11電氣設備防爆原理

任務

1能 力 目 標of127、會選擇電氣設備防爆外殼的材料，采取防爆措施；、了解本質安全電路和設備的防爆；、會選用礦用電氣設備。知 識 要 點、電氣設備的防爆原理，防爆特性、防爆措施；、本質安全電路和設備的防爆；、礦用電氣設備的類型、特點和作用。任務

1任務分析任務描述of227任務

1一

井下開關電氣設備在運行中頻繁起動、停止，勢必產(chǎn)生電??；其他電氣設備及其連接導線等，在正常工作或故障狀態(tài)下，因接觸不良也將產(chǎn)生電火花。因電弧和電火花的溫度都超過點燃瓦斯、煤塵的

爆炸溫度，所以必須解決這類設備的防爆問題。電氣設備防爆的必要性of327任務

1一瓦斯、煤塵的爆炸條件礦井在開采過程中，從煤、巖層中不斷地涌出瓦斯，其中有甲烷、乙烷、一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等氣體，但主要是甲烷（

CH4

），又名沼氣。在正常溫度和壓力下，瓦斯?jié)舛群窟_

5%

～

16%

時，遇到點燃熱源就會爆炸。①瓦

斯

爆

炸

的

壓

力

和

溫

度

濃度在9.

5%

的甲烷空氣混合氣體，在常溫常壓下以密閉容器絕熱條件下試驗，最高爆炸溫度可達

2650℃

，一般在

2000℃-2200℃

之間。由于高溫產(chǎn)生了高壓，在一定容積下，根據(jù)查理定律推算，爆炸壓力的理論值為

0.8

～

0.82MPa。但由于爆炸生成物的自由擴散，造成瞬間熱損失，爆炸后的溫度大致在1800℃

左右，故其實際爆炸壓力約為

0.716MPa

。此外，它還隨外殼的形狀、容積的大小、結合面間隙等因素而變化，其容積形狀與壓力的關系見表1

。of427任務

1一瓦斯、煤塵的爆炸條件①瓦 斯 爆 炸 的 壓 力 和 溫 度表

1

不同形狀容器的爆炸壓力外殼形狀圓球形正方形圓柱形長方形壓力

/MPa0.710.60.540.5②of527外殼內(nèi)絕緣油及有機物分解產(chǎn)生的壓力絕緣油及有機物在強烈電弧作用下，會分解產(chǎn)生大量氣體，使外殼受到較大的壓力。根據(jù)試驗得知，這種壓力要比瓦斯爆炸壓力還大任務

1一瓦斯、煤塵的爆炸條件③多

空

腔

的

過

壓

現(xiàn)

象根據(jù)試驗，過壓大小與兩腔凈容積之比和連通孔斷面積的大小有關。為此，應不采用多腔結構，如用時，應盡量縮小兩腔容積差，一般要小于

4:1

，而連通孔的面積應大于

750mm2

。④煤

塵

爆

炸

的

粒

度

含

量

及

溫

度煤塵粒度在

1μm

～

1

mm

范圍內(nèi)，揮發(fā)指數(shù)（即煤塵中所含揮發(fā)物的相對比例）超過

10%

，且飛揚在空氣中的含量達

30 g/m3 ～

2

000

g/m3

時，遇有

700℃ ～

800

℃ 點燃溫度時便會爆炸，爆炸后還生成大量一氧化碳，它比瓦斯爆炸具有更大的危險性。爆炸最猛烈的煤塵含量是

112

g/m3

。of627任務

1一瓦斯、煤塵的爆炸條件當然引起瓦斯、煤塵爆炸的點火源不僅是電弧和電火花，還有金屬撞擊和摩擦火花、炮焰、煤自然發(fā)火及明火等，在工作中應特別注意。瓦斯、煤塵爆炸時產(chǎn)生很大的沖擊力，具有極強的破壞性，人受到傷害，設備、巷道遭到破壞，是井下最大的惡性事故。為了防止瓦斯、煤塵爆炸，可從兩個方面采取措施：一方面限制它們在空氣中的含量，如加強通風，減少瓦斯?jié)舛?，對煤塵可用灑水和撒巖粉的方法，迫使其降落；另一方面就是控制井下各種引爆的火源和熱源，使之不外露或低于點燃溫度。of727任務

1一電氣設備的防爆途徑采用隔爆外殼

把電氣設備裝在一種具有隔爆性能的特制外殼內(nèi)，該殼應能承受可能進入其內(nèi)部的可燃性氣體的爆炸，而不致?lián)p壞或產(chǎn)生永久性變形，并且不至使內(nèi)部產(chǎn)生的火焰通過外殼上任何結合面或孔眼點燃外部的可燃性氣體。

隔爆型設備外殼一般采用鋼板或鑄鋼制成，但容積不大于

2L

的設備外殼，允許采用塑料制品。容積不大于

0.01L

的設備外殼，

允許用陶瓷材料制作。對于煤礦用的手持式或支架式電鉆及附帶插銷、攜帶式儀器儀表、燈具等的外殼，可用鋁合金做外殼，但其抗拉強度不得低于117.6MPa。1of827任務

1一電氣設備的防爆途徑采用隔爆外殼1耐爆性是指隔爆外殼的機械強度。當殼內(nèi)發(fā)生最嚴重的瓦斯爆炸，或因高溫引起管內(nèi)有機絕緣物分解而生成可燃性高壓氣體時，其壓力不致使外殼變形和損壞，其高溫不致使外殼損傷。耐爆性隔爆性就是要求外殼各部件的結合面符合一定要求，使殼內(nèi)發(fā)生爆炸時，向外傳的火焰或灼熱的物質不會引起殼外的可燃性氣體爆炸。這是由外殼裝配結合面的結構參數(shù)，如寬度、間隙和表面粗糙度來保證的。隔爆性of927任務

1不致引燃殼外的瓦斯或煤塵，即外殼必須有耐爆和隔爆性能。耐爆性能由外殼的機械強度保證。實驗證明：

殼內(nèi)爆炸壓力與外殼的容積大小和形狀有關。外殼形狀以長方形為壓力最小，故近年來隔爆電氣設備的外殼多設計成長方形。外殼凈容積越大，爆炸時產(chǎn)生的爆炸壓力也越大。不同容積外殼的機械強度要求見表

2表

2 隔爆外殼的試驗壓力外殼容積

/LV≤0.50.5

＜

V≤2.02.0 ＜

V試驗壓力

/MPa0.350.60.8一電氣設備的防爆途徑采用隔爆外殼將電氣設備置于隔爆外殼內(nèi)，當外殼內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸時，

外殼既不破裂或變形，

也1of1027任務

1間的隔爆結合面要符合一定的要求。當殼內(nèi)發(fā)生爆炸時，火焰通過結合面間隙向外傳播的過程中，應受到足夠冷卻，使其溫度降至瓦斯燃點溫度以下。因此，

對結合面的間隙、最小有效長度和粗糙度均有一定要求。粗糙的要求，

靜止的隔爆結合面的插銷套應大于

6.

3

，

操縱桿應不大于

3.

2

。對隔爆結合面最大間隙或直徑差

W

和最小有效長度

L

及螺栓通孔至外殼內(nèi)緣的最小長度

L1

的要求見表

3

。表3

礦用電氣設備隔爆外殼隔爆結合面結構參數(shù)單位：mm結合面型式LL1W外殼容積/LV

≤0.1V

＞0.16.06.00.30—平面、止口或圓筒12.58.00.400.40結構①25.09.00.500.5040.015.0—0.606.0—0.400.40帶有流動軸承的圓12.5—0.500.50筒結構②25.0—0.600.6040.0——0.80注：①對于操縱桿，當直徑d不大于6.0mm

時，隔爆結合面的長度L須不小于6.0mm；直徑d不大于25mm

時，L須不小于d；d大于25mm

時，L須不小于25mm

。②當軸與軸孔不同心時，最大單邊間隙須不大于W

值的2/

3。采

用

隔

爆

外

殼1采

用

隔

爆

外

殼為了保證隔爆性能要求，外殼各部件之1一電氣設備的防爆途徑of1127任務

1有關礦用隔爆型設備的詳細隔爆要求及工廠用隔爆設備的隔爆要求，請見國家標準

GB

3836

系列。外殼容積

/LV≤0.10.1

＜V≤2.02.0 ＜

V螺紋嚙合長度

/mm5912.5一電氣設備的防爆途徑采

用

隔

爆

外

殼對于螺紋隔爆結構，螺紋精度須不低于

3

級，螺距須不小于0.7mm

，螺紋嚙合扣數(shù)不小于

6

扣，螺紋嚙合長度不低于表

4

的規(guī)定，并且應有防止松脫的裝置。表

4 螺紋隔爆結構參數(shù)1of1227任務

1它有結構簡單、體積小、重量輕、制造維修方便、造價低、安全可靠等特點，可用在任何瓦斯礦井，故在通訊、信號、遙測遙控、自動裝置等弱電系統(tǒng)中得到廣泛應用。一電氣設備的防爆途徑采用本質安全電路和設備由于本質安全型電氣設備不需要隔爆外殼，也不是采用隔離電火源（如通風、充油）的方法來防爆的，而是在設計電氣設備時就將電路的電氣參數(shù)選擇在安全火花允許值以下，保證電路在正常工作和故障狀態(tài)下所產(chǎn)生的電火花或高溫都不會點燃可燃性混合物。2隔爆方式隔爆特點of1327任務

1在井下，當空氣中甲烷等爆炸性混合物的濃度為

8.5%

時，遇到0.28 mJ

能量電火花即可爆炸。因此安全火花產(chǎn)生的能量必須低于某一安全值，一般認為是

0.02mJ

。在此能量值以下的電火花是安全的，它不致引爆。因此，討論電火花點燃瓦斯這一問題是比較復雜的。但就其主要因素而言，對于簡單的感性電路，安全火花能量的大小主要取決于電流和電感；對于簡單容性電路，主要取決于電容和電壓；對于電阻性電路，主要取決于電壓和電阻。一電氣設備的防爆途徑采用本質安全電路和設備2井下隔爆取決因素of1427任務

1一電氣設備的防爆途徑

電火花能量是決定定點燃瓦斯的主要參數(shù)，在設計本質安全型電路時，必須限制火花能量。其主要方法有：

（

1

）合理選擇電氣元件，盡量降低電源電壓。

（

2

）增大電路中的電阻或利用導線電阻來限制電路中的故障電流。

（

3

）采取消能措施，消耗或衰減電感元件或電容元件中的能量。由于電火花能量受到限制，故只適用于信號、通訊、測量儀表、控制回路等弱電系統(tǒng)，且本電路不需隔爆外殼，具有體積小、重量輕，安全可靠等優(yōu)點。2限制火花能量措施適用場所of1527采用本質安全電路和設備任務

1將電源切斷。這種方法已用于礦用照明燈、礦用屏蔽電纜和放炮器。現(xiàn)以屏蔽電纜為例說明其工作原理。礦用屏蔽電纜與檢漏繼電器配合使用，可做到超前切斷電源。當屏蔽電纜受到機械操作時，相間絕緣被破壞，電纜心線首先與屏蔽造成漏電，檢漏繼電器動作使饋電開關跳閘。這樣，在電纜內(nèi)部還未形成短路故障之前切斷電源?？焖贁嚯娤到y(tǒng)的工作原理是：電火花點燃瓦斯和煤塵需要一定時間，其時間的長短因電路參數(shù)和故障因不同而異，但最短不少于

5ms

。如果故障切除時間小于

5 ms

，則無論電纜受何操作，其電火花均不能點燃瓦斯和煤礦塵。一般快速斷電系統(tǒng)的斷電時間為

2.5

～

3

ms

。 一電氣設備的防爆途徑超前切斷電源和快速斷電系統(tǒng)若電氣設備出現(xiàn)故障情況，在可能點燃瓦斯之前，可利用自動斷電裝置3of1627任務

1二根據(jù)礦用電氣設備結構特點及不同的要求，分為兩大類：一類是礦用一般型電氣設備；另一類是礦用防爆型電氣設備。體積小、重量輕，

且便于移動和安裝。井下巷道、硐室和采掘工作面的空間狹窄，

這樣可節(jié)省硐室建筑費用和搬遷方便。有堅固的外殼和較好的防潮、防銹性能，

因為井下存在著冒頂、片幫等隱患及滴水、淋水等現(xiàn)象。有防爆性能，

因為井下存在的瓦斯和煤塵，在一定條件下有爆炸危險。有較大的過載能力，

因為井下機電設備工作任務繁重，

啟動頻繁，

負載變化較大，

設備易過載。外殼應封閉，

且有機械、電氣閉鎖及專用接地螺絲；

煤電鉆、照明信號及控制電器應采用

127

V

及

36

V

低壓，

因為井下潮濕，

易觸電。特

點一特

點二特

點三特

點四特

點五of1727任務

1它們與地面普通電氣設備相比較，其外殼堅固、封閉，能防塵、防滴、防濺；絕緣更加耐潮；與電纜連接采用專門的電纜接線盒或插銷裝置，沒有裸露接頭；接線端子相互之間以及和外殼之間，有增大的漏電距離和電氣間隙；有防止從外部直接觸及殼內(nèi)帶電部分的機械閉鎖裝置。與地面普通型電氣設備

的區(qū)

別二礦用一般型電氣設備礦用一般型電氣設備，是指一些專為煤礦井下條件而生產(chǎn)的不防爆電氣設備。礦用一般型電氣設備的外殼上標有“

KY”

。定義適用場所 因而適合用于煤礦井下無瓦斯和煤塵爆炸危險的場所。of1827任務

1二礦用一般型電氣設備外殼機械強度較高，防滴防濺。特 點 一絕緣材料耐潮性好。特 點 二漏電距離及空間間隙較大。特 點 三采用電纜進出線。特 點 四of1927任務

1隔爆型電氣設備（

Exd

Ⅰ

）

隔爆型電氣設備是具有隔爆外殼的電氣設備，

標志符號為“

d”

。這種設備將可能產(chǎn)生電火花和電弧的元件放在隔爆外殼中，使其與外界環(huán)境隔離。其舊標志符號為“

KB”

。1 2增安型電氣設備（Exei)二礦用防爆型電氣設備礦用防爆型電氣設備屬于第Ⅰ類電氣漫備（工廠用屬于Ⅱ類），其外殼上和設備銘牌上都有“

Ex”

標志。它分為以下幾種。of2027又叫礦用安全型電氣設備，

其標志符號為“e”。增安型電氣設備在正常運行中不會產(chǎn)生電弧、火花或可能點燃爆炸性混合物的高溫，它不采用隔爆外殼，只是采取適當措施，以提高安全程度。在正常時有可能產(chǎn)生電火花的部分，須采取局部隔爆措施。其舊標志符號為“KA”。任務

1礦用防爆型電氣設備3本質安全型電氣設備（

ExiaⅠ或

ExibⅠ

）

其標志符號為“

i”（本安型又分

a

和

b兩個等級，

a

等級的安全程度高于

b

等級），本安型電氣設備是指全部電路均為本安型電路的設備。其舊標志符號為“

KH”

。4隔爆兼本質安全型電氣設備（

ExdiaⅠ

或

ExdibⅠ

）

其標志符號為“di”

，這種電氣設備是隔爆型與本安型的組合，它的非本安電路部分置于隔爆外殼中。其舊標志符號為“

KBH”

。二of2127任務

1礦用防爆型電氣設備5充砂型電氣設備（

ExqI)其標志符號為“

q”

，充砂型電氣設備釙殼內(nèi)充填砂粒材料，使其在規(guī)定的使用條件下殼內(nèi)產(chǎn)生的電弧、火焰只使外殼壁或砂粒材料的表面過熱，而不能點燃周圍爆炸混合物。6正壓型電氣設（

ExpI)它是一種具有正壓外殼的電氣設備，其標志符號為“

p”