矿用隔爆型电气设备的隔爆性和耐爆性

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(山西长防电器股份有限公司，山西 长治 046000)

1 引言

多年来依据国家标准(GB3836- 2010)及《煤矿安全规程》要求，在隔爆外壳设计方面积累了丰富的经验。现对电气设备外壳如何实现其隔爆性、耐爆性进行阐述，为煤矿井下防爆电气设备的设计及使用提供帮助。

2 煤矿井下的特殊环境条件对电气设备的要求

(1)井下空气成分。

煤矿井下气体的主要成分有瓦斯(甲烷)、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氢、二氧化氮、氨及其他碳氢化合物，其中瓦斯含量占98%以上。当空气中的瓦斯浓度(体积比)达到5%～15%时，温度达到+650℃以上或具有足够能量的火花，空气中的氧气与瓦斯自动快速反应，同时伴随着放热，产生二氧化碳气体和水蒸气，即CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2+831千卡/克分子。另外，在采掘过程中会产生大量煤尘，当煤尘浓度在30～2000g/m3范围时，遇到温度达到+700℃以上的热源，就可能发生煤尘爆炸。瓦斯爆炸会引起煤尘伴生爆炸，这是十分危险的。

(2)井下周围气体的温度、湿度、空间的特殊性。

(3)煤矿发展迅速，现代化矿井系统由综采、综掘、通风、排水、提升、压风、运输、洗选、储装运等系统组成。煤矿井下在综采、综掘、通风、排水、提升、压风、运输等供电方面需要大量电气设备，对电气设备提出更高要求。国家标准GB3836-2010对爆炸性环境用电气设备分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。其中，煤矿井下用电气设备为Ⅰ类。

综上，煤矿井下用电气设备应具有隔爆性、耐爆性、防潮性且在井下移动轻巧、安装使用简便等要求。

3 煤矿井下用电气设备基本隔爆原理

用于煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸危险的环境中的电气设备为隔爆型电气设备，其中绝大多数采用隔爆外壳的间隙隔爆机理。间隙隔爆：内部爆炸火焰通过结合间隙向外传播时，金属壳体吸热灭火和冷却作用，使火焰熄灭并降温，避免传爆；外壳具有一定的强度，壳体内发生最严重爆炸时，所产生的高温不致使外壳损伤，所形成的压力不致使外壳变形或损伤。多年来大量的实践证实，外壳的间隙能起到隔爆作用。为了实现外壳的耐爆和隔爆性能，隔爆外壳在形状、材质、容积、结构等方面都有特殊要求。

隔爆型电气设备隔爆外壳由优质钢材通过一定的焊接、机械加工等工艺加工制成，在外形上有圆筒形和方形之分。决定隔爆性能的重要参数有：隔爆接合面的有效长度、隔爆结合面之间间隙的大小及隔爆结合面加工粗糙度。为了保证壳体的耐爆性能，在壳体钢材厚度、隔爆结合面厚度选择及壳体不同部位加强筋的增设是至关重要的。同时，外壳的结构设计也应合理，保证壳体的纵向尺寸和横向尺寸不宜相差过大，避免多个小空腔的出现。

4 矿用隔爆型电气设备外壳防爆的隔爆性能的实现

矿用隔爆型电气设备外壳一般由接线腔和主腔及托翘三部分组成。托翘仅是方便设备固定安装和移动使用，主腔安装整个设备的主要电器器件，满足用户具体使用性能。接线腔主要安装接线端子，完成整个电气设备与外接设备相互电缆连接的作用。三部分既独立又有关联，目的是保证在煤矿井下特殊的使用环境中做到具有安全性、性能可靠、使用方便。

4.1 隔爆接合面

隔爆接合面：指隔爆外壳不同部件相对应的表面配合在一起且火焰或燃烧生成物可能会从外壳内部传到外壳外部的部位。隔爆接合面我们常用的结构类型有：平面式、平面止口式、圆筒形、螺纹式等。

4.1.1 平面式

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隔爆接合面相对表面为平面，用螺钉或其他方法将外壳的隔爆接合面固定住，分平面式和止口式两种。例如在矿用隔爆型真空电磁起动器的上接线腔，接线腔壳法兰与接线腔盖结合面一般采用平面结合面(图1)，用紧固螺钉进行紧固。主腔壳法兰与门法兰结合面选用平面止口结合面(图2、图3)，一般为快开门方式开门、关门操作选用。

图1

图2 (型式Ⅰ)

图3 (型式Ⅱ)

4.1.2 圆筒式

隔爆接合面相对表面为圆筒形，有固定不动的如电机端盖，也有相对转动的如电机轴与轴孔等。例如矿用隔爆型真空电磁起动器门盖上按钮座轴套与按钮操纵杆结合面(图4、图5)及叉式接线端子、螺杆式接线端子、组合式接线端子等绝缘套管与接线腔接线端子板结合面(图6)、隔离开关操作手把的操纵杆与壳壁等选用圆筒结合面(图7)。

4.1.3 螺纹式

该结构是为了增加隔爆接合面长度，在检修时不经常拆卸的部分，才采用此种结构。如矿用隔爆型组合真空电磁起动器左右接线腔，螺纹式接线端子与壳壁及其法兰结合面为螺纹结合面，必须要有防松动螺母锁紧(图8)。

图4

图5

图6

图7

4.2 隔爆接合面的长度(L)

也称火焰通路长度(螺纹接合面除外)，是指从隔爆外壳内部通过隔爆接合面到隔爆外壳外部的最短通路长度，即一对隔爆接合面相吻的有效长度，而并非是单一隔爆面的结构长度。隔爆结合面越长，传爆的可能性就俞小，相反，传爆的可能性就越大。隔爆接合面长度是由隔爆外壳的容积决定，一般有6.0、12.5、25、40mm几种尺寸。应该注意止口式隔爆结合面的长度计算方式，当结合面上有螺栓通孔时，要有螺栓通孔边缘到隔爆结合面边缘长度的隔爆参数，其长度应遵循“最短通路”计算原则。

图8

4.3 隔爆接合面的间隙(W)

隔爆结合面的相对表面间的距离，即为隔爆结合面间隙。隔爆间隙的大小是隔爆外壳能否隔爆的关键。间隙隔爆主要是利用间隙熄火和冷却作用。实践证明，间隙越大，穿过间隙的爆炸产生物能量就越多，传爆性就越强，隔爆性就越差。相反，间隙越小，传爆性就越弱，隔爆性能就越好。

静止部分隔爆接合面(图1～图3)、操纵杆与孔隔爆接合面(图5)以及隔爆绝缘套管隔爆接合面的最大间隙或直径差W和隔爆接合面的最小有效长度L、螺丝通孔边缘至隔爆接合面边缘的最小有效长度L1、转铀与轴孔隔爆接合面最大直径差W和最小有效长度L应符合表1的规定。但快开门或盖的隔爆接合面的最小有效长度L须不小于25.0mm。

表1 煤矿井下电气设备隔爆外壳的结构参数

操纵杆直径d和隔爆接合面长度L要符合表2的规定。

表2 操作杆直径d和隔爆接合面长度L的尺寸关系

带有滚动轴承的圆筒结构，最大单边间隙须不大于表2规定的W的三分之二。由于使用滚动轴承，尽管表2中的W值较L相同的静止接合面大，但全部间隙W值分配为两部分，任意一部分的值均不会超过基础间隙值，故它的安全系数并末降低。考虑到轴承游隙，零件公差及运转中轴承的磨损等因素可能造成的轴与轴孔的偏心，因此留有三分之一的平均单边间隙的偏心量，这条规定还可以防止单边间隙过小造成轴与孔的磨损。表2规定的结构参数值都是上限，正常出厂产品的结构间隙都小于上述值(以平面接合面为例，其间隙一般小于0.1mm)。从隔爆的角度出发，间隙越小越安全。

4.4 隔爆接合面的粗糙度(Ra)

隔爆接合面的粗糙度主要是影响其间隙的最大值，根据接合的结构来确定粗糙度。GB3836-2010要求隔爆接合面的粗糙度不超过6.3μm，操纵杆不高于3.2μm。

4.5 螺纹隔爆结构参数

对螺纹隔爆结构参数，须符合下列要求：

(1)螺纹精度须不低于3级，螺距须不小于0.7mm；

(2)螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度，须符合表3的规定；

(3)螺纹结构须有防止自行松脱的措施。

表3 螺纹啮合扣数与拧入深度的关系

4.6 隔爆结合面需有防锈措施

隔爆接合面的锈蚀是影响隔爆性能的主要因素之一。因此隔爆接合面须有防锈措施，如电镀、磷化、涂防锈油等，但不准涂漆。因为漆膜在高温作用下易分解，使得接合面间隙变大，并且漆膜分解产生物是容易传爆的气体，这些都会影响隔爆外壳的隔爆性能。

4.7 隔爆接合面之间的紧固

一个完整的隔爆外壳总是由两个以上零件组成的，零件间的相对面即为隔爆接合面，为了保证隔爆参数符合要求，隔爆结合面之间的可靠连接是十分重要的。为了保证隔爆接合面之间连接紧固良好，其连接零部件应符合下列要求。

(1)螺栓和螺母不允许用塑料和轻合金材料制造。

(2)螺栓和不透螺孔紧固后，还须留有大于2倍防松垫圈厚度的螺纹余量，以保证在防松垫圈丢失的情况下，螺栓仍能拧紧。但是，若防松垫圈丢失，必须尽快补上，以保安全。

(3)隔爆外壳上的不透螺孔周围及底部的厚度须不小于螺栓直径的1/3，最少为3mm。

(4)螺钉紧固中，若以弹簧垫圈防松，在拧紧螺钉时，只须将弹簧垫圈压平即可，不宜拧得太紧。否则，螺钉预应力太大，若受到爆炸压力作用就易发生断裂。

(5)外盖和壳体在接合处的外形尺寸应一样大，或壳体外边缘尺寸略大于盖子的外边缘尺寸，以避免对紧固螺栓的剪切力。

(6)工艺透孔或结构上必须穿透外壳的螺孔，其配合应采用圆筒隔爆结构或螺纹隔爆结构。外露的端头须永久性固定，也可将其埋入护圈内。

(7)塑料外壳上不允许直接攻螺孔。

4.8 联锁和警告标志的设置

把合格的外壳零件按要求连接起来之后才能构成一个完整的隔爆外壳，若紧固措施被解除(例如把磁力起动器的外盖打开)则外壳就起不到隔爆作用。因此，对于正常运行时产生火花或电弧的电气设备必须备有联锁装置，即当电源接通时壳盖不能打开，壳盖打开后电源不能接通。也可设置警告牌，警告牌上须标有“断电源后开盖”的字样。设备输出端断电后，如果壳内仍有带电部件须加设防护性绝缘盖板，并标注“带电”字样的警告标志。

5 结束语

保证矿用隔爆型电气设备隔爆性能要考虑的因数有许多：优化的设计、合理的工艺要求、工装模具的保证，精确的加工精度等。这里主要从其壳体设计使用等方面细化矿用隔爆型电气设备隔爆性能的具体实现进行阐述。

[1]GB3836-2010爆炸性环境.第1部分：设备.通用要求.GB3836-2010爆炸性环境.第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备[S].

[2]煤矿安全规程：电气设备和保护[S].