轨 （ 5 ） 井下杂散电流容易引起瓦与大地间的接触电导 G 有关，钢轨电阻（ 1 ） 用重轨替代轻轨， 降低钢 斯、煤尘的燃烧和爆炸。当有金属碰 轨电阻，减小轨道接缝电阻，增大通R 越大， 钢轨与大地的接触电导 G越小， 撞管路或轨道时 若存在杂散电流流过则杂散电流越大。因此，要尽量选择截过钢轨的电流。 时，就会产生电火花；一旦杂散电流 焊接长轨是减小直流杂散电流危害面积大的长轨来作为运输轨道，同时在 值超过其引爆安
7、培数量级时（约 3 0 0轨道接缝处一定要进行电气上的联接。 的最有效办法。回电轨道的接缝应进 mA ） 瓦斯就会发生爆炸，从而造成 电机车与牵引变电所间的距离 x 也 行电气连接。采用长度 600mm 、截2严重的安全事故。是影响轨道压降大小的重要参数之一。面 5 0 m m的铜线或截面积 3 煤矿井下直流杂散电流分析x 的大小直接反映了机车供电半径的长 255mm 2 的铁线焊接，焊接处的接触 面积 255mm2 。焊缝电阻应 3m 长矿井杂散电流的分布属于空间问 度。 可以看出， 电机车的供电半径越大， 题，它与井下运输巷道的空间几何尺轨道压降就越大，从而产生的杂散电流同型钢轨的电阻值。
8、 两平行钢轨之 间，每隔 200m 要连接 1 根断面积寸及电机车和牵引变电所之间的距离有 也就越大。因此，在配置井下牵引供电2着密切联系，较难实现理论分析。因 系统时，应尽量避免对牵引电机车的长 5 0 m m 的铜线或其它等效电阻的导此必须对其作适当简化，以方便建立 线。在道岔处，导轨与主轨之间应进距离供电，以减小杂散电流。 3 物理模型和数学模型： 4 杂散电流的防治措施行焊接 。1 ）把杂散电流的空间分布问题简（ 2 ） 缩短供电半径及增设变流 要防治杂散电流，可以从影响杂 化为平面分布问题 ； 散电流的几个参数着手。从井下杂散 所 。2 ）把场的问题简化为分布参数的根据煤矿井下牵引网
9、络杂散电 电流产生的机理和上面的计算公式(2) 流防治规范规定，牵引变电所应设电路问题 ； 可以看出，机车运行到某点 M 后杂散 3 ）认为轨道和管线连接完好，电 导分布均匀。 根据以上三个假定，可得到运输 巷道中电机车距牵引变流所 M 处，机 车供电系统的等值电路图。如图 3 所 示 。 由等值电路图建立数学模型，得 到一个二元一次偏微分方程组：（1 ）R- 单位长度上的钢轨电阻值；G- 单位长度上的钢轨与大地间的接触电导； u- 钢轨的电位；i- 流过钢轨的电流；x- 机车与牵引变电所间的距离把式 （ 1 ） 化简， 得到 ： 图 3 机车供电系统的等值电路图忽略二阶无穷小量 ，得方程组
10、：解该二元一次偏微分方程组，得 图 4 牵引电网改变电压极性示意图其通解 ：i ,-79-制 造中国科技信息2006年第22期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2006在架线区间中央，供电半径不宜大于 115km 。 若供电半径过大，架线牵引网络 的轨道和架线在机车运行中电压降的大 小直接影响杂散电流的大小，尤其是 多台机车共同行驶时， 影响会更大。 当供电半径缩小以后，牵引网路上的 电压降也就降低了，而轨道上的电压 降亦同时降低， 故可减少杂散电流。 （ 3 ） 改变牵引电网电压极性。 改变牵引电网电压极性，把正电 源接钢轨，负电源接架
11、线。这种做法 虽不能减小杂散电流，但能解决电缆 的腐蚀问题。 （ 4 ） 降低牵引网络电压等级。 在保证供电效率条件下，降低牵 引网路电压等级，如由 550 V 降至 250 V 可有效地降低杂散电流数值。 （ 5 ） 提高交流电网的绝缘水平。 即采用对称结构的橡套电缆及采用 屏蔽电缆 , 可提高交流电网的绝缘水 平 。 5 结论 煤矿井下架线电机车杂散电流存 在，对煤矿的安全生产都具有极大的危 害性。防治杂散电流，应从科学管理出 发，把防治工作贯彻到井下运输系统的 设计、安装、运行和维护工作的全过程 中，将杂散电流减小到最低程度，限制 在一定范围，从根本上消除其带来的危 害，确保井下机车安全
12、、可靠、高效运 行。境中， 单击菜单栏中的 “数据显示” 菜单， 画面便会切到数据显示画面。 为了保证快速便捷的返回自动控制画 面，需要进行自动控制画面的菜单连上接第 77 页“ Y 1 ” 、 “ Y2 ” 、 “ Y 3 ” 、 “ Y 4 ” 、 “ Y 5 ” 、 “水” 添加到组 对象成员中。 （ ） 单击 “确认” 按钮， 组 对象设置完毕。 3.6.2 报表输出 所谓数据报表就是根据实际需要以 一定的格式将统计分析后的数据记录显 示和打印出来，常用的报表有实时数 据报表和历史数据报表。数据报表在 工控系统中是必不可少的一部分，是 对生产过程中系统监控对象状态的综合 记 录 。 （
13、） 实时报表 实时报表用于将当前时间的数据变 量按一定报告格式显示和打印出来。 通常实时报表可以通过 MCGS 系统的 自由表格构件来创建。具体制作步骤 从 略 。 （） 历史报表 历史报表通常用语从历史数据库中 提取数据记录，并以一定的格式显示 历史数据。利用历史表格动画构件实 现历史报表的步骤从略。 3.6.3 曲线显示 对生产过程的重要参数进行曲线记 录有两个好处：一是评价过去的生产 情况，二是预测以后的生产过程，因 此曲线显示在工控系统中是一个非常重 要的部分。曲线显示有实时曲线显示 和历史曲线显示。 （） 实时曲线 实时曲线可象笔绘记录仪一样以曲 线形式实时显示一个或多个数据对象数
14、值的变化情况。具体制作步骤从略。 （） 历史曲线 历史曲线主要用于事后查看数据和 状态、分析变化趋势和总结规律。制 作过程从略。 3.6.4 数据显示画面的菜单连接 (1) 新增一用户策略，名为数据显 示 。 (2) 新增一菜单项，名为数据显 示， 并建立 “数据显示” 菜单和策 略之间的关系。 3.6.5 自动控制画面的菜单连接 经过以上设置，在 MCGS 运行环接 。 (1) 新增一用户策略，名为控制画 。 ( 2 ) 新增一菜单项， 名为控制画 面面， 并建立 “控制画面” 菜单和策 略之间的关系。 4 结束语 利用 MCGS 组态软件实现对加热 反应炉的自动控制，是组态技术的在 工控系
15、统中的典型应用。 通过使用 MCGS 组态软件，并结合现场的通用 I / O 设备（传感器和板卡） ，可以对 加热反应炉进行进料和排料、进气和 排气、加热等自动控制，可以进行数 据实时显示报表输出和历史数据的记录 和报表输出，并可以对反应炉内水位 变化进行实时曲线显示输出和历史曲线 显示输出。这样，既可以对加热反应 炉进行现场的实时自动控制，又可以 对加热反应炉的状态进行实时数据监 控，以避免事故的发生。当意外情况 或是事故发生之后，可以通过对历史 数据报表和历史曲线的观察和分析， 总结经验，加强管理，从而避免今后 再次发生类似的意外情况或事故，达 到安全生产的目的。 -80-参考文献 1 崔克清. 安全工程大辞典. 北京： 化学工业出版社 1995. 2 王志宏.杂散电流及其防治.北京: 煤炭工业出版社 1986. 3 煤矿电工手册. 北京：煤炭工业 出版社 1984. 作者简介 李锋 （ 1 9 8 1 ） ， 男， 山东泰安人， 大 学学历， 现工作于山西和顺天池能源有限责 任公司，从事矿山机电技术管理工作 参考文献 1 袁秀英主编组态控制技术电 子工业出版社 年月 2 王亚民， 陈青， 刘畅生， 王水 平. 组态软件设计与开发. 西安电子科 技大学
