煤礦防爆電器技術(shù)發(fā)展與探討

朱世安，李 者

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

煤炭是我國(guó)的重要能源。煤礦開采離不開防爆電氣設(shè)備，采掘過程需要采掘設(shè)備、提升運(yùn)輸設(shè)備、排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等，這些設(shè)備的供電需要高壓配電裝置、變壓器、移動(dòng)變電站、饋電開關(guān)、組合開關(guān)、起動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等，同時(shí)需要用電安全保護(hù)設(shè)備。為了保障安全生產(chǎn)，需要通信、信號(hào)、控制檢測(cè)裝置，環(huán)境、安全、工況監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器與裝備等[1]。其中所有環(huán)節(jié)均需要燈具等照明設(shè)備。這些設(shè)備均需要防爆技術(shù)來保障設(shè)備本身的安全，同時(shí)預(yù)防煤礦瓦斯爆炸產(chǎn)生。煤礦在用防爆電氣設(shè)備數(shù)量龐大，門類繁雜，使用環(huán)境復(fù)雜，要求安全級(jí)別高，因此，安全準(zhǔn)入及認(rèn)證門檻高，監(jiān)管力度大。井下空間狹小，環(huán)境潮濕，粉塵含量大，常有巖石和礦物垮落,有的存在瓦斯、礦塵等爆炸的危險(xiǎn)，有的還有腐蝕性礦水和霉菌寄生[2]。因此，煤礦防爆設(shè)備有特殊的要求，礦用電氣設(shè)備在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)考慮防潮、防塵和防爆的特殊要求。煤礦主要防爆設(shè)備類型為隔爆型、本質(zhì)安全型、增安型、澆封型、礦用一般型，近幾年，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，本安型產(chǎn)品使用量逐年增大，自動(dòng)化、信息化越來越普遍。

1 防爆技術(shù)起源

防爆技術(shù)起源于煤礦開采。1815 年英國(guó)人H.戴維（H.Dawy） 發(fā)明了安全火焰燈（Safety flame lamp），解決安全照明問題。1903 年至1906 年間，德國(guó)人貝林（Beyling）提出了間隙防爆，形成了隔爆外殼（Drhkfeste kapselung），有效地解決了安全供電問題，目前我國(guó)煤礦用量最大的防爆電氣設(shè)備類型就是隔爆型。本質(zhì)安全型防爆技術(shù)從英國(guó)起源[1]，19 世紀(jì)末，電學(xué)和磁學(xué)新的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)逐步應(yīng)用于采煤，1912—1915 年，為了改善煤礦信號(hào)鈴的安全性，提出了本質(zhì)安全的概念。20 世紀(jì)30 年代初，在英國(guó)井下電話引起了井下瓦斯爆炸，開始了本質(zhì)安全電路（intrinsically safe circuit）的研究。我國(guó)發(fā)展本質(zhì)安全技術(shù)是隨著電子技術(shù)發(fā)展并運(yùn)用到煤礦安全場(chǎng)所逐步形成的，到20 世紀(jì)60 年代初才有了比較成熟的礦用本質(zhì)安全防爆電氣。

2 防爆原理及措施

爆炸產(chǎn)生的基本三要素：電火花、熱表面等點(diǎn)燃源、可燃性氣體或粉塵等爆炸性物質(zhì)以及空氣（氧氣），這就是所謂的爆炸三角形。防爆基本原理就是設(shè)法排除1 個(gè)或多個(gè)基本要素，使產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)降低到安全水平。防爆電氣設(shè)備是一種特殊電氣設(shè)備，它一方面具備一定的爆炸預(yù)防和防護(hù)能力，另一方面又是爆炸性環(huán)境的潛在點(diǎn)燃源，是防止爆炸、保證安全生產(chǎn)的重要設(shè)備。其防爆原理就是為了控制爆炸三要素不同時(shí)存在，進(jìn)而采取不同技術(shù)措施。

2.1 控制引燃源能量

其原理是通過控制引燃源能量，使其不足以引起可燃?xì)怏w的爆炸，這種控制方法屬于源頭治理理念。包括3 種類型的電氣設(shè)備：

1）限制電氣能量，使電路在短路、斷路故障等情況下產(chǎn)生的火花能量不能引燃爆炸性氣體，從而實(shí)現(xiàn)防爆目的，稱為本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備“i”。

2）通過設(shè)計(jì)使正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花、電弧和高溫，也不能產(chǎn)生引爆故障的電氣設(shè)備，稱為無火花型電氣設(shè)備“n”，由于其安全性較低，僅用于2 區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。

3）正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花、電弧和危險(xiǎn)高溫的電氣設(shè)備，但防止其在特殊情況下出現(xiàn)危險(xiǎn)，需額外增加附加措施提高設(shè)備的安全可靠性，例如增大電氣間隙及爬電距離、提高絕緣材料性能、控制溫升水平等措施，使之可以用于危險(xiǎn)場(chǎng)所，由于增加了安全措施，稱為增安型電氣設(shè)備“e”。

2.2 利用外殼限制爆炸或隔離引燃源

這是經(jīng)典的防爆措施，典型的防爆型式就是隔爆型“d”。19 世紀(jì)初,德國(guó)科學(xué)家貝林（Beyling）發(fā)現(xiàn)當(dāng)火焰穿過金屬間隙寬度達(dá)到一定程度時(shí)，就可以抑制容器內(nèi)甲烷與空氣混合物的爆炸，從而不影響容器外混合氣體爆炸，產(chǎn)生了“隔爆技術(shù)”。用外殼限制爆炸原理是隔爆外殼內(nèi)可燃性氣體混合物爆炸時(shí)不傳爆，外殼能承受內(nèi)部爆炸壓力不損壞，不會(huì)產(chǎn)生影響防爆性能的永久性變形。

用外殼隔離引燃源包括：①氣密型電氣設(shè)備“h”（將外殼密封，阻止可燃?xì)怏w進(jìn)入，隔離引燃源）；②限制呼吸外殼（采用密封外殼限制可燃性氣體進(jìn)入，使殼內(nèi)氣體形成爆炸濃度時(shí)間大于殼體外部危險(xiǎn)氣體存在的時(shí)間，利用時(shí)間差達(dá)到隔爆目的）；③粉塵防爆型電氣設(shè)備（提高密封性能，使可燃性粉塵難以進(jìn)入）。

2.3 利用介質(zhì)隔離引燃源

其原理是用安全介質(zhì)覆蓋電氣設(shè)備中的導(dǎo)電部件，阻斷導(dǎo)電部件與爆炸性氣體接觸。

1）用新鮮空氣或惰性氣體作為介質(zhì)，稱作正壓型電氣設(shè)備“p”。

2）用液體作為介質(zhì)，如油浸型電氣設(shè)備“o”。

3）用固體作為介質(zhì)，包括顆粒狀固體填充（如充砂型電氣設(shè)備“q”），和固化物填料（如澆封型電氣設(shè)備“m”）。

還有一種非防爆型的電氣設(shè)備，稱為礦用一般型電氣設(shè)備，其標(biāo)志是“KY”，只能用于煤礦井下無瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所及非煤礦山等類似的工業(yè)生產(chǎn)部門。

另外一種防爆特殊型“s”，是通過評(píng)定和試驗(yàn)防爆電氣設(shè)備或部件，證明其適合用于危險(xiǎn)場(chǎng)所的一種特殊情況。

3 防爆分類及分區(qū)

防爆電氣設(shè)備根據(jù)使用環(huán)境不同，可以分成I類電氣設(shè)備（一般指煤礦），II 類電氣設(shè)備（一般指工廠），III 類電氣設(shè)備（一般指粉塵）。按照在不同爆炸性氣體和煤礦甲烷、爆炸性粉塵環(huán)境下成為引燃源的可能性，設(shè)置了設(shè)備保護(hù)級(jí)別（EPL），分為a、b、c 3 個(gè)級(jí)別。

GB 3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14 部分：場(chǎng)所分類 爆炸性氣體環(huán)境》僅對(duì)Ⅱ類區(qū)域進(jìn)行了分類，沒有對(duì)煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域做出分類，我國(guó)煤礦安全規(guī)程對(duì)井下電氣設(shè)備選型做出了規(guī)定，固Ⅰ類和Ⅱ類區(qū)域劃分和防爆型式的選擇上差異較大。但從區(qū)域危險(xiǎn)程度上對(duì)比，煤礦井下采掘工作面局部地點(diǎn)和抽放管道等區(qū)域位置相當(dāng)于Ⅱ類的0 區(qū)，必須使用ia 或Ma 等級(jí)防爆設(shè)備。煤礦井下其他大部分區(qū)域危險(xiǎn)場(chǎng)所相當(dāng)于Ⅱ類危險(xiǎn)場(chǎng)所的1 區(qū)和2 區(qū)。

不同防爆類型設(shè)備防爆原理和適用區(qū)域見表1，煤礦井下電氣設(shè)備選型見表2。

表1 不同防爆類型設(shè)備防爆原理和適用區(qū)域[3-4]Table 1 Explosion-proof principle and applicable area of different explosion-proof types of equipment

4 防爆標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

我國(guó)防爆技術(shù)發(fā)展遲緩，基本上是依賴國(guó)際社會(huì)防爆技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系，直到20 世紀(jì)60 年代初才有真正的防爆產(chǎn)品問世，但沒有完整的標(biāo)準(zhǔn)化體系，僅發(fā)布了一些防爆技術(shù)規(guī)定，如1955 年發(fā)布《煤礦用電氣設(shè)備制造檢驗(yàn)暫行規(guī)程》，1965 年發(fā)布《煤礦用電氣設(shè)備制造規(guī)程(試行)》，1963 年發(fā)布《工廠用防爆電氣設(shè)備制造規(guī)程》，1976 年發(fā)布《安全火花型防爆電氣設(shè)備制造檢驗(yàn)暫行規(guī)定》等。直到1977年，我國(guó)才發(fā)布了第1 個(gè)防爆電氣設(shè)備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB 1336—77《防爆電氣設(shè)備制造檢驗(yàn)規(guī)程》。

1983 年對(duì)原GB 1336—77 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，在總結(jié)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用要求的基礎(chǔ)上，大量采用了歐洲EN 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，形成了GB 3836—83 防爆電氣系列標(biāo)準(zhǔn)。20 世紀(jì)末，我國(guó)防爆標(biāo)準(zhǔn)體系更加與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，根據(jù)“優(yōu)先采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)”的基本準(zhǔn)則，增加了我國(guó)煤礦實(shí)際應(yīng)用的要求，對(duì)GB 3836—83 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，制訂出GB 3836—2000《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6]。在2010 年，再一次對(duì)防爆系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，形成了GB 3836—2010 系列防爆標(biāo)準(zhǔn)，完善防爆電氣標(biāo)準(zhǔn)體系。目前我國(guó)正在對(duì)系列GB 3836—2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，陸續(xù)推出最新防爆標(biāo)準(zhǔn)，跟蹤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)度，適應(yīng)新時(shí)代防爆技術(shù)發(fā)展。

在等同、等效或修改采用相應(yīng)的IEC 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)先后制訂、發(fā)布了爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣設(shè)備安裝、爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所分類、檢查和維護(hù)以及修理和大修方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)保障了防爆電氣產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、取證后的正確、安全安裝、維護(hù)、使用[3]。并制定了基于GB 12476 系列粉塵防爆標(biāo)準(zhǔn)，基于GB 25286 系列的非電氣防爆標(biāo)準(zhǔn)，使爆炸性氣體環(huán)境、粉塵環(huán)境、非電氣防爆均有標(biāo)準(zhǔn)可依，基本滿足我國(guó)防爆技術(shù)領(lǐng)域需求。

我國(guó)煤礦防爆標(biāo)準(zhǔn)體系是建立在中國(guó)煤礦實(shí)際需求基礎(chǔ)上制訂完成的，修改采用了國(guó)際IEC 標(biāo)準(zhǔn)，在GB 3836 系列標(biāo)準(zhǔn)中增加煤礦特殊要求，例如耐潮濕的要求、對(duì)鋁外殼的特殊要求、防護(hù)的要求、非金屬外殼的要求等等，確保煤礦井下安全生產(chǎn)。同時(shí)，在GB 3836 系列標(biāo)準(zhǔn)外，成立了煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)、煤礦專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)等標(biāo)準(zhǔn)化組織，制訂完善適合中國(guó)煤礦生產(chǎn)需求、安全保障的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，在煤礦安全規(guī)程中，增加了對(duì)防爆電器選型、安裝等具體要求。形成了多渠道互相支持、環(huán)環(huán)相扣的防爆標(biāo)準(zhǔn)化體系。

5 我國(guó)煤礦防爆電器發(fā)展

我國(guó)煤礦井下防爆電器從20 世紀(jì)50 年代仿制原蘇聯(lián)產(chǎn)品起步，第1 臺(tái)產(chǎn)品誕生于1953 年。20 世紀(jì)60 年代能夠自行設(shè)計(jì)，主要是煤礦用防爆型，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，品種單一，數(shù)量少[7-8]。20 世紀(jì)70 年代末期，我國(guó)防爆電氣行業(yè)能夠自行研發(fā)適合我國(guó)煤礦的電氣設(shè)備，隨著煤礦生產(chǎn)的需求增加，礦用防爆電器設(shè)備品種增加，生產(chǎn)企業(yè)逐步興起，尤其是為了保障供電安全的防爆電器陸續(xù)產(chǎn)生，生產(chǎn)了真空防爆電器。同期，我國(guó)的防爆標(biāo)準(zhǔn)化體系初具規(guī)模，指導(dǎo)研發(fā)生產(chǎn)。改革開放后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，我國(guó)防爆電器行業(yè)也迎來了大發(fā)展時(shí)期。微電子技術(shù)開始在礦用防爆電器產(chǎn)品中應(yīng)用，礦用防爆電器產(chǎn)品向大容量、真空化、組合化發(fā)展，工廠用防爆電氣產(chǎn)品也發(fā)展出多類型、多模式，粉塵防爆電器產(chǎn)品也嶄露頭角[9]。

近20 年來，礦用防爆電器產(chǎn)品花樣翻新，新產(chǎn)品、新技術(shù)是過去50 年來進(jìn)步最快的時(shí)期，如礦用防爆高低壓組合開關(guān)、礦用防爆高低壓軟起動(dòng)器、動(dòng)力中心、礦用防爆變頻調(diào)速裝置等防爆電器進(jìn)入煤礦使用，而且電壓等級(jí)也從380 V、660 V、1 140 V 向3 300 V、6 kV、10 kV 靠近。同時(shí)，隨著綜合機(jī)械化采煤3.3 kV 及以上電壓供電系統(tǒng)的使用和電負(fù)荷的加大，對(duì)大容量5 000 kVA 以上特大容量隔爆型移動(dòng)變電站的需求增加，高效節(jié)能防爆電機(jī)、變頻調(diào)速防爆電機(jī)等使用越來越頻繁。變頻一體化電機(jī)發(fā)展很快。具有變頻調(diào)速功能的液壓控制系統(tǒng)、防跑車控制系統(tǒng)、絞車成套電控、提升運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)等普遍使用[7]。

我國(guó)煤礦井下防爆電氣設(shè)備基本是以隔爆型電氣設(shè)備為主，隔爆型電氣產(chǎn)品在煤礦生產(chǎn)中起關(guān)鍵作用，包含電壓等級(jí)36 V、127 V、380 V、660 V、1 140 V、3.3 kV、6 kV 、10 kV 的產(chǎn)品均有[8]。通信、監(jiān)控、儀表等設(shè)備大部分以本質(zhì)安全型為主，發(fā)展迅速，少數(shù)產(chǎn)品為增安型、澆封型和特殊型[3]。

6 我國(guó)煤礦防爆電器技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)目前煤礦安全生產(chǎn)裝備技術(shù)發(fā)展情況，結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)規(guī)劃要點(diǎn)，可以看出防爆電器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，大型移動(dòng)變電站、大功率防爆開關(guān)、大功率變頻電子器件等將廣泛應(yīng)用于煤礦井下。新一代產(chǎn)品除了高性能、電子化、智能化、模塊化、組合化外，其主要特征是可通信、高可靠、維護(hù)性能好、符合環(huán)保要求等，會(huì)更加趨向于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，可連接現(xiàn)場(chǎng)總線的、具有通信能力的低壓防爆電器是發(fā)展的方向。變頻是模塊化防爆電器繼續(xù)大力推進(jìn)的技術(shù)改造之一，變頻、耦合、降耗、網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展主線。

本質(zhì)安全防爆技術(shù)方面，隨著我國(guó)煤礦生產(chǎn)向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，井下控制、通信及監(jiān)測(cè)監(jiān)控、綜合保護(hù)等本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備廣泛應(yīng)用。我國(guó)目前煤礦信息技術(shù)已經(jīng)覆蓋了安全監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控、人員識(shí)別、通信、視頻等，設(shè)備信息的統(tǒng)一管理是下一代發(fā)展的方向，以及基于高可靠性的礦井一體化綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)與裝備，推動(dòng)煤礦智能控制與決策系統(tǒng)現(xiàn)代化。本質(zhì)安全型設(shè)備在煤礦井下的使用比例會(huì)逐步加大。

7 我國(guó)煤礦防爆技術(shù)需解決的問題

1）伴隨著5G 技術(shù)及無線通訊技術(shù)在煤礦井下的迅速應(yīng)用，各種輻射的安全性研究是未來幾年需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。隨著2016 版煤礦安全規(guī)程推薦使用激光甲烷傳感器，為市場(chǎng)研發(fā)、生產(chǎn)、使用激光甲烷傳感器、遙測(cè)儀、便攜式激光原理傳感器創(chuàng)造了條件，各類光輻射對(duì)防爆影響需加大力度研究。

2）伴隨著礦用電器設(shè)備功率逐步加大、功能復(fù)合，超大型體積的防爆殼體安全性需要科學(xué)論證和試驗(yàn)。同時(shí)高壓電器飛弧對(duì)防爆外殼安全的影響也未引起足夠關(guān)注[10]。

3）隨著煤層向深部開采，井下高溫高濕等不利因素加劇，加速了電氣設(shè)備絕緣的老化。以及高海拔的礦山低溫環(huán)境對(duì)防爆的影響逐步顯現(xiàn)，需要科學(xué)研究。

4）新材料、新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)防爆技術(shù)發(fā)展提出挑戰(zhàn)。例如納米材料、碳纖維、S M C 玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚醋樹脂等等，如果應(yīng)用于防爆外殼，會(huì)解決金屬外殼體大、質(zhì)量重、耐腐蝕性差、工藝性差、維修困難等缺點(diǎn)，但其技術(shù)安全性需要進(jìn)行研究。

5）大容量鋰電池及新技術(shù)產(chǎn)生的電池，已經(jīng)開始在煤礦上使用，其對(duì)防爆安全影響需深入論證和試驗(yàn)。

8 結(jié) 語

基于煤炭作為我國(guó)第一大能源的基本地位很長(zhǎng)時(shí)間不能發(fā)生變化的事實(shí)，隨著我國(guó)煤礦的關(guān)停并轉(zhuǎn)，大型煤炭企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。煤礦防爆電器依然肩負(fù)著保障煤礦安全生產(chǎn)的重任。但隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新一代通信、控制技術(shù)在煤礦的廣泛使用，對(duì)防爆安全技術(shù)的評(píng)估、使用會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，新材料、新工藝的發(fā)展，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)防爆技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。

（收稿日期：2020-07-01；責(zé)任編輯：朱 蕾）

［9］ 萬邵柏.我國(guó)礦用防爆電器產(chǎn)品現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.電氣防爆，1992（2）：6-10.

［10］ 陳杰.煤礦防爆電氣設(shè)備存在的重點(diǎn)問題及對(duì)策［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（3）：83-86.