矿用电气防爆技术

矿山电气防爆技术主要内容:一、

概述二、矿用电气设备的类型和特点三、矿用隔爆型电气设备的隔爆原理第一部分、概述

爆炸性危险场所的定义任何具有潜在爆炸危险的场所。如石油、化工、煤炭等生产领域。①在煤矿井下，三分之二的场所属于爆炸性危险场所；

②在石油开采现场和精炼厂约有60～80％属于爆炸性危险场所；

③在化学工业中，约有80％以上的生产车间属于爆炸性危险场所。1.煤矿井下环境对矿用电气设备的要求

（1）煤矿井下空气中含有瓦斯和煤尘，在一定条件下可以被点燃或发生爆炸，因此矿用电气设备必须具有防爆性能。（2）井下时有发生冒顶、片帮等事故，电气设备或电缆易受到砸、压、挤、碰等外力作用，因此电气设备外壳必须坚固。（3）井下空气潮湿，散热条件差，要求电气设备防潮性能好。（4）井下巷道、硐室、采掘工作面空间狭窄，要求电气设备体积小、重量轻。（5）井下电气设备启动频繁，常为重载启动，启动电流大，电压波动大，因此要求电机启动力矩大、过载能力强。（6）井下环境恶劣，工作人员接触电气设备，易发生触电事故，要求电气设备绝缘等级高。2.瓦斯爆炸三要素在煤生成过程中，一些有机物在高温、高压作用下形成了多种气体：甲烷（沼气）、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等，这些气体的混合物称为瓦斯，主要成分是甲烷。甲烷是一种无色、无臭、无味、无毒的气体，比空气比重轻，当其含量达到一定浓度时，遇火源就会燃烧或爆炸。瓦斯爆炸三要素：（1）瓦斯浓度：5%-16%。其中：最易引爆浓度8.5%；爆炸压力最大浓度9.5%；小于5%不爆炸；大于16%只燃烧。（2）点火源：650-750℃。（3）氧：大于12%。3.煤尘爆炸条件

（1）粒度：1µm-1mm（2）挥发分指数：>10%（3）悬浮含量：30-2000g/m³（4）引爆温度：700-800℃（5）空气中氧的含量：>17%4.点火源（1）明火（2）电弧和电火花（3）机械火花（4）热表面—指较大的电气元件及散热片、绝缘或裸露的载流体、电气设备外壳、各种电热丝等。（5）聚焦光斑—发热体的实像。如煤矿井下激光指向仪等。表1激光引爆参数爆炸试验条件不聚焦激光引爆能量（J）以透镜聚焦激光引爆能量（J）甲烷空气混合物﹥0.520.12甲烷空气混合物加煤尘﹥0.43﹥0.00945、瓦斯、煤尘同时存在时的爆炸浓度表2瓦斯煤尘同时存在时的爆炸浓度下限瓦斯浓度下限／％0.51.42.53.54.5煤尘浓度下限／g.m-³34.526.415.56.10.4

6、引爆延迟时间（1）引爆延迟时间从接触火源到引起爆炸所经过的时间。（2）影响延迟时间的因素与点火源温度成反比，与瓦斯浓度成正比。一般为零点几秒至几秒。（3）点燃温度和延迟时间对矿用电气设备具有重大意义点燃温度可用于确定电气设备及导电体的最高允许温度。延迟时间可用于电气设备及导电体的超前保护。7、预防瓦斯、煤尘爆炸的措施

（1）将瓦斯、煤尘的含量严格控制在非爆炸范围内。加强通风，稀释瓦斯浓度；洒水或撒盐粉，降低悬浮煤尘。（2）控制井下各种可能引爆的热源、火源和电源。（3）完善井下供电系统的保护装置。（4）建立和健全各种有效的安全制度和操作制度。8、防爆标准（GB3836系列）

适用的环境条件：

气体：爆炸性气体混合物

气温：-20°C~+60°C

气压：80~110kPa第二部分、矿用电气设备的类型和特点1.矿用电气设备

专为煤矿井下条件而生产的不防爆电气设备

矿用一般型电气设备矿用防爆型电气设备

采取一定措施后，能在具有爆炸危险环境下正常、安全使用的矿用电气设备

2.矿用一般型电气设备

标识符：KY适用范围：没有瓦斯、煤尘爆炸危险的矿井；或有瓦斯、煤尘爆炸危险，但通风良好的地点，如井底车场、总进风巷道、主要进风巷道等。

对矿用一般型电气设备的基本要求：

（1）设备外壳采用非燃性或难燃性材料制造，且具有一定的防水、防外物的要求。（2）引入电缆的接线端子有一定的空气间隙和漏电距离。（3）设备应具有良好的耐潮性能。（4）进线装置应符合国家标准GB3836-2000(爆炸性环境用防爆电气设备）。（5）应有内、外接地螺栓。（6）接线盒的内壁与可能产生火花的金属外壳内壁应均匀地涂上一层耐弧漆。（7）开关把手在切断电源后能自锁，以防误操作。（8）设备内部导体使用铜材。3.矿用防爆型电气设备

标识符：EX序号防爆类型对应的符号防爆标志说明1隔爆型dExdⅠ数字Ⅰ表示防爆类别。Ⅰ类为煤矿用电设备，Ⅱ类为除煤矿外其他爆炸性气体环境用电气设备2增安型eExeⅠ3本质安全型iExiⅠ4正压型pExpⅠ5充油型oExoⅠ6充砂型qExqⅠ7无火花型nExnⅠ8浇封型mExmⅠ9特殊性sExsⅠ（1）矿用增安型电气设备（ExeⅠ）

指正常运行时不产生电弧、火花或危险高温的电气设备，采取适当措施（加强绝缘、增大电气间隙和漏电距离等）提高安全程度，达到防爆目的。外壳不要求具有承受内部爆炸的强度、但至少应能承受规定的机械冲击，且具有IP54的外壳防护等级。典型应用：井下异步电动机、接线盒、电磁线圈(阀)、照明灯具、变压器等。增安型技术是一种德国技术。外壳防护等级外壳防护等级（IP）是将产品依其防尘、防止外物侵入、防水、防湿气之特性加以分级。一般是由两个数字所组成，第一个数字表示产品防尘、防止外物侵入的等级；第二个数字表示产品防湿气、防水侵入的密闭程度。数字越大，表示其防护等级越高。如：IPXX。防尘等级(第一个特征数字X表示)

0：无防护

1：防止直径大于50mm的固体物侵入

2：防止直径大于12mm长度不大于80mm的固体物侵入

3：防止直径大于2.5mm的固体物侵入

4：防止直径大于1mm的固体物侵入

5：防止有害的粉尘堆积

6：完全防止粉尘进入

防水等级(第二个X表示)

0：无防护

1：水滴垂直滴入到外壳无影响

2：外壳倾斜15度时，水滴滴入到外壳无影响

3：水或雨水从60度角落到外壳上无影响

4：外壳受任何方向溅水无有影响

5：用水冲洗无任何伤害

6：可用于船舱内环境

7：短时间内浸水无影响

8：在一定压力下可长时间浸水

（2）矿用隔爆型电气设备（ExdⅠ）

具有隔爆外壳的矿用电气设备。隔爆外壳是利用间隙防爆原理设计制造的，具有足够的机械强度，能耐受内部爆炸性混合物可能产生的最大压力，并严格控制接合面的间隙、宽度和加工光洁度，使电气设备外壳内部发生的电火花不至于引燃外部爆炸性混合物。（3）本质安全型电气设备（ExiⅠ）

在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障状态下，所产生的电火花和热效应，均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路，称本质安全电路。全部电路为本质安全电路的电气设备，称本质安全型电气设备。试验证明，井下瓦斯、煤尘的最小点燃能量为0.28mJ。本质安全型电气设备的特点本质安全型电气设备是通过限制电路的电气参数，进而限制放电火花能量，实现电气防爆。即电路本质上是安全的，不需要防爆外壳。特点①结构简单，体积小，重量轻。②制造、维护方便，造价低。③安全性能可靠。本质安全型电气设备是一种比较理想的防爆设备。本质安全型电气设备的类型及应用本质安全型电气设备：①单一式（全本质安全型）指从电源到负载，全部电路都是本质安全电路的电气设备，其特点是体积小，重量轻，携带方便。井下携带式仪表多半是单一式本质安全型，如：瓦斯检测仪、氧气测定器、一氧化碳测定器、红外线火源探测仪、测尘仪、感应电话、无线电话等。

②复合式（部分本质安全型）复合式又分为一般兼本质安全型和隔爆兼本质安全型两种。当设备主机置于安全场所（如地面绞车房、调度室等)，设计成一般型；送入井下的电路部分设计成本质安全型；总体构成一般兼本质安全型。如矿井调度电话系统、风门遥控系统等。隔爆兼本质安全型电气设备在煤矿井下应用最为普遍。如瓦斯断电仪，扩音电话，采区电气控制、信号、通信系统等。实现本质安全电路的主要措施：

①适当选择电气元件和系数、参数，降低电源电压，减小线路电流。②对储能元件采取消能措施，如在电感元件上并联二极管、电阻、电容等。③在本质安全电路与非本质安全电路之间设置安全栅，防止非本安电路的能量进入本安电路。（4）正压型电气设备（ExpⅠ）

具有正压外壳的电气设备，称正压型电气设备。正压外壳：将新鲜空气或惰性气体充入密封的电气设备外壳内部，并保持一定的正压，以阻止爆炸性混合气体侵入外壳内部，使点火源与爆炸性混合气体相隔离，达到防爆目的的外壳。典型应用：通风机、压力检测器、控制柜、仪表盘、分析仪器、正压小屋等。（5）充油型电气设备（ExoⅠ）

将可能产生的电火花、电弧或危险高温的带电导体浸在油中，使火花或电弧在油中被冷却熄灭，不能点燃油面上的爆炸性混合气体，达到防爆的目的。常见的充油型电气设备有：断路器、控制器、负荷开关、启动器、变压器等。（6）充砂型电气设备（ExqⅠ）

在电气设备或电气设备部分部件的外壳内，填充一定粒度的石英砂，以限制电火花、电弧或危险高温的传播，使之不能点燃外壳以外的爆炸性混合气体，达到防爆的目的。（7）无火花型电气设备（ExnⅠ）在正常运行条件下，不产生火花和热效应，或者即使产生火花和热效应，也不会点燃周围爆炸性气体混合物，并且一般不会发生有点燃作用的故障，这种设备称无火花型电气设备。（8）浇封型电气设备（ExmⅠ）用浇封剂将带电部分浇封起来，以达到防爆目的的电气设备。典型应用：电子组件单元(电子整流器)、线圈部件、超声波探头等产品。（9）特殊型电气设备（ExsⅠ）

本身具有防爆功能，但又不属于上述任何一种类型的、经检验单位认可的电气设备。矿用电气设备的选择

表3井下电气设备选用规定使用场所类别煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井和瓦斯喷出区域瓦斯矿井井底车场、总进风巷和主要进风巷翻车机硐室采区进风巷总回风巷和主要进风巷、工作面和工作面进、回风巷低瓦斯矿井高瓦斯矿井*高低压电机和电气设备矿用防爆型*

*（矿用增安型除外）矿用一般型矿用一般型矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型（矿用增安型除外）照明灯具矿用防爆型*

*

*（矿用增安型除外）矿用一般型矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型（矿用增安型除外）通信、自动化装置和仪表、仪器矿用防爆型（矿用增安型除外）矿用一般型矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型（矿用增安型除外）注释：

*

使用架线电机车运输的巷道中及沿该巷道的机电设备硐室内可以采用矿用一般型电气设备（包括照明灯具、通信、自动化装备和仪表、仪器）。

*

*

煤（岩）与瓦斯突出矿井的井底车场的主泵房内，可使用矿用增安型电动机。***

允许使用经安全检测鉴定，并取得煤矿矿用产品安全标志的矿灯。*矿用电气设备选型原则安全可靠性原则：设备的类、级、组别应与使用的爆炸性环境相适应。经济性原则：设备选型不必高选。对于同等级别的产品应考虑价格、寿命、可靠性、运行费用、耗能、备件的可获得性等因素。环境适应性原则：在同等条件下，应选结构简单、重量轻的产品；必要时还应考虑系统运行要求，如连续的自动化系统应优先选用本质安全型产品。爆炸性气体混合物的类、级、组别

类：煤矿井下爆炸性气体主要是甲烷，标准将其规定为Ⅰ类；地面石油化工场所的爆炸性气体，标准将其规定为Ⅱ类。级：Ⅱ类气体有数百种，按不同气体点燃能量不同的角度，将其分为A,B,C三级。组别：按不同气体自燃温度不同，对Ⅱ类气体进行分组如下组别T1T2T3

自燃温度T≥450450＞T≥300300≥T＞200T（ºC）T4T5T6200≥T＞135135≥T＞100100≥T＞85第三部分、矿用隔爆型电气设备

的隔爆原理

1、隔爆型电气设备

☆具有隔爆外壳的矿用电气设备。☆对隔爆外壳材料的要求：（1）采掘工作面用电气设备的外壳必须采用钢板或铸钢制造。（2）作隔爆外壳的塑料应为阻燃塑料；热塑性塑料不能制成隔爆接合面和构成隔爆间隙。（3）矿用携带式或支架式电钻（及其附带的插接装置）、携带式仪器仪表、灯具的外壳，可采用抗拉强度不低于120MPa、含镁量不大于0.5%（重量比）的轻合金制造。（4）观察指示信号、读取各种仪表示值的观察窗透明材料用硬质玻璃或钢化玻璃制造，其安全性须经机械冲击试验验证。☆对隔爆外壳性能的要求：耐爆、隔爆

2.耐爆性与隔爆性

（1）耐爆性—爆炸稳定性指外壳要有足够的机械强度。即当壳内发生最严重的爆炸，或产生可燃性高压气体时，不使外壳损坏或变形。耐爆性与外壳的形状、容器大小、接合面的间隙等因素有关。表4不同形状容器的爆炸压力外壳形状圆球体正方体圆柱体长方体压力/MPa0.710.60.540.5可见：

在相同容积、不同形状的隔爆外壳中，非球形外壳中的爆炸压力比球形外壳中压力低，即球形外壳的爆炸压力最大，而长方体外壳爆炸压力最小，外壳内的爆炸压力是随着容器形状的不同而改变。这是因为随着外形散热表面积的增大而降低了爆炸压力。因此，隔爆外壳以采用长方形外形为宜，这样可以提高外壳的耐爆能力。

隔爆外壳压力试验外壳容积V（L）V≤0.50.5＜V≤2.02.0＜V试验压力（MPa）0.350.600.80可见：在其他条件都一定的情况下，隔爆外壳的容积与外壳内的爆炸压力成正比。因此在设计制造隔爆外壳时就可以在满足设备技术要求的前提下，尽量减小隔爆外壳的体积，这样既保证了外壳的耐爆性，又减小了设备的体积和重量，更便于在煤矿井下特殊环境中使用。此外，耐爆性还与空腔结构有关

一般隔爆外壳大都是由两个或两个以上的空腔组成，且空腔间是连通的，因此在外壳内爆炸性混合物发生爆炸时将会产生压力重叠现象，也就是当一个空腔里的爆炸性混合物爆炸时，会使另一个空腔里的爆炸性混合物受到压缩，而使压力增高。如果这个空腔再爆，将会出现过压现象，形成多空腔压力重叠，隔爆外壳的耐爆性将受到威胁。因此，在设计制造隔爆外壳时应尽量避免采用多空腔结构，如果无法避免这种结构则应尽量增大各空腔间联通孔的面积。因为多空腔压力重叠的过压大小与两空腔容积比以及连通孔断面积有关。当两空腔容积比一定时，连通孔断面积越大，过压就愈小，从而增加外壳的耐爆性能。另外，外壳的长、宽、高尺寸之比也不要过大，以免造成外壳内的压力重叠现象。

结论：

①

相同体积的容器，散热面积越大，爆炸后的压力越小。

②

相同形状的外壳，容积越小，爆炸压力越小。

③

相同形状、相同容积的外壳，间隙越大，爆炸压力越小。（2）.隔爆性—不传爆性指外壳内爆炸所产生的高温气体与火焰，通过外壳与壳体的接合面向外扩散时，受到足够的冷却，使之不能点燃壳外的爆炸性混合物。

几个术语：隔爆接合面—通常把互相联接的接合面称为“隔爆接合面”，简称“隔爆面”。隔爆间隙—隔爆面之间的间隙称为“隔爆接合面间隙”，简称“隔爆间隙”。隔爆结合面间隙结构—分为静止式和活动式。静止接合面又分为平面对口式和平面止口式，如防爆开关、接线盒等。活动接合面均为圆筒式结构，如电动机的轴与轴孔、开关的操纵杆与杆孔等。隔爆三要素：隔爆面长度、间隙厚度和隔爆面光洁度。①

隔爆面长度即法兰盘宽度，用符号“L”表示。当壳内爆炸时产生的火焰及喷射物向壳外扩散时，法兰隔爆面能吸收大量热量，使通过的火焰及喷射物温度急剧降低，以致达不到点燃壳外爆炸性混合物的温度。试验证明，隔爆面越长，传爆的可能性就愈小。影响最大安全间隙的因素：

a.爆炸性混合物的浓度；b.隔爆法