1、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。除I类场所之外，II类场所按爆炸性物质出现的频敏程度、持续时间又划分为“0区”“1区”、“2区”三个等级，其中0区危险程度最大。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dibI）。我国煤矿井下
2、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，因此本讲义主要包括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”四部分。在我国煤矿井下还使用着矿用一般型电气设备“KY”，为此，也一并作基本介绍。本讲义拟作矿用防爆基本知识、设备使用维护、基本设计的介绍，对科研设计及煤矿电气设备使用人员有一定参考价值，因此也是一本基本培训素材。2005年1月第一篇 矿井气体、爆炸性混合物的形成1 我国煤矿井下的基本环境条件1.1空气成份在煤矿井下采掘过程中，空气里含有瓦斯（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，其中瓦斯（甲烷）含量占85%以上
3、。当空气中的瓦斯（甲烷）含量达到515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0.751mm以内，其浓度在302000g/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。1.2
4、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，上下温差变化甚微。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，进风井筒冬季结冰时，必须装设空气预热设备，保持进风口以下空气温度在2以上。我国防爆标准GB3836.1通用要求中规定电气设备环境温度在2040时能正常运行。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。1.3相对湿度煤矿井下湿度大，有淋水是一大特点，相对
5、湿度在95100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GBT2423.4标准交变湿热试验方法进行测试，以确保电气设备在恶劣气候条件下能正常运转。 1.4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轻巧，同时电性能满足要求，运行可靠，操作简单，维修方便。1.5电气设备壳内的环境条件由于电气设备外壳达到防爆要求，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
6、动、停止工作状态有分断大电流现象，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导常升高，甚至造成外壳结构的破坏，这是值得引人注意的。2我国煤矿井下的基本工况条件2.1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供电下井中央变电所、采区变电所直到工作面配电点，基本属于垂直方式四级供电系统。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33
7、00V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吨高产高效综合机械化采掘工作面任务，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。2.2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。 2.3冲击与振动矿用电气设备从井上到
8、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更要承受不同程度的冲击与振动，其振动频率、振幅及时间与正弦振动概念不同，很难以现有标准来判定，电气设备运行不正常与冲击、振动也有很大关系。2.4安装类别安装类别（过电压类别）主要对低压电器面言，矿用电气设备按GB/T14048.1低压开关设备和控制设备总则的有关规定，基本按III、IV类考虑。3煤矿井下巷道内的气体把煤层及其围岩涌出的天然气和井下巷道内由于大气氧与煤、岩石、木棚之间化学反应和生物化学反应以及在井下钻眼爆破工作和有机物质燃烧形成的工艺气体，均统称为矿井气体。矿井气体的主要成份是
9、瓦斯，也称甲烷（CH4）及其同系物，煤矿井下最危险的是爆炸性气体。它包括甲烷（98）及其同系物（乙烷、丙烷、丁烷）及其它可燃性气体。井下空气中瓦斯的含量很大程度上取决于地质构造、煤层埋藏深浅程度及开拓方式。对井下巷道内瓦斯含量主要取决于各种自然因素，例如开采深度、煤层瓦斯含量、煤层中甲烷压力和透气性。一般来说，瓦斯主要的涌出源是顺槽准备巷道的新暴露面和回采工作面经常更新的移动工作面及采落的煤。在通风量不足的情况下，巷道内瓦斯含量会超过“煤矿安全规程”规定的标准。尤其在准备巷道的掘进工作面，回采工作面的采煤机附近和工作面与回风巷道的交界处附近更为严重。3.1在掘进巷道打眼放炮情况下据有关资料介绍
10、，放炮后大约在半分钟之内，瓦斯浓度由1提高到16；在1分钟之内，瓦斯浓度可提高到30%左右；在315分钟内，瓦斯浓度降低到4.5。当局扇停止通风时，这种巷道瓦斯积聚浓度则随着瓦斯绝对涌出量的增加、瓦斯浓度超限时间的延长、巷道长度及倾角增大而增大。3.2在回采工作面的采煤机附近落煤带和工作面与回风巷交界处采煤机落煤带内瓦斯涌出量除了与煤的瓦斯含量有关以外，还与落下的煤和新暴露煤壁的瓦斯逸出量有关，一般认为开采煤层的厚度、工作面风速、煤层瓦斯天然含量和回采工作面平均日推进速度是使最大瓦斯浓度超过工作面各断面平均值的主要因素。3.3矿井瓦斯等级的划分煤矿安全规程规定，一个矿井中，只要有一个煤（岩）层
11、发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。矿井瓦斯等级，按照平均日产1t煤涌出瓦斯量和瓦斯形式进行划分，即低瓦斯矿井：10m3及其以下，高压斯矿井10m3以上及煤与瓦斯突出矿井三种。对低瓦斯矿井中，个别采区瓦斯涌出量较大或瓦斯涌出有异常情况时，则该采区应按高瓦斯区进行管理，具体由矿务局定时组织鉴定工作，报上级部门批准执行。4爆炸性混合物的形成4.1爆炸性气体空气混合物的爆炸界限瓦斯空气混合物的爆炸是大气中氧气与瓦斯在危险高温或足够的火花能量时的自动回速反应，同时伴随着放热，产生二氧化碳气体和水蒸汽，即：CH42O27.52N2CO22H2O7.52N2831.0千
12、卡克分子在正常条件下，515瓦斯空气混合物是爆炸性混合物。当井下空气中瓦斯含量5或15时，由于在瓦斯含量低的低混合物中瓦斯燃烧时产生的热量不足以维持燃烧，而瓦斯含量高的高混合物中瓦斯过剩，对混合物起冷却作用（瓦斯的热量消耗比空气高1.5倍），两者均使混合物不爆炸。但是，在井下空气中瓦斯含量超过15时，由于瓦斯气体取代氧气，对于人的生命的有危险的。例如，空气中瓦斯气体含量超过43%时，由于氧气不足，人就会发生窒息的危险。由上可知，5是爆炸下限，15是爆炸上限，它还随着初始压力的上升而提高。任何爆炸性气体混合物都存在着爆炸的下限和上限，现将列举几种名称列表所示。名称分子式可爆炸极限（体积比）最低引
13、燃能量（mJ）燃点温度（K）2316下限（）上限（）瓦斯（甲烷）CH45150.282316丙烷C3H82.19.50.252383乙烯C2H42.7340.12557乙炔C2H21.5820.0192893氢H24.075.62483氨NH328二硫化碳CS21.260硫化氢H2S4.345甲苯C7H81.276.75-24844.2电气设备在故障状态下电气绝缘材料有机成份受热分解气体煤矿井下空气湿度较大，矿井水蒸汽有腐蚀作用，电气设备在长期运行过程中由于煤尘向电气外壳内部不断侵入，会使原有电气材料绝缘性能降低，严重者会导致电气击穿现象；也由于电气保护装置调整不符合要求或者保护失效，电气设备
14、大功率的放电，对绝缘材料产生热作用；如果带电部件匝间短路或电路系统短路产生飞弧现象等，这些均是产生可燃性气体的直接原因。众所周知，塑料在持续加热到几百度时，最初是机械性能下降，然后产生材料分解，析出气体和烟雾。所析出的气体中氢气和一氧化碳占主要成份，据有关资料介绍，绝缘材料在电弧电流1400A，电压700V作用下，在0.20.25秒时间内，在密封钢壳（净容积16升）内发现了可燃性气体，其中氢和一氧化碳含量较大，而外壳内部的压力取决于电流强度和电弧燃烧时间。现以三种树脂在密闭容器内高温分解现象列表所示：气体高温分解1克树脂产生气体量（cm3）聚酰胺树脂环氧树脂苯乙烯聚脂共聚物二氧化碳528.31
15、9.0一氧化碳10028.280.6甲烷56.330.216.92.98.813.2气体总量288.984.473.8爆炸危险浓度计算下限值（体积比，）7.76.1*2.6*在10分米3空气的容积内足够产生爆炸性气体的经过高温分解的树脂数量7.7*3.6注：*为近似值上述三种树脂中，尽管均有耐高温的特点，但经高温分解，足以达到爆炸危险的浓度，不能忽视。4.3爆炸性混合物的分类防爆电气设备分为两类，其中煤矿井下用电气设备为I类；除煤矿外其他爆炸性气体环境用电气设备为II类。这是根据使用地点的不同来划分的。煤矿井下爆炸性混合物主要是瓦斯（甲烷）；爆炸危险厂房主要指石油开采、石油炼制、输油系统及化工
16、、纺织、石棉厂房等，由于具有各种各样的爆炸性气体，而这些爆炸性气体在相同的试验条件下，具有不同的试验安全间隙、不同的最小点燃电流和自燃温度。根据试验安全间隙和最小点燃电流比将II类电气设备又分为A、B、C三级。其分级标准如下所示：类、级别MESG（mm）MICRI1.141IIAmax0.9MICR0.8IIB0.9max0.50.8MICR0.45IIC0.5max0.45各种爆炸性气体或蒸汽与空气的混合物按其引燃温度分为六组：T1、T2T6。分组标准如下表所示：温度组别最高表面温度T1450T2300T3200T4135T5T685引燃温度测定采用IEC794的试验方法。（略）可燃性气体、
17、蒸汽级别、温度组别举例见GB3836.1中附录A。实测引燃温度可采用IEC标准方法的测定值，也可对实物通过试验测定。1概述各类矿用防爆电气设备都有专用标准和其它有关标准的规定，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。本篇主要阐述“通用要求”的要点。2 基本要求2.1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
18、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）对于总面积不大于10cm2的部件，例如本安型电路使用的晶体管或电阻等，其最高表面温度相对于实测引燃温度具有下列安全裕度时，该部件的最高表面温度允许超过电气设备标志的组别温度。a. T1、T2、T3组设备为50；b. T4、T5、T6组设备及I类设备为25（4）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，这组数字仅供产品设计时参考。2.2GB3836.1-2000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
19、/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。2.3对外壳的要求2.3.1对快开门结构：（1）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，I类电气设备：0.2mJIIB电气设备：0.06mJ，IIC电气设备：0.02mJ；充电电压200V可为上述能量两倍。（2）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。（3）上述、条规定的时间间隔，需设有警告牌标明。2.3.2对塑料外壳：标准作出下列规定：（1）塑料应具有不燃性或难燃性。a.
20、规定塑料外壳应用不燃或阻燃材料制成，并应能承受所规定的燃烧性能试验。b.燃烧性能试验按GB11020测量固体绝缘材料暴露在引燃源后燃烧性能试验方法中规定的火焰垂直试样法（FV法）进行，试验结果以不低于FV2级的要求为合格。c. 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。（2）外壳就能承受20J的冲击能量及经受热稳定的试验。（3）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1109。（4） 塑料外壳上不允许直接制成紧固螺纹。2.3.3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
21、物的点燃，标准中规定携带式或支架式电钻及附带的插销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： （1）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，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。（2）含轻金属的外壳材质按重量比，铝、钛和镁的总含量不得大于15%，并且钛和镁的总含量不大于6%。2.3.4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：
22、（1）紧固用螺栓和螺母附能防松装置。（2） 对要求采用特殊紧固结构时，可采用护圈式结构。a.螺栓头或螺母设在护圈内，要使用专用工具者能拧松取出；b.紧固后的螺栓头或螺母的上平面不得超出护圈高度；c.护圈直径、高度、螺栓通孔直径须符合标准中的规定；d.护圈可设有开口，开口的圆心张角须不大于120度。（3） 紧固件应采用不锈材料制造，或经电镀等防锈措施。2.3.5联锁装置根据标准规定，联锁装置就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。2.3.6 绝缘套管（1）绝缘套管应采用吸湿性较小的材料制成，对于电压高于127V的电气设
23、备，不得采用酚醛塑料制品。现将几种固体电工绝缘材料的吸水性能经试验后列表如下：项目试验方法BMC-M上塑33-3电气酚醛比重 g/cm3GB1033-701.82.01.81.45成型收缩率 GB1404-780.10.30.40.80.61.0吸水性 mg/cm20.21.00.8耐电弧性 SGB1411-78180相对泄痕指数分级GB4207-84GB3836.3abd马丁耐热 GB1035-70160140120抗弯强度 N/cm2GB1042-7978046860冲击强度 N. cm /cm2GB1043-7919644.158.8体积电阻 .cmGB1410-781014101210
24、10击穿强度 kV/mmGB1408-7812燃烧性 级UL-94V-0由表内数据可知，a级低收缩不饱和聚酯料团性能优于其它材料，可提高电气设备在井下潮湿环境中的使用安全性。（2）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。2.3.7连接件与接线空腔（1）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。（2）接线空腔：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，均须采用接线空腔。设计时应考虑
25、：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任何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；d.为防止万一出现电弧闪络现象，接线盒内壁应涂以耐电弧瓷漆。2.3.8引入装置引入电气设备的电缆或导线（包括橡套电缆、铠装电缆）的引入装置有三种方式，即密封圈式、浇铸固化填料密封式及金属密封环式。（1）密封圈式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. 引入高压电缆时，引入装置（或接线盒）须留有放置电缆头的空间。d
26、. 密封圈须能承受标准中所规定的老化试验。 e. 密封圈的非压缩轴向长度需符合标准中的规定。f. 引入装置一般应加设金属垫圈，以增大接触面积。g. 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。h. 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铭牌，标明温度，以便选配相就的电缆。i. 引入装置还须能承受专门规定的夹紧试验。（2）浇铸固化填料密封式：A.须设置防止电缆拔脱装置，并须敷设电缆保护管。B.填料须符合下列要求：（a） 具有不燃性或难燃性；（b） 不必加热即可
27、填充；（c） 填充后，在常温下短时间内即可固化；（d） 固化后，不产生有害的裂纹，且软化的温度不低于95；（e） 不得对电缆护套产生不良影响；C.填料的填充深度须大于电缆引入口孔径的1.5倍（最小40mm），并应有表示所需填充量的标记。（3） 金属密封环式：主要用于IIA、IIB电气设备。2.3.9接地一般电气设备均须设外接地装置，接线空腔内部（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。对于携带式和移动式电气设备，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：（1）应设内、外接地的设备，须标志接地符号。（2） 电气设备非接地连接件应能至少与截面积为4mm2接地
