煤矿用电气的基本知识
一、前言
煤炭工业在国民经济中占很重要的地位，按国际IEC标准和我国防爆标志GB3836.1的规定，防爆电气设备分为二类，即I类：煤矿用电气设备；II类：除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。
防爆型式是为防止点燃周围爆炸性混合物而对电气设备结构所采取特定的安全措施，就我国现有制定的强制性国家标准及近几年来的技术状况来说，其防爆型式有：隔爆型“d”、增安型“e”、本质安全型“i”、正压外壳型“p”、油浸型“o”、充砂型“q”、“n”型、浇封型“m”、特殊型“s”、混合型（上述类型的复合，例d[ib]I）。我国煤矿井下常用的型式以隔爆型、增安型、本质安全型、特殊型及混合型为主，因此技术审查主要依据《爆炸性气体环境用电气设备》通用要求、隔爆型“d”、增安型“e”及本质安全型“i”标准及产品标准等。
二、矿井基本环境工况
(一)、我国煤矿井下的基本环境条件
1) 空气成份
在煤矿井下采掘过程中，空气里含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、氨及其它碳氢化合物，其中甲烷含量占85%以上。当空气中的甲烷含量达到5～15％时，遇上＋650℃以上的高温或具有足够能量的火花，便会发生气体爆炸的危险。在采掘过程中还会引起大量煤尘的飞扬，当煤尘粒度在0.75～1mm以内，其浓度在30～2000g/m3范围内时，遇上＋700℃以上的较大热源，便可能发生爆炸的危险。这两种爆炸是伴生的，一般在瓦斯爆炸后引起煤尘爆炸，
而煤尘爆炸造成的破坏更为严重。因此，《煤矿安全规程》对煤矿井下的空气成份与井巷中风流速度都作了严格的规定。对采掘设备也有相应的规定，例在综合机械化采掘工作面，规定采煤机、掘进机设立内喷雾降尘装置；对工作面、井下煤仓、溜煤眼、翻罐笼、输送机、装煤机及其它转载地点都规定有外喷雾或喷水措施。
2) 环境温度
煤矿井下的气温是随着地层深度和四季季节的变化而有所区别，就同一地点的年平均温度比较稳定，上下温差变化不大。GB3836.1《通用要求》中规定电气设备环境温度在－20℃～＋40℃时应能正常运行。《煤矿安全规程》规定生产矿井采掘工作面不得超过26℃，机电峒室不得超过30℃。个别地点若超过规定的温度，必须采取降温措施。以上的规定既考虑煤矿井下矿工有较合适的工作环境，又考虑了电气设备在运行中能基本防止高温散热差及高、低温的热剧变、热老化现象导致绝缘老化、工作寿命短，以确保正常运行。
3) 相对湿度
煤矿井下湿度大，有淋水是一大特点，相对湿度在95～100％左右范围内变化，当井下温度在大于＋25℃情况下，对电气设备的绝缘性能影响很大。为此，I类电气设备规定必须按国标GB／T2423.4标准《交变湿热试验方法》进行测试，以确保电气设备在恶劣环境条件下能正常运转。
4) 周围空间
煤矿井下作业空间狭窄，巷道受顶板压力的作用造成煤块、岩石冒落，使电气设备易遭碰、砸、压，而且煤矿生产作业经常变动，电气设备需要频繁移动。因此，要求矿用电气设备外壳既要防爆，又要在承受强度情况下设计得合理，同时要求电性能满足要求、运行可靠、操作简单、维修方便。
5) 电气设备壳内的环境条件
由于电气设备外壳需达到防爆要求，因此电气设备在正常运行中壳内温度扩散条件差，尤其对经常频繁起动、停止工作状态有分断大电流现象时，其电器件触头的电弧会引起设备内高分子绝缘材料的分解，从而产生有害物质，导致电子、电器元件工作条件的恶化。由于过负荷、过电压等原因，在隔爆外壳中也会出现电弧短路故障，电弧能量使得隔爆外壳中的压力异常升高，甚至造成外壳结构的破坏，这是值得注意的。
（二）、我国煤矿井下的基本工况条件
1) 供电系统和电压等级
煤矿供电系统一般为地面变电所以10kV或6kV供电到井下中央变电所、采区变电所直到工作面配电点，基本属于垂直方式供电系统。煤矿井下电气设备的发展伴随着供电电压等级的变化而发展。采区供电电压普遍采用380V、660V、1140V电压等级，综采机械化工作面现已采用3300V电压等级，手动电动工具（例煤电钻）及井下照明均规定采用127V电压等级。
自89年起煤炭行业发展日产7000吨以上高产高效综合机械化采掘工作面，我国采煤机单机功率已达到500kW以上，整台采煤机装机容量达1000kW以上，由此而使井下采区供电电压由1140V电压等级向3300V电压等级发展。
2) 电压偏差
煤矿井下由于开采深度、层次的变化，采煤工作面距离的移动及更换，井下用电负荷经常变化，因此供电电压的波动范围也较大，这就要求矿用电气设备能在75%～110%的额定电压下正常工作，同时对电性能提出更高的要求，如：矿用电器的动作特性和电子保护的电压稳定性等。
3) 冲击与振动
矿用电气设备从井上到井下各场所的运输过程要承受不同程度的冲击与振动，采、掘、运机械（包括运输机车）用的机械电气设备在设备运行时要承受不同程度的冲击与振动，须经冲击、振动试验考核。
三、矿用防爆电气设备的基本要求
（一）、概述
各类矿用防爆电气设备有专用标准规定，但各类矿用防爆电气设备又要执行共同的要求，即《爆炸性气体环境用电气设备》—通用要求(GB3836.1-2000)。只有在两者均满足规定的条件下，才能符合其防爆性能。
（二）、基本要求
1)温度
(1) 矿用电气设备表面考虑到易堆积煤尘，如表面温度大于200℃时，会发生焖燃现象，因此，允许最高表面温度为＋150℃。如果采取措施后能防止煤尘堆积，则允许最高表面温度为+450℃。
(2) 矿用电气设备的运行环境温度应满足-20～+40℃。如果环境温度范围不符合，须在铭牌上标明，并以最高环境温度为基准计算电气设备的最高表面温度。
(3)《煤矿安全规程》对井下空气温度作了有关规定，例如生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电峒室的空气温度不得超过30℃，这组数字可供产品设计时参考。
2) 防潮要求
GB3836.1-2000标准对防潮要求提出具体试验方法和考核标准，规定湿热试验按GB/T2423.4标准进行。试验严酷等级应符合产品相应的现行湿热带电工产品标准的规定，且至少为40℃、6d。
3) 对外壳的要求
(1) 对快开门结构：
a. 内装电容器时，规定由断电到开门的时间间隔须大于电容器放电至下列剩余能量所需要的时间，充电电压≥200V时，I类电气设备为0.2mJ。
b. 内装电热器时，由断电至开门的时间间隔须大于电热器温度下降至低于电气设备允许最高表面温度所需的时间。
c. 上述①、②条规定的时间间隔，需设有警告牌标明。
(2) 对塑料外壳：标准作出下列规定：
a. I类电气设备塑料应具有阻燃性，塑料外壳的表面面积大于100cm2时，应设计成在正常使用维护和进行清洁条件下能防止生产引燃危险静电电荷的结构。
b. 外壳就能承受20J的冲击能量及经受热稳定的试验。
c. 为保证正常工作时表面不积聚危险的静电，其表面电阻值应不超过1×109
Ω。
d.企业需提供对应曲线20000h点的温度指数T I点弯曲强度降低不超过50%的报告。
(3) 对轻合金外壳
考虑到铝合金与锈铁撞击产生火花所释放的能量会引起足够浓度的甲烷—空气混合物的点燃，标准中规定携带式或支架式电钻及附带的接插装置可用抗拉强度不低于120MPa的轻合金制成，其外壳还须能承受20J的冲击能量试验，试验后不得产生影响防爆性能的变形或损坏。
防爆标准对携带式仪表、灯的外壳采用轻合金材质时，有以下明确的规定：I类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，且能承受GB13813规定的摩擦火花试
验方法考核合格的轻合金制成。
(4) 紧固件
紧固件是确保电气设备防爆性能的重要零件，设计选用时一般应作如下考虑：
a. 紧固用螺栓和螺母应附防松装置。
b. 对要求采用特殊紧固结构时，可采用护圈或沉孔结构，螺栓头或螺母设在护圈或沉孔内，要使用专用工具才能拧松取出；
c. 紧固件应采用不锈材料制造，或经电镀等防锈措施。
(5) 联锁装置
根据标准规定，联锁装置应设计成使用非专用工具不能解除其联锁功能的结构。
对于螺钉紧固结构的设备，安设联锁装置确实有困难，可考虑设警告牌来替代。
(6) 绝缘套管
a. 绝缘套管应采用吸湿性较小的材料制成。.
b. 当绝缘套管与连接件接线过程中承受力矩作用时，须能承受所规定的连接件扭转试验，结果为连接件与绝缘套管不得转动和损坏。
(7) 连接件与接线空腔
a. 电气连接件：
a) 保证连接可靠；
b) 具有足够的机械强度和发热截面，足够的电气间隙、爬电距离；
c) 在振动、温度变化影响下，不产生松动或者接触不良等现象。
b. 接线腔：
凡正常运行时产生火花、电弧或危险高温的电气设备，其功率大于250W或电流5A者，均须采用接线腔。
设计时应考虑：
a) 接线、拆线操作方便；
b) 盒内要留有电缆芯线弯曲半径的空间；
c) 接线后裸露带电体之间及每相对壳体之间的电气间隙、爬电距离都要
符合相应电压等级规定的数值；
(8) 引入装置
a. 密封圈式中分为压盘式与压紧螺母式,两种，这两种引入装置都须具有防松与防止电缆拔脱的措施。
b. 引入橡套电缆时，其电缆入口处须制成喇叭状，要求内缘应平滑。
c. 密封圈须能承受标准中所规定的老化试验。
d. 密封圈的非压缩轴向长度需符合标准中的规定。
e. 引入装置一般应加设金属垫圈，以增大接触面积。
f. 当引入装置超过一个时，须备有公称厚度不小于2mm的钢质堵板，以防止在不引入电缆时，形成对外通孔，同时也作为防爆的措施之一。
g. 在额定工作状态下，如电缆引入口处的温度高于70℃或电缆芯线分支处的温度高于+80℃时，须在接线盒内部设置指示牌，标明温度，以便选配相应的电缆。
i. 引入装置还须能承受规定的夹紧密封试验。
(9) 接地
一般电气设备均须设外接地装置，接线腔内部（当采用直接引入方式时，则在主空腔内部）须设有专用的内接地螺栓。对于移动式电气设备，可不设外接地装置，但必须采用有接地芯线或等效接地芯线的电缆。对于无必要接地或不允许接地的电气设备，可不设内、外接地螺栓。具体规定如下：
a. 应设内、外接地的设备，须标志接地符号。
b. 电气设备外接地连接件应能至少与截面积为4mm2接地线有效连接。
d. 接地螺栓应有有效防腐措施，如用不锈材料制造，或进行电镀等防锈处理。
（三）、补充规定
1) 电动机
(1) 外扇冷电动机，通风孔的防护等级：进风口最低应为IP20；出风口最低应为IP10。
(2) 立式电动机，外物不得垂直落入通风孔。
(3) 风扇、风扇罩、隔板须有足够的机械强度，并保证可靠的固定，同时能承受冲击试验。
(4) 正常工作状态下，外风扇、风扇罩、隔板及其紧固件的间距须不小于风扇直径的1％，但最小为1mm。
(5) 如风扇为塑料材质，其电阻值须不大于1×109Ω。
四、矿用隔爆型电气设备“d”
具有隔爆外壳的电气设备称为隔爆型电气设备。隔爆外壳作为一种防爆型式至今已获得了广泛的应用，80%以上用于有瓦斯或煤尘爆炸危险的煤矿井下的矿用电气设备均采用了这种防爆型式，它对促进煤矿生产过程电气化，对保证煤矿井下安全生产起到了决定性的作用。
（一）、隔爆外壳的基本防爆原理
隔爆型电气设备的防爆原理是：将电气设备的带电部件放在特制的外壳内，该外壳具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离开的作用，并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电气设备的火花、电弧引爆时所产生的爆炸压力，而外壳不被破坏；同时能防止壳内爆炸生成物向壳外爆炸性混合物传爆，不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。这种特殊的外壳叫“隔爆外壳”。具有隔爆外壳的电气设备称为“隔爆型电气设备”。隔爆性电气设备的标志为“d”，为了实现隔爆外壳耐爆和隔爆性能，对隔爆外壳的形状、材质、容积、结构等均有特殊的要求。
（二）、隔爆型电气设备
隔爆型电气设备主要在煤矿井下爆炸危险工作场所使用，其使用环境场地狭窄，搬运困难，并有岩石、煤块冒落、撞击的危险，其外壳不仅要具有耐爆性，还应具有足够机械强度，才能保证设备外壳在发生内部爆炸或受到外物撞击时，外壳不发生严重变形或损坏。为此，在煤矿井下采掘工作面工作的隔爆型电气设备的隔爆外壳必须采用钢板或铸钢构成，但其他零部件或装配后冲击不到的或容积不超过2L的电气设备，可用HT250灰铸铁制成。对于I类非采掘工作面用隔爆外壳也可以用HT250灰铸铁制成。对于容积不大于2L的外壳，也可以采用工程塑料制成，这种材料具有易成型、易切削加工，比重轻、易于制造等优点，但使用这种材料作隔爆外壳时必须注意到塑料在高温下易发生分解和变形的性质。因此，在具有大量热源和能发生大电弧的电气设备上不宜使用塑料外壳。
隔爆型电气设备的隔爆外壳不但具有耐爆性还应具有隔爆性。隔爆外壳如何实现隔爆作用，这是研究隔爆型电气设备的关键。我们知道，由于加工、制造、使用、维修等方面的需要，无论何种形状的隔爆外壳，都不可能是一个“天衣无
缝”的整体，而是由几部分和各种零件构成的。各部分以及零件之间都需要联接，而联接的缝隙势必会成为外壳内的爆炸性产物穿过的途径。如果对这些联接的间隙不作特殊规定和技术要求，那么穿过间隙的壳内爆炸产物就要引燃壳外周围爆炸性混合物。为了阻止壳内爆炸性混合物爆炸生成物引燃壳外周围的爆炸性混合物，就必须在外壳的各接合处，也就是联接间隙采取一些特殊有效的措施，实现外壳隔爆性能。通常把互相联接的接合面称为“隔爆接合面”，简称“隔爆面”。而隔爆面之间的间隙称为“隔爆接合面间隙”，简称“隔爆间隙”。隔爆间隙的大小是隔爆外壳能否隔爆的关键。通常隔爆面是采用法兰连接的隔爆保护方式。隔爆结合面间隙有多种结构：平面形结构、平面加圆筒形结构、锯齿型结构、螺纹结构、微孔结构、金属网隔爆结构（多层铜网、不锈钢网）等。
（三）、隔爆型电气设备结构
隔爆型电气设备主要包括壳体与盖，及附属其外壳上的防爆部件，主要有电缆及导线的引入装置、接线盒、透明件、衬垫等。
1) 接线盒
隔爆型电气设备的电缆的引入装置包括直接引入和间接引入两种。对于符合下述条件的I类电气设备可采用直接引入方式；①正常运行时设备不产生火花、电弧和危险温度；②电气设备的额定功率不大于250W，且电流不大于5A；间接引入方式是指电缆通过接线盒或插销与电气设备进行连接。对于不能使用直接引入装置的电气设备必须采用间接引入装置，这样才能保证在隔爆外壳内部发生爆炸时，不会发生由于引入装置的不可靠而造成传爆事故。无论采用何种方式的引入装置，都必须符合有关的规定，确保隔爆型电气设备的防爆性能。
2) 透明件
透明件主要是指照明灯具的透明罩、观察窗等，它们是隔爆外壳的一部分。
因此这些透明件必须能承受隔爆型电气设备使用环境的爆炸性混合物爆炸时产生的爆炸压力和温度的作用和使用环境上外界因素的影响，包括机械、化学、热能的作用。因此透明件一般采用钢化玻璃制成。透明件必须能承受标准规定的机械冲击和热剧变试验。灯具透明件与外壳之间也可以直接胶封。
3) 衬垫
隔爆外壳上为实现防潮、防水和防尘的要求，常常需要使用衬垫。衬垫的使用有两种情况：一种是用在设备维修中需要打开的外壳部件上，此时衬垫仅起密封作用，而不能作隔爆措施。因为维修需要打开的部件其衬垫容易丢失。否则一旦丢失，整个隔爆结构就被破坏了。但观察窗内密封衬垫则例外，它既有密封作用，又有隔爆作用。第二种是衬垫用在设备维修中不经常打开的部件上，此时衬垫可作隔爆措施，但衬垫必须符合以下4点要求：①衬垫必须采用具有一定强度的金属或金属包覆的不燃性材料制成；②衬垫的厚度不能小于2mm；③当外壳净容积不大于0.1L时，衬垫宽度不得小于6mm，当外壳净容积大于0.1L时，衬垫宽度不得小于9.5mm；④衬垫安装后要保证不脱落，并在外壳产生爆炸压力时也不会被挤出外壳。
五、试验检测
（一）、概述
1) 试验检测的目的
试验检测是为了证明矿用防爆电器的设计、制造和维修的是终结果是否符合本产品技术条件或产品标准。
2) 检测的内容
矿用防爆电气产品检测分为防爆性能试验和电气性能试验两大部分。这两部分的试验既相互独立又互相交叉。其中电气性能试验包括多种项目。
（二）、防爆性能试验
矿用防爆电气产品检测项目和方法在GB3836.1～4中有明确规定。下面将列出项目并作一些必要说明。
1) 在爆炸性气体混合物中的各项试验
隔爆型设备须进行强度试验和隔爆性能试验：本安型电气设备及其关联设备须进行火花试验。
注1：检验单位认为必要时可以用改变试验气体、电极材质等办法达到所规定的安全系数进行。
2) 通用试验项目
下表所列的通用试验项目适用于隔爆型、增安型、本安型及矿用一般型的电气设备。
当然，按照产品的实际情况应有所区别。