煤礦防爆電器技術發展與探討

朱世安，李 者

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤炭是我國的重要能源。煤礦開采離不開防爆電氣設備，采掘過程需要采掘設備、提升運輸設備、排水設備、通風設備等，這些設備的供電需要高壓配電裝置、變壓器、移動變電站、饋電開關、組合開關、起動器、電動機等，同時需要用電安全保護設備。為了保障安全生產，需要通信、信號、控制檢測裝置，環境、安全、工況監測監控儀器與裝備等[1]。其中所有環節均需要燈具等照明設備。這些設備均需要防爆技術來保障設備本身的安全，同時預防煤礦瓦斯爆炸產生。煤礦在用防爆電氣設備數量龐大，門類繁雜，使用環境復雜，要求安全級別高，因此，安全準入及認證門檻高，監管力度大。井下空間狹小，環境潮濕，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，有的還有腐蝕性礦水和霉菌寄生[2]。因此，煤礦防爆設備有特殊的要求，礦用電氣設備在材質和結構等方面應考慮防潮、防塵和防爆的特殊要求。煤礦主要防爆設備類型為隔爆型、本質安全型、增安型、澆封型、礦用一般型，近幾年，隨著電子信息技術的發展，本安型產品使用量逐年增大，自動化、信息化越來越普遍。

1 防爆技術起源

防爆技術起源于煤礦開采。1815 年英國人H.戴維（H.Dawy） 發明了安全火焰燈（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，目前我國煤礦用量最大的防爆電氣設備類型就是隔爆型。本質安全型防爆技術從英國起源[1]，19 世紀末，電學和磁學新的發明和發現逐步應用于采煤，1912—1915 年，為了改善煤礦信號鈴的安全性，提出了本質安全的概念。20 世紀30 年代初，在英國井下電話引起了井下瓦斯爆炸，開始了本質安全電路（intrinsically safe circuit）的研究。我國發展本質安全技術是隨著電子技術發展并運用到煤礦安全場所逐步形成的，到20 世紀60 年代初才有了比較成熟的礦用本質安全防爆電氣。

2 防爆原理及措施

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

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氣體的爆炸，這種控制方法屬于源頭治理理念。包括3 種類型的電氣設備：

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

2）通過設計使正常運行時不產生火花、電弧和高溫，也不能產生引爆故障的電氣設備，稱為無火花型電氣設備“n”，由于其安全性較低，僅用于2 區危險場所。

3）正常運行時不產生火花、電弧和危險高溫的電氣設備，但防止其在特殊情況下出現危險，需額外增加附加措施提高設備的安全可靠性，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，使之可以用于危險場所，由于增加了安全措施，稱為增安型電氣設備“e”。

2.2 利用外殼限制爆炸或隔離引燃源

這是經典的防爆措施，典型的防爆型式就是隔爆型“d”。19 世紀初,德國科學家貝林（Beyling）發現當火焰穿過金屬間隙寬度達到一定程度時，就可以抑制容器內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，產生了“隔爆技術”。用外殼限制爆炸原理是隔爆外殼內可燃性氣體混合物爆炸時不傳爆，外殼能承受內部爆炸壓力不損壞，不會產生影響防爆性能的永久性變形。

用外殼隔離引燃源包括：①氣密型電氣設備“h”（將外殼密封，阻止可燃氣體進入，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入，使殼內氣體形成爆炸濃度時間大于殼體外部危險氣體存在的時間，利用時間差達到隔爆目的）；③粉塵防爆型電氣設備（提高密封性能，使可燃性粉塵難以進入）。

2.3 利用介質隔離引燃源

其原理是用安全介質覆蓋電氣設備中的導電部件，阻斷導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，稱作正壓型電氣設備“p”。

2）用液體作為介質，如油浸型電氣設備“o”。

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

還有一種非防爆型的電氣設備，稱為礦用一般型電氣設備，其標志是“KY”，只能用于煤礦井下無瓦斯、煤塵爆炸危險的場所及非煤礦山等類似的工業生產部門。

另外一種防爆特殊型“s”，是通過評定和試驗防爆電氣設備或部件，證明其適合用于危險場所的一種特殊情況。

3 防爆分類及分區

防爆電氣設備根據使用環境不同，可以分成I類電氣設備（一般指煤礦），II 類電氣設備（一般指工廠），III 類電氣設備（一般指粉塵）。按照在不同爆炸性氣體和煤礦甲烷、爆炸性粉塵環境下成為引燃源的可能性，設置了設備保護級別（EPL），分為a、b、c 3 個級別。

GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14 部分：場所分類 爆炸性氣體環境》僅對Ⅱ類區域進行了分類，沒有對煤礦井下危險區域做出分類，我國煤礦安全規程對井下電氣設備選型做出了規定，固Ⅰ類和Ⅱ類區域劃分和防爆型式的選擇上差異較大。但從區域危險程度上對比，煤礦井下采掘工作面局部地點和抽放管道等區域位置相當于Ⅱ類的0 區，必須使用ia 或Ma 等級防爆設備。煤礦井下其他大部分區域危險場所相當于Ⅱ類危險場所的1 區和2 區。

不同防爆類型設備防爆原理和適用區域見表1，煤礦井下電氣設備選型見表2。

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

4 防爆標準化發展

我國防爆技術發展遲緩，基本上是依賴國際社會防爆技術和標準體系，直到20 世紀60 年代初才有真正的防爆產品問世，但沒有完整的標準化體系，僅發布了一些防爆技術規定，如1955 年發布《煤礦用電氣設備制造檢驗暫行規程》，1965 年發布《煤礦用電氣設備制造規程(試行)》，1963 年發布《工廠用防爆電氣設備制造規程》，1976 年發布《安全火花型防爆電氣設備制造檢驗暫行規定》等。直到1977年，我國才發布了第1 個防爆電氣設備國家標準：GB 1336—77《防爆電氣設備制造檢驗規程》。

1983 年對原GB 1336—77 標準進行了修訂，在總結國內實際使用要求的基礎上，大量采用了歐洲EN 標準的內容，形成了GB 3836—83 防爆電氣系列標準。20 世紀末，我國防爆標準體系更加與國際標準接軌，根據“優先采用國際標準或國際區域標準”的基本準則，增加了我國煤礦實際應用的要求，對GB 3836—83 系列標準進行了修訂，制訂出GB 3836—2000《爆炸性氣體環境用防爆電氣設備》系列國家標準[6]。在2010 年，再一次對防爆系列標準進行修訂，形成了GB 3836—2010 系列防爆標準，完善防爆電氣標準體系。目前我國正在對系列GB 3836—2010 標準進行修訂，陸續推出最新防爆標準，跟蹤國際標準進度，適應新時代防爆技術發展。

在等同、等效或修改采用相應的IEC 標準的基礎上，我國先后制訂、發布了爆炸危險場所電氣設備安裝、爆炸危險場所分類、檢查和維護以及修理和大修方面的國家標準，這些標準保障了防爆電氣產品在設計、取證后的正確、安全安裝、維護、使用[3]。并制定了基于GB 12476 系列粉塵防爆標準，基于GB 25286 系列的非電氣防爆標準，使爆炸性氣體環境、粉塵環境、非電氣防爆均有標準可依，基本滿足我國防爆技術領域需求。

我國煤礦防爆標準體系是建立在中國煤礦實際需求基礎上制訂完成的，修改采用了國際IEC 標準，在GB 3836 系列標準中增加煤礦特殊要求，例如耐潮濕的要求、對鋁外殼的特殊要求、防護的要求、非金屬外殼的要求等等，確保煤礦井下安全生產。同時，在GB 3836 系列標準外，成立了煤礦安全標準化委員會、煤礦專用設備標準化委員會等標準化組織，制訂完善適合中國煤礦生產需求、安全保障的行業標準。另外，在煤礦安全規程中，增加了對防爆電器選型、安裝等具體要求。形成了多渠道互相支持、環環相扣的防爆標準化體系。

5 我國煤礦防爆電器發展

我國煤礦井下防爆電器從20 世紀50 年代仿制原蘇聯產品起步，第1 臺產品誕生于1953 年。20 世紀60 年代能夠自行設計，主要是煤礦用防爆型，結構比較簡單，品種單一，數量少[7-8]。20 世紀70 年代末期，我國防爆電氣行業能夠自行研發適合我國煤礦的電氣設備，隨著煤礦生產的需求增加，礦用防爆電器設備品種增加，生產企業逐步興起，尤其是為了保障供電安全的防爆電器陸續產生，生產了真空防爆電器。同期，我國的防爆標準化體系初具規模，指導研發生產。改革開放后，隨著國民經濟快速發展，對能源的需求日益增加，我國防爆電器行業也迎來了大發展時期。微電子技術開始在礦用防爆電器產品中應用，礦用防爆電器產品向大容量、真空化、組合化發展，工廠用防爆電氣產品也發展出多類型、多模式，粉塵防爆電器產品也嶄露頭角[9]。

近20 年來，礦用防爆電器產品花樣翻新，新產品、新技術是過去50 年來進步最快的時期，如礦用防爆高低壓組合開關、礦用防爆高低壓軟起動器、動力中心、礦用防爆變頻調速裝置等防爆電器進入煤礦使用，而且電壓等級也從380 V、660 V、1 140 V 向3 300 V、6 kV、10 kV 靠近。同時，隨著綜合機械化采煤3.3 kV 及以上電壓供電系統的使用和電負荷的加大，對大容量5 000 kVA 以上特大容量隔爆型移動變電站的需求增加，高效節能防爆電機、變頻調速防爆電機等使用越來越頻繁。變頻一體化電機發展很快。具有變頻調速功能的液壓控制系統、防跑車控制系統、絞車成套電控、提升運輸機控制系統、帶式輸送機控制系統等普遍使用[7]。

我國煤礦井下防爆電氣設備基本是以隔爆型電氣設備為主，隔爆型電氣產品在煤礦生產中起關鍵作用，包含電壓等級36 V、127 V、380 V、660 V、1 140 V、3.3 kV、6 kV 、10 kV 的產品均有[8]。通信、監控、儀表等設備大部分以本質安全型為主，發展迅速，少數產品為增安型、澆封型和特殊型[3]。

6 我國煤礦防爆電器技術發展方向

根據目前煤礦安全生產裝備技術發展情況，結合煤礦安全生產規劃要點，可以看出防爆電器設備的發展趨勢，大型移動變電站、大功率防爆開關、大功率變頻電子器件等將廣泛應用于煤礦井下。新一代產品除了高性能、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、維護性能好、符合環保要求等，會更加趨向于實現網絡化，可連接現場總線的、具有通信能力的低壓防爆電器是發展的方向。變頻是模塊化防爆電器繼續大力推進的技術改造之一，變頻、耦合、降耗、網絡是發展主線。

本質安全防爆技術方面，隨著我國煤礦生產向機械化、自動化、智能化方向發展，井下控制、通信及監測監控、綜合保護等本質安全型防爆電氣設備廣泛應用。我國目前煤礦信息技術已經覆蓋了安全監控、生產監控、人員識別、通信、視頻等，設備信息的統一管理是下一代發展的方向，以及基于高可靠性的礦井一體化綜合監測監控關鍵技術與裝備，推動煤礦智能控制與決策系統現代化。本質安全型設備在煤礦井下的使用比例會逐步加大。

7 我國煤礦防爆技術需解決的問題

1）伴隨著5G 技術及無線通訊技術在煤礦井下的迅速應用，各種輻射的安全性研究是未來幾年需要重點關注的內容。隨著2016 版煤礦安全規程推薦使用激光甲烷傳感器，為市場研發、生產、使用激光甲烷傳感器、遙測儀、便攜式激光原理傳感器創造了條件，各類光輻射對防爆影響需加大力度研究。

2）伴隨著礦用電器設備功率逐步加大、功能復合，超大型體積的防爆殼體安全性需要科學論證和試驗。同時高壓電器飛弧對防爆外殼安全的影響也未引起足夠關注[10]。

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

4）新材料、新工藝、新技術的發展，對防爆技術發展提出挑戰。例如納米材料、碳纖維、S M C 玻璃纖維增強不飽和聚醋樹脂等等，如果應用于防爆外殼，會解決金屬外殼體大、質量重、耐腐蝕性差、工藝性差、維修困難等缺點，但其技術安全性需要進行研究。

5）大容量鋰電池及新技術產生的電池，已經開始在煤礦上使用，其對防爆安全影響需深入論證和試驗。

8 結 語

基于煤炭作為我國第一大能源的基本地位很長時間不能發生變化的事實，隨著我國煤礦的關停并轉，大型煤炭企業占據主導地位。煤礦防爆電器依然肩負著保障煤礦安全生產的重任。但隨著微電子技術、信息技術、網絡技術等新一代通信、控制技術在煤礦的廣泛使用，對防爆安全技術的評估、使用會產生深遠影響。同時，新材料、新工藝的發展，會對傳統防爆技術帶來新的挑戰。

（收稿日期：2020-07-01；責任編輯：朱 蕾）

［9］ 萬邵柏.我國礦用防爆電器產品現狀及其發展［J］.電氣防爆，1992（2）：6-10.

［10］ 陳杰.煤礦防爆電氣設備存在的重點問題及對策［J］.煤炭科學技術，2010，38（3）：83-86.