矿用软起动器柜体隔爆结构优化方法研究

原小飞

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

煤矿井下作业环境属于易燃易爆危险场所，特别是具有高瓦斯、高煤尘等特点，因此矿井下多采用隔爆外壳来防止煤矿瓦斯事故的发生，其中隔爆外壳就是矿用电气设备的主要隔爆形式，隔爆壳体及其结合面具备承受壳体内部可燃气体发生爆炸时造成破坏的能力，同时不会引燃壳体外部气体的燃烧。所以，矿用软起动器的一个重要组成就是隔爆柜体结构的设计。但是，由于受矿井下空间的限制，矿用软起动器柜体的大小收到限制，对比地面上的控制柜，其只有地面柜体的1/3 左右。而对于矿用软起动器隔爆柜体材料，优先选用铸钢或钢板，板厚在12～25 mm；且隔爆柜体几乎是密不透风的，尤其是门与柜体间的结合面必须符合特殊规定，保证壳体内部出现爆炸时可向外冒烟，但不可引燃柜体，也不可向壳体外部窜火苗，避免引起矿井下的瓦斯爆炸。此外，矿用软起动器柜体向外引线，需采用隔爆接线箱，引线穿过密封圈进入隔爆柜体，避免接线盒内的火花蔓延引起外部爆炸[1]。因此，矿用软起动器对隔爆壳体结合面的长度和间隙宽度都有严格的要求，本文主要研究在优化隔爆壳体结合面的长度下的隔爆成效，进而提高矿井作业安全，同时降低材料成本。

1 矿用软起动器的介绍及其工作原理

矿用软起动器是一种电机控制设备，其是将软起动、软停车和轻载节能等功能集成于一体。在运行中能很好地控制电动机的起动电压，保证电动机在起动时的电压是慢慢上升至电机的额定电压，使其电应力和机械损伤降至最小，进而实现电机的平稳起动。因此，对于矿用软起动器，其起动时的特点有起动速度可靠平稳、起动电流小、对电网冲击小、胶带无振动等。此外，其起动曲线还可根据现场情况进行调整，从而减小起动时的胶带张力，延长设备的使用寿命[2]。

矿用软起动器的起动原理是电动机定子端的电压与电流成正比，电动机加在定子端的电压平方与转矩也成正比。所以，可利用控制电压的措施来控制起动电流和起动转矩，而电压的控制可借助于可控硅的导通角达到目的。工作时，矿用软起动器收到起动指令后，控制三相可控硅的导通角，电动机平稳起动；起动结束后，控制器发出指令，控制器暂停工作[3]。

2 隔爆结合面的长度介绍

一般来说，隔爆结合面的长度是指从隔爆壳内部穿过隔爆结合面到达隔爆壳外部的最小距离，用L 表示。但是，对于隔爆结合面上有螺栓孔的情形，其长度则是从隔爆壳内部穿过隔爆结合面到达螺栓孔边沿的最小距离，用L1表示。

常用的隔爆结构有平面式、止口式、圆筒式、螺纹式、密封式、胶黏式及格网式等。本文采用的是平面式隔爆结构，如图1 所示。

图1 平面式隔爆结构示意图

本文中隔爆壳体L=64 mm、L1=23 mm，均符合国家标准GB 3836.2《爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”》的规定，另外，隔爆间隙为0.2 mm，也符合要求。

3 优化隔爆结合面长度

本文选用的矿用软起动器壳体尺寸为2 100 mm×700 mm×1 350 mm，对应的壳体壁厚分别是前后壁面的厚度为43mm，上顶面和下底面的厚度均为23mm，左右壁面的厚度为25 mm，而其法兰门的厚度为38 mm。由于矿井下瓦斯爆炸过程快且短暂，研究表明，在180 ms 时，爆炸反应最激烈，而此时隔爆壳体内的高温区域最大，壳内部的热量最高[4]，在对爆炸发生时的180 ms，分析隔爆壳体的温度分布，得到图2所示的示意图。

从图2 可以看出，当矿井下发生瓦斯爆炸且发生最为剧烈时，整个隔爆壳体内的最高温度达到1 982.4 ℃，位于隔爆壳体中间区域偏右侧的位置，而这个位置正好处于隔爆结合面的内侧处；最低温度是1 406.6 ℃，位于隔爆壳体左侧区域上角落的位置。由此可知，只要温度最高处隔爆结合面的设计符合要求，其余位置的设计肯定也符合要求，因此，仅需要研究温度最高处的隔爆结合面，即高温气体通过隔爆结合面传至隔爆壳体外部的情形。

图2 隔爆壳体温度分布的示意图

本文首先研究的是隔爆结合面的长度为23 mm时结合面气体的传输过程，并利用State-State Thermal 模块对其进行研究，得到如图3 所示的温度传导图。

图3 优化前隔爆结合面的温度传导示意图

由图3 可知，在温度的整个传输过程中，当传送至1/2 长度的位置处，温度从1 982 ℃快速降至800 ℃左右，降幅约60%，而对于剩下的另1/2 长度，降幅约40%，最低温度是166.45 ℃。众所周知，瓦斯的点燃温度为537 ℃，远大于166.45 ℃，由此表明，当隔爆结合面的长度是23 mm 时，满足隔爆要求。此外，结合瓦斯的点燃温度，以及尽量降低隔爆壳体的重量，需适当调整隔爆结合面的长度。当将长度缩短5 mm，即法兰内侧到螺栓连孔处的距离调整为18 mm时，得到如图4 所示的温度传导图。

图4 优化后隔爆结合面的温度示意图

由图4 可以看出，缩短隔爆结合面长度后，最低温度为530.54 ℃，大于图3 中的最低温度166.45 ℃，但是也没有超出瓦斯的点燃温度。结果表明，优化后隔爆结合面的长度仍然满足隔爆要求，同时，还降低了隔爆壳体的重量，进而减少了材料的使用。综合可知，隔爆结合面的长度为18 mm 合理，可以确保软起动器隔爆壳体的安全应用。

4 结论

针对隔爆柜体结构是矿用软起动器的重要组成部分，其较高的隔爆性能可有效防止井下瓦斯爆炸事故的发生。研究发现，当井下发生爆炸时，处于隔爆结合面位置的温度上升最高，因此，本文针对性地研究在优化隔爆结合面的长度下，高温气体通过隔爆结合面传至隔爆壳体外部的情形，结论是：将隔爆结合面的长度由23 mm 缩短至18 mm 后，隔爆性仍满足要求，同时，还降低了隔爆壳体的重量，进而减少了材料的使用，可确保矿用软起动器隔爆壳体的安全应用。