煤矿防爆电器技术发展与探讨

朱世安，李 者

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

煤炭是我国的重要能源。煤矿开采离不开防爆电气设备，采掘过程需要采掘设备、提升运输设备、排水设备、通风设备等，这些设备的供电需要高压配电装置、变压器、移动变电站、馈电开关、组合开关、起动器、电动机等，同时需要用电安全保护设备。为了保障安全生产，需要通信、信号、控制检测装置，环境、安全、工况监测监控仪器与装备等[1]。其中所有环节均需要灯具等照明设备。这些设备均需要防爆技术来保障设备本身的安全，同时预防煤矿瓦斯爆炸产生。煤矿在用防爆电气设备数量庞大，门类繁杂，使用环境复杂，要求安全级别高，因此，安全准入及认证门槛高，监管力度大。井下空间狭小，环境潮湿，粉尘含量大，常有岩石和矿物垮落,有的存在瓦斯、矿尘等爆炸的危险，有的还有腐蚀性矿水和霉菌寄生[2]。因此，煤矿防爆设备有特殊的要求，矿用电气设备在材质和结构等方面应考虑防潮、防尘和防爆的特殊要求。煤矿主要防爆设备类型为隔爆型、本质安全型、增安型、浇封型、矿用一般型，近几年，随着电子信息技术的发展，本安型产品使用量逐年增大，自动化、信息化越来越普遍。

1 防爆技术起源

防爆技术起源于煤矿开采。1815 年英国人H.戴维（H.Dawy） 发明了安全火焰灯（Safety flame lamp），解决安全照明问题。1903 年至1906 年间，德国人贝林（Beyling）提出了间隙防爆，形成了隔爆外壳（Drhkfeste kapselung），有效地解决了安全供电问题，目前我国煤矿用量最大的防爆电气设备类型就是隔爆型。本质安全型防爆技术从英国起源[1]，19 世纪末，电学和磁学新的发明和发现逐步应用于采煤，1912—1915 年，为了改善煤矿信号铃的安全性，提出了本质安全的概念。20 世纪30 年代初，在英国井下电话引起了井下瓦斯爆炸，开始了本质安全电路（intrinsically safe circuit）的研究。我国发展本质安全技术是随着电子技术发展并运用到煤矿安全场所逐步形成的，到20 世纪60 年代初才有了比较成熟的矿用本质安全防爆电气。

2 防爆原理及措施

爆炸产生的基本三要素：电火花、热表面等点燃源、可燃性气体或粉尘等爆炸性物质以及空气（氧气），这就是所谓的爆炸三角形。防爆基本原理就是设法排除1 个或多个基本要素，使产生爆炸的危险降低到安全水平。防爆电气设备是一种特殊电气设备，它一方面具备一定的爆炸预防和防护能力，另一方面又是爆炸性环境的潜在点燃源，是防止爆炸、保证安全生产的重要设备。其防爆原理就是为了控制爆炸三要素不同时存在，进而采取不同技术措施。

2.1 控制引燃源能量

其原理是通过控制引燃源能量，使其不足以引起可燃气体的爆炸，这种控制方法属于源头治理理念。包括3 种类型的电气设备：

1）限制电气能量，使电路在短路、断路故障等情况下产生的火花能量不能引燃爆炸性气体，从而实现防爆目的，称为本质安全型电路和电气设备“i”。

2）通过设计使正常运行时不产生火花、电弧和高温，也不能产生引爆故障的电气设备，称为无火花型电气设备“n”，由于其安全性较低，仅用于2 区危险场所。

3）正常运行时不产生火花、电弧和危险高温的电气设备，但防止其在特殊情况下出现危险，需额外增加附加措施提高设备的安全可靠性，例如增大电气间隙及爬电距离、提高绝缘材料性能、控制温升水平等措施，使之可以用于危险场所，由于增加了安全措施，称为增安型电气设备“e”。

2.2 利用外壳限制爆炸或隔离引燃源

这是经典的防爆措施，典型的防爆型式就是隔爆型“d”。19 世纪初,德国科学家贝林（Beyling）发现当火焰穿过金属间隙宽度达到一定程度时，就可以抑制容器内甲烷与空气混合物的爆炸，从而不影响容器外混合气体爆炸，产生了“隔爆技术”。用外壳限制爆炸原理是隔爆外壳内可燃性气体混合物爆炸时不传爆，外壳能承受内部爆炸压力不损坏，不会产生影响防爆性能的永久性变形。

用外壳隔离引燃源包括：①气密型电气设备“h”（将外壳密封，阻止可燃气体进入，隔离引燃源）；②限制呼吸外壳（采用密封外壳限制可燃性气体进入，使壳内气体形成爆炸浓度时间大于壳体外部危险气体存在的时间，利用时间差达到隔爆目的）；③粉尘防爆型电气设备（提高密封性能，使可燃性粉尘难以进入）。

2.3 利用介质隔离引燃源

其原理是用安全介质覆盖电气设备中的导电部件，阻断导电部件与爆炸性气体接触。

1）用新鲜空气或惰性气体作为介质，称作正压型电气设备“p”。

2）用液体作为介质，如油浸型电气设备“o”。

3）用固体作为介质，包括颗粒状固体填充（如充砂型电气设备“q”），和固化物填料（如浇封型电气设备“m”）。

还有一种非防爆型的电气设备，称为矿用一般型电气设备，其标志是“KY”，只能用于煤矿井下无瓦斯、煤尘爆炸危险的场所及非煤矿山等类似的工业生产部门。

另外一种防爆特殊型“s”，是通过评定和试验防爆电气设备或部件，证明其适合用于危险场所的一种特殊情况。

3 防爆分类及分区

防爆电气设备根据使用环境不同，可以分成I类电气设备（一般指煤矿），II 类电气设备（一般指工厂），III 类电气设备（一般指粉尘）。按照在不同爆炸性气体和煤矿甲烷、爆炸性粉尘环境下成为引燃源的可能性，设置了设备保护级别（EPL），分为a、b、c 3 个级别。

GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14 部分：场所分类 爆炸性气体环境》仅对Ⅱ类区域进行了分类，没有对煤矿井下危险区域做出分类，我国煤矿安全规程对井下电气设备选型做出了规定，固Ⅰ类和Ⅱ类区域划分和防爆型式的选择上差异较大。但从区域危险程度上对比，煤矿井下采掘工作面局部地点和抽放管道等区域位置相当于Ⅱ类的0 区，必须使用ia 或Ma 等级防爆设备。煤矿井下其他大部分区域危险场所相当于Ⅱ类危险场所的1 区和2 区。

不同防爆类型设备防爆原理和适用区域见表1，煤矿井下电气设备选型见表2。

表1 不同防爆类型设备防爆原理和适用区域[3-4]Table 1 Explosion-proof principle and applicable area of different explosion-proof types of equipment

4 防爆标准化发展

我国防爆技术发展迟缓，基本上是依赖国际社会防爆技术和标准体系，直到20 世纪60 年代初才有真正的防爆产品问世，但没有完整的标准化体系，仅发布了一些防爆技术规定，如1955 年发布《煤矿用电气设备制造检验暂行规程》，1965 年发布《煤矿用电气设备制造规程(试行)》，1963 年发布《工厂用防爆电气设备制造规程》，1976 年发布《安全火花型防爆电气设备制造检验暂行规定》等。直到1977年，我国才发布了第1 个防爆电气设备国家标准：GB 1336—77《防爆电气设备制造检验规程》。

1983 年对原GB 1336—77 标准进行了修订，在总结国内实际使用要求的基础上，大量采用了欧洲EN 标准的内容，形成了GB 3836—83 防爆电气系列标准。20 世纪末，我国防爆标准体系更加与国际标准接轨，根据“优先采用国际标准或国际区域标准”的基本准则，增加了我国煤矿实际应用的要求，对GB 3836—83 系列标准进行了修订，制订出GB 3836—2000《爆炸性气体环境用防爆电气设备》系列国家标准[6]。在2010 年，再一次对防爆系列标准进行修订，形成了GB 3836—2010 系列防爆标准，完善防爆电气标准体系。目前我国正在对系列GB 3836—2010 标准进行修订，陆续推出最新防爆标准，跟踪国际标准进度，适应新时代防爆技术发展。

在等同、等效或修改采用相应的IEC 标准的基础上，我国先后制订、发布了爆炸危险场所电气设备安装、爆炸危险场所分类、检查和维护以及修理和大修方面的国家标准，这些标准保障了防爆电气产品在设计、取证后的正确、安全安装、维护、使用[3]。并制定了基于GB 12476 系列粉尘防爆标准，基于GB 25286 系列的非电气防爆标准，使爆炸性气体环境、粉尘环境、非电气防爆均有标准可依，基本满足我国防爆技术领域需求。

我国煤矿防爆标准体系是建立在中国煤矿实际需求基础上制订完成的，修改采用了国际IEC 标准，在GB 3836 系列标准中增加煤矿特殊要求，例如耐潮湿的要求、对铝外壳的特殊要求、防护的要求、非金属外壳的要求等等，确保煤矿井下安全生产。同时，在GB 3836 系列标准外，成立了煤矿安全标准化委员会、煤矿专用设备标准化委员会等标准化组织，制订完善适合中国煤矿生产需求、安全保障的行业标准。另外，在煤矿安全规程中，增加了对防爆电器选型、安装等具体要求。形成了多渠道互相支持、环环相扣的防爆标准化体系。

5 我国煤矿防爆电器发展

我国煤矿井下防爆电器从20 世纪50 年代仿制原苏联产品起步，第1 台产品诞生于1953 年。20 世纪60 年代能够自行设计，主要是煤矿用防爆型，结构比较简单，品种单一，数量少[7-8]。20 世纪70 年代末期，我国防爆电气行业能够自行研发适合我国煤矿的电气设备，随着煤矿生产的需求增加，矿用防爆电器设备品种增加，生产企业逐步兴起，尤其是为了保障供电安全的防爆电器陆续产生，生产了真空防爆电器。同期，我国的防爆标准化体系初具规模，指导研发生产。改革开放后，随着国民经济快速发展，对能源的需求日益增加，我国防爆电器行业也迎来了大发展时期。微电子技术开始在矿用防爆电器产品中应用，矿用防爆电器产品向大容量、真空化、组合化发展，工厂用防爆电气产品也发展出多类型、多模式，粉尘防爆电器产品也崭露头角[9]。

近20 年来，矿用防爆电器产品花样翻新，新产品、新技术是过去50 年来进步最快的时期，如矿用防爆高低压组合开关、矿用防爆高低压软起动器、动力中心、矿用防爆变频调速装置等防爆电器进入煤矿使用，而且电压等级也从380 V、660 V、1 140 V 向3 300 V、6 kV、10 kV 靠近。同时，随着综合机械化采煤3.3 kV 及以上电压供电系统的使用和电负荷的加大，对大容量5 000 kVA 以上特大容量隔爆型移动变电站的需求增加，高效节能防爆电机、变频调速防爆电机等使用越来越频繁。变频一体化电机发展很快。具有变频调速功能的液压控制系统、防跑车控制系统、绞车成套电控、提升运输机控制系统、带式输送机控制系统等普遍使用[7]。

我国煤矿井下防爆电气设备基本是以隔爆型电气设备为主，隔爆型电气产品在煤矿生产中起关键作用，包含电压等级36 V、127 V、380 V、660 V、1 140 V、3.3 kV、6 kV 、10 kV 的产品均有[8]。通信、监控、仪表等设备大部分以本质安全型为主，发展迅速，少数产品为增安型、浇封型和特殊型[3]。

6 我国煤矿防爆电器技术发展方向

根据目前煤矿安全生产装备技术发展情况，结合煤矿安全生产规划要点，可以看出防爆电器设备的发展趋势，大型移动变电站、大功率防爆开关、大功率变频电子器件等将广泛应用于煤矿井下。新一代产品除了高性能、电子化、智能化、模块化、组合化外，其主要特征是可通信、高可靠、维护性能好、符合环保要求等，会更加趋向于实现网络化，可连接现场总线的、具有通信能力的低压防爆电器是发展的方向。变频是模块化防爆电器继续大力推进的技术改造之一，变频、耦合、降耗、网络是发展主线。

本质安全防爆技术方面，随着我国煤矿生产向机械化、自动化、智能化方向发展，井下控制、通信及监测监控、综合保护等本质安全型防爆电气设备广泛应用。我国目前煤矿信息技术已经覆盖了安全监控、生产监控、人员识别、通信、视频等，设备信息的统一管理是下一代发展的方向，以及基于高可靠性的矿井一体化综合监测监控关键技术与装备，推动煤矿智能控制与决策系统现代化。本质安全型设备在煤矿井下的使用比例会逐步加大。

7 我国煤矿防爆技术需解决的问题

1）伴随着5G 技术及无线通讯技术在煤矿井下的迅速应用，各种辐射的安全性研究是未来几年需要重点关注的内容。随着2016 版煤矿安全规程推荐使用激光甲烷传感器，为市场研发、生产、使用激光甲烷传感器、遥测仪、便携式激光原理传感器创造了条件，各类光辐射对防爆影响需加大力度研究。

2）伴随着矿用电器设备功率逐步加大、功能复合，超大型体积的防爆壳体安全性需要科学论证和试验。同时高压电器飞弧对防爆外壳安全的影响也未引起足够关注[10]。

3）随着煤层向深部开采，井下高温高湿等不利因素加剧，加速了电气设备绝缘的老化。以及高海拔的矿山低温环境对防爆的影响逐步显现，需要科学研究。

4）新材料、新工艺、新技术的发展，对防爆技术发展提出挑战。例如纳米材料、碳纤维、S M C 玻璃纤维增强不饱和聚醋树脂等等，如果应用于防爆外壳，会解决金属外壳体大、质量重、耐腐蚀性差、工艺性差、维修困难等缺点，但其技术安全性需要进行研究。

5）大容量锂电池及新技术产生的电池，已经开始在煤矿上使用，其对防爆安全影响需深入论证和试验。

8 结 语

基于煤炭作为我国第一大能源的基本地位很长时间不能发生变化的事实，随着我国煤矿的关停并转，大型煤炭企业占据主导地位。煤矿防爆电器依然肩负着保障煤矿安全生产的重任。但随着微电子技术、信息技术、网络技术等新一代通信、控制技术在煤矿的广泛使用，对防爆安全技术的评估、使用会产生深远影响。同时，新材料、新工艺的发展，会对传统防爆技术带来新的挑战。

（收稿日期：2020-07-01；责任编辑：朱 蕾）

［9］ 万邵柏.我国矿用防爆电器产品现状及其发展［J］.电气防爆，1992（2）：6-10.

［10］ 陈杰.煤矿防爆电气设备存在的重点问题及对策［J］.煤炭科学技术，2010，38（3）：83-86.