11电气设备防爆原理

任务

1能 力 目 标of127、会选择电气设备防爆外壳的材料，采取防爆措施；、了解本质安全电路和设备的防爆；、会选用矿用电气设备。知 识 要 点、电气设备的防爆原理，防爆特性、防爆措施；、本质安全电路和设备的防爆；、矿用电气设备的类型、特点和作用。任务

1任务分析任务描述of227任务

1一

井下开关电气设备在运行中频繁起动、停止，势必产生电弧；其他电气设备及其连接导线等，在正常工作或故障状态下，因接触不良也将产生电火花。因电弧和电火花的温度都超过点燃瓦斯、煤尘的

爆炸温度，所以必须解决这类设备的防爆问题。电气设备防爆的必要性of327任务

1一瓦斯、煤尘的爆炸条件矿井在开采过程中，从煤、岩层中不断地涌出瓦斯，其中有甲烷、乙烷、一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等气体，但主要是甲烷（

CH4

），又名沼气。在正常温度和压力下，瓦斯浓度含量达

5%

～

16%

时，遇到点燃热源就会爆炸。①瓦

斯

爆

炸

的

压

力

和

温

度

浓度在9.

5%

的甲烷空气混合气体，在常温常压下以密闭容器绝热条件下试验，最高爆炸温度可达

2650℃

，一般在

2000℃-2200℃

之间。由于高温产生了高压，在一定容积下，根据查理定律推算，爆炸压力的理论值为

0.8

～

0.82MPa。但由于爆炸生成物的自由扩散，造成瞬间热损失，爆炸后的温度大致在1800℃

左右，故其实际爆炸压力约为

0.716MPa

。此外，它还随外壳的形状、容积的大小、结合面间隙等因素而变化，其容积形状与压力的关系见表1

。of427任务

1一瓦斯、煤尘的爆炸条件①瓦 斯 爆 炸 的 压 力 和 温 度表

1

不同形状容器的爆炸压力外壳形状圆球形正方形圆柱形长方形压力

/MPa0.710.60.540.5②of527外壳内绝缘油及有机物分解产生的压力绝缘油及有机物在强烈电弧作用下，会分解产生大量气体，使外壳受到较大的压力。根据试验得知，这种压力要比瓦斯爆炸压力还大任务

1一瓦斯、煤尘的爆炸条件③多

空

腔

的

过

压

现

象根据试验，过压大小与两腔净容积之比和连通孔断面积的大小有关。为此，应不采用多腔结构，如用时，应尽量缩小两腔容积差，一般要小于

4:1

，而连通孔的面积应大于

750mm2

。④煤

尘

爆

炸

的

粒

度

含

量

及

温

度煤尘粒度在

1μm

～

1

mm

范围内，挥发指数（即煤尘中所含挥发物的相对比例）超过

10%

，且飞扬在空气中的含量达

30 g/m3 ～

2

000

g/m3

时，遇有

700℃ ～

800

℃ 点燃温度时便会爆炸，爆炸后还生成大量一氧化碳，它比瓦斯爆炸具有更大的危险性。爆炸最猛烈的煤尘含量是

112

g/m3

。of627任务

1一瓦斯、煤尘的爆炸条件当然引起瓦斯、煤尘爆炸的点火源不仅是电弧和电火花，还有金属撞击和摩擦火花、炮焰、煤自然发火及明火等，在工作中应特别注意。瓦斯、煤尘爆炸时产生很大的冲击力，具有极强的破坏性，人受到伤害，设备、巷道遭到破坏，是井下最大的恶性事故。为了防止瓦斯、煤尘爆炸，可从两个方面采取措施：一方面限制它们在空气中的含量，如加强通风，减少瓦斯浓度，对煤尘可用洒水和撒岩粉的方法，迫使其降落；另一方面就是控制井下各种引爆的火源和热源，使之不外露或低于点燃温度。of727任务

1一电气设备的防爆途径采用隔爆外壳

把电气设备装在一种具有隔爆性能的特制外壳内，该壳应能承受可能进入其内部的可燃性气体的爆炸，而不致损坏或产生永久性变形，并且不至使内部产生的火焰通过外壳上任何结合面或孔眼点燃外部的可燃性气体。

隔爆型设备外壳一般采用钢板或铸钢制成，但容积不大于

2L

的设备外壳，允许采用塑料制品。容积不大于

0.01L

的设备外壳，

允许用陶瓷材料制作。对于煤矿用的手持式或支架式电钻及附带插销、携带式仪器仪表、灯具等的外壳，可用铝合金做外壳，但其抗拉强度不得低于117.6MPa。1of827任务

1一电气设备的防爆途径采用隔爆外壳1耐爆性是指隔爆外壳的机械强度。当壳内发生最严重的瓦斯爆炸，或因高温引起管内有机绝缘物分解而生成可燃性高压气体时，其压力不致使外壳变形和损坏，其高温不致使外壳损伤。耐爆性隔爆性就是要求外壳各部件的结合面符合一定要求，使壳内发生爆炸时，向外传的火焰或灼热的物质不会引起壳外的可燃性气体爆炸。这是由外壳装配结合面的结构参数，如宽度、间隙和表面粗糙度来保证的。隔爆性of927任务

1不致引燃壳外的瓦斯或煤尘，即外壳必须有耐爆和隔爆性能。耐爆性能由外壳的机械强度保证。实验证明：

壳内爆炸压力与外壳的容积大小和形状有关。外壳形状以长方形为压力最小，故近年来隔爆电气设备的外壳多设计成长方形。外壳净容积越大，爆炸时产生的爆炸压力也越大。不同容积外壳的机械强度要求见表

2表

2 隔爆外壳的试验压力外壳容积

/LV≤0.50.5

＜

V≤2.02.0 ＜

V试验压力

/MPa0.350.60.8一电气设备的防爆途径采用隔爆外壳将电气设备置于隔爆外壳内，当外壳内发生瓦斯爆炸时，

外壳既不破裂或变形，

也1of1027任务

1间的隔爆结合面要符合一定的要求。当壳内发生爆炸时，火焰通过结合面间隙向外传播的过程中，应受到足够冷却，使其温度降至瓦斯燃点温度以下。因此，

对结合面的间隙、最小有效长度和粗糙度均有一定要求。粗糙的要求，

静止的隔爆结合面的插销套应大于

6.

3

，

操纵杆应不大于

3.

2

。对隔爆结合面最大间隙或直径差

W

和最小有效长度

L

及螺栓通孔至外壳內缘的最小长度

L1

的要求见表

3

。表3

矿用电气设备隔爆外壳隔爆结合面结构参数单位：mm结合面型式LL1W外壳容积/LV

≤0.1V

＞0.16.06.00.30—平面、止口或圆筒12.58.00.400.40结构①25.09.00.500.5040.015.0—0.606.0—0.400.40带有流动轴承的圆12.5—0.500.50筒结构②25.0—0.600.6040.0——0.80注：①对于操纵杆，当直径d不大于6.0mm

时，隔爆结合面的长度L须不小于6.0mm；直径d不大于25mm

时，L须不小于d；d大于25mm

时，L须不小于25mm

。②当轴与轴孔不同心时，最大单边间隙须不大于W

值的2/

3。采

用

隔

爆

外

壳1采

用

隔

爆

外

壳为了保证隔爆性能要求，外壳各部件之1一电气设备的防爆途径of1127任务

1有关矿用隔爆型设备的详细隔爆要求及工厂用隔爆设备的隔爆要求，请见国家标准

GB

3836

系列。外壳容积

/LV≤0.10.1

＜V≤2.02.0 ＜

V螺纹啮合长度

/mm5912.5一电气设备的防爆途径采

用

隔

爆

外

壳对于螺纹隔爆结构，螺纹精度须不低于

3

级，螺距须不小于0.7mm

，螺纹啮合扣数不小于

6

扣，螺纹啮合长度不低于表

4

的规定，并且应有防止松脱的装置。表

4 螺纹隔爆结构参数1of1227任务

1它有结构简单、体积小、重量轻、制造维修方便、造价低、安全可靠等特点，可用在任何瓦斯矿井，故在通讯、信号、遥测遥控、自动装置等弱电系统中得到广泛应用。一电气设备的防爆途径采用本质安全电路和设备由于本质安全型电气设备不需要隔爆外壳，也不是采用隔离电火源（如通风、充油）的方法来防爆的，而是在设计电气设备时就将电路的电气参数选择在安全火花允许值以下，保证电路在正常工作和故障状态下所产生的电火花或高温都不会点燃可燃性混合物。2隔爆方式隔爆特点of1327任务

1在井下，当空气中甲烷等爆炸性混合物的浓度为

8.5%

时，遇到0.28 mJ

能量电火花即可爆炸。因此安全火花产生的能量必须低于某一安全值，一般认为是

0.02mJ

。在此能量值以下的电火花是安全的，它不致引爆。因此，讨论电火花点燃瓦斯这一问题是比较复杂的。但就其主要因素而言，对于简单的感性电路，安全火花能量的大小主要取决于电流和电感；对于简单容性电路，主要取决于电容和电压；对于电阻性电路，主要取决于电压和电阻。一电气设备的防爆途径采用本质安全电路和设备2井下隔爆取决因素of1427任务

1一电气设备的防爆途径

电火花能量是决定定点燃瓦斯的主要参数，在设计本质安全型电路时，必须限制火花能量。其主要方法有：

（

1

）合理选择电气元件，尽量降低电源电压。

（

2

）增大电路中的电阻或利用导线电阻来限制电路中的故障电流。

（

3

）采取消能措施，消耗或衰减电感元件或电容元件中的能量。由于电火花能量受到限制，故只适用于信号、通讯、测量仪表、控制回路等弱电系统，且本电路不需隔爆外壳，具有体积小、重量轻，安全可靠等优点。2限制火花能量措施适用场所of1527采用本质安全电路和设备任务

1将电源切断。这种方法已用于矿用照明灯、矿用屏蔽电缆和放炮器。现以屏蔽电缆为例说明其工作原理。矿用屏蔽电缆与检漏继电器配合使用，可做到超前切断电源。当屏蔽电缆受到机械操作时，相间绝缘被破坏，电缆心线首先与屏蔽造成漏电，检漏继电器动作使馈电开关跳闸。这样，在电缆内部还未形成短路故障之前切断电源。快速断电系统的工作原理是：电火花点燃瓦斯和煤尘需要一定时间，其时间的长短因电路参数和故障因不同而异，但最短不少于

5ms

。如果故障切除时间小于

5 ms

，则无论电缆受何操作，其电火花均不能点燃瓦斯和煤矿尘。一般快速断电系统的断电时间为

2.5

～

3

ms

。 一电气设备的防爆途径超前切断电源和快速断电系统若电气设备出现故障情况，在可能点燃瓦斯之前，可利用自动断电装置3of1627任务

1二根据矿用电气设备结构特点及不同的要求，分为两大类：一类是矿用一般型电气设备；另一类是矿用防爆型电气设备。体积小、重量轻，

且便于移动和安装。井下巷道、硐室和采掘工作面的空间狭窄，

这样可节省硐室建筑费用和搬迁方便。有坚固的外壳和较好的防潮、防锈性能，

因为井下存在着冒顶、片帮等隐患及滴水、淋水等现象。有防爆性能，

因为井下存在的瓦斯和煤尘，在一定条件下有爆炸危险。有较大的过载能力，

因为井下机电设备工作任务繁重，

启动频繁，

负载变化较大，

设备易过载。外壳应封闭，

且有机械、电气闭锁及专用接地螺丝；

煤电钻、照明信号及控制电器应采用

127

V

及

36

V

低压，

因为井下潮湿，

易触电。特

点一特

点二特

点三特

点四特

点五of1727任务

1它们与地面普通电气设备相比较，其外壳坚固、封闭，能防尘、防滴、防溅；绝缘更加耐潮；与电缆连接采用专门的电缆接线盒或插销装置，没有裸露接头；接线端子相互之间以及和外壳之间，有增大的漏电距离和电气间隙；有防止从外部直接触及壳内带电部分的机械闭锁装置。与地面普通型电气设备

的区

别二矿用一般型电气设备矿用一般型电气设备，是指一些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的外壳上标有“

KY”

。定义适用场所 因而适合用于煤矿井下无瓦斯和煤尘爆炸危险的场所。of1827任务

1二矿用一般型电气设备外壳机械强度较高，防滴防溅。特 点 一绝缘材料耐潮性好。特 点 二漏电距离及空间间隙较大。特 点 三采用电缆进出线。特 点 四of1927任务

1隔爆型电气设备（

Exd

Ⅰ

）

隔爆型电气设备是具有隔爆外壳的电气设备，

标志符号为“

d”

。这种设备将可能产生电火花和电弧的元件放在隔爆外壳中，使其与外界环境隔离。其旧标志符号为“

KB”

。1 2增安型电气设备（Exei)二矿用防爆型电气设备矿用防爆型电气设备属于第Ⅰ类电气漫备（工厂用属于Ⅱ类），其外壳上和设备铭牌上都有“

Ex”

标志。它分为以下几种。of2027又叫矿用安全型电气设备，

其标志符号为“e”。增安型电气设备在正常运行中不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温，它不采用隔爆外壳，只是采取适当措施，以提高安全程度。在正常时有可能产生电火花的部分，须采取局部隔爆措施。其旧标志符号为“KA”。任务

1矿用防爆型电气设备3本质安全型电气设备（

ExiaⅠ或

ExibⅠ

）

其标志符号为“

i”（本安型又分

a

和

b两个等级，

a

等级的安全程度高于

b

等级），本安型电气设备是指全部电路均为本安型电路的设备。其旧标志符号为“

KH”

。4隔爆兼本质安全型电气设备（

ExdiaⅠ

或

ExdibⅠ

）

其标志符号为“di”

，这种电气设备是隔爆型与本安型的组合，它的非本安电路部分置于隔爆外壳中。其旧标志符号为“

KBH”

。二of2127任务

1矿用防爆型电气设备5充砂型电气设备（

ExqI)其标志符号为“

q”

，充砂型电气设备钋壳内充填砂粒材料，使其在规定的使用条件下壳内产生的电弧、火焰只使外壳壁或砂粒材料的表面过热，而不能点燃周围爆炸混合物。6正压型电气设（

ExpI)它是一种具有正压外壳的电气设备，其标志符号为“

p”