防爆电气设备在煤矿井下的应用研究

2023-12-21杨豪放

今日自动化 2023年8期

关键词：磷化线缆热管

杨豪放

（煤科（北京）检测技术有限公司，北京 102608）

1 防爆电气设备在煤矿井下应用的意义

煤矿井下安全开采目标的实现，与防爆电气设备的有效应用存在密切关联。其具体体现在以下几方面。

（1）受环境条件较为恶劣的影响，煤矿开采过程中存在较高安全风险，其中煤尘爆炸作为频繁出现事故之一，其爆炸主要成因包括电火花，而防爆电气设备的应用，可有效规避电火花引发的煤尘爆炸事故，进而为井下安全作业提供保障。

（2）防爆电气设备合理应用于井下开采，可有助于提升矿井生产效率。倘若在煤矿开采期间频繁出现爆炸，势必会导致煤矿井下开采持续中断，对此可借助防爆电气设备来降低事故发生概率，减少因安全事故造成的停产损失，以促进矿井生产效率和经济效益的提升。

（3）有助于降低环境污染。纵观以往井下开采作业，常规电气设备防爆性能较差，再加上电火花和高温等因素的影响，井下出现煤尘爆炸的概率较高，不仅威胁到人员生命安全，亦对周围环境造成严重污染。而利用防爆电气设备来取代常规设备，可借助特殊防爆技术和材料防止火花引发爆炸，减少煤矿井下的环境污染。

2 煤矿井下防爆电气设备技术的具体应用

2.1 冷磷化工艺应用

为进一步提升井下电气设备的防爆性能，可借助冷磷化工艺来优化防爆设计。通常情况下，可以设备隔爆面为载体进行冷磷化工艺的应用，即加工后将磷酸盐溶液滴于设备防爆面，以金属磷化的形式为设备赋予磷化薄膜表层，在降低隔爆面锈蚀问题发生概率的同时，可促进电气设备防爆性能的显著提升。要想在电气设备防爆中充分展现出冷磷化工艺的作用，需在使用时注意以下几点：①提前做好隔爆层表面清洁工作，保证隔爆层不存在油污、锈层，清洁完成后在隔爆面进行磷化膏的均匀涂抹，需按要求将涂抹厚度控制在2～3 mm；②对涂抹完成的隔爆面进行震动处理，避免气泡、气孔的残留影响隔爆面性能，并保证隔爆面处理符合光滑、平整要求；③以20 ℃温度为前提，将隔爆面表层的磷化时间控制在3 h 左右，接着利用纱布将刮掉磷化膏的隔爆面进行清洁，并通过防锈油的涂抹来提升电气设备的防爆性能。需注意，磷化膏具有腐蚀性强的特点，在施工阶段尽可能避免出现磷化膏飞溅的情况出现。并对磷化过程进行密切监管，以保证电气设备防爆性能控制符合要求。相较于其他技术手段而言，冷磷化工艺在优化机械性能、稳定性强等方面存在优势。

2.2 热管技术应用

在电气设备防爆设计中，热管技术的合理应用可有效提升设备防爆性能。设备运行期间，热管可充当设备传热、散热的媒介。得益于热管技术的融合应用，可通过对散热传热系统的改造来提升隔爆电机的性能，并提升电气设备在恶劣环境条件中的运行稳定性。在实际应用过程中，热管技术原理主要是对设备的汽化潜热借助相关介质来实现有效吸收与释放，通过热量传递来保障设备安全。同时，可利用热管热阻较低的特性，来提升防爆电气设备的传热效果。若电气设备防爆设计中涉及对隔爆型热管散热器的应用，可将热管作为热量传输载体，将元器件在运行阶段形成的热量进行传输，并对散热片的冷凝段进行安设，实现以辐射、对流的方式将元器件热量传输至工作环境。且蒸汽会在介质饱和状态下凝结为液体，并借助内部芯毛细结构回流至蒸发段。借助对隔爆型热管散热器的有效应用，可组成完整防爆壳来提升电气设备的防爆性能，不仅可实现对电气设备散热困难问题的有效解决，亦可降低电气设备在恶劣环境下出现爆炸事故的概率。

2.3 防爆电气设备的选择与布置

要想在井下开采作业期间维持防爆电气设备的可靠运行，需在选择合适防爆电气设备的同时，依据现场情况来优化设备布置。鉴于此，在防爆电气设备设计过程中，可结合以下几点来优化设备的选择与布置。

（1）设备分类和等级明确。需在设计前根据井下防爆要求对电气设备进行防爆等级分类处理，并根据不同等级的要求来优化对防爆电气设备的选择。

（2）设备环境特性分析。通常情况下，井下电气设备处于高温、高湿、多尘的运行环境中。鉴于此，需以适应性强为基准来优化防爆电气设备的选择，如防爆电缆、接头、开关等。

（3）设备安装位置确定。需以矿井的结构和工作流程为基准，优化确定防爆电气设备的布置位置。同时，关键设备应远离易燃易爆区域，并采取适当的防护措施，如防爆箱、防爆罩等。

（4）设备间距和通风控制。为避免在运行阶段因设备之间产生火花、高温引发爆炸，需重视对设备间距的合理控制。需在充分考虑防爆要求的前提下，做到对设备间距的合理设置。

（5）地下电气设备的地下电缆和接头。地下电缆和接头设计是否合理，关乎煤矿井下电气设备能否安全使用。为避免运行期间电缆、接头出现火花或短路情况，需严格按照防爆要求来选择电缆和接头，并采取防水、防尘及防爆盒等措施来加强设备运行保护。

2.4 电缆线缆选择与安装

煤矿井下开采作业期间，电气设备的可靠、安全运行与电缆线缆的选用之间存在密切关联。鉴于此，为有效规避爆炸、火灾等事故出现，需在设备设计中重视对防爆电缆和线缆的有效选用。对于电缆线缆的选择，需在设备设计阶段考虑以下问题。

（1）防爆电缆的特点分析。相较于常规电缆而言，防爆电缆在耐火性能、低烟无卤及抗化学腐蚀等方面存在优势，能够在极端的井下环境中保持电气系统的稳定运行。

（2）防爆电缆的分类。通常情况下，可以不同防爆等级和使用条件为基准，将防爆电缆划分为阻燃型、耐火型、耐高温型等种类。

（3）电缆的电气参数。即在防爆电气设备设计时，结合现场情况选择合适的电缆线缆，并做到对电压等级、电流负载、传输距离等电气参数的充分考虑，以确保电缆选用可满足井下电气系统运行需求。

对于电缆线缆的安装控制，则可结合以下几点来提升其防爆效果：①安装环境的评估。在安装电缆前，严格按照相关标准开展井下环境评估工作，具体涉及温度、湿度、气体组成等因素，以确定最佳电缆类型和安装方式。②安装规范和要求遵循。即以国家、行业标准为参照，对电缆、线缆的安装作业过程加以严控，以保证电缆敷设、固定、接地等方面施工符合标准要求，以加强安装质量的控制。③绝缘和屏蔽措施。为进一步提升电气设备的安全性，需在电缆安装期间采取绝缘和屏蔽措施，以防止电缆短路、漏电及干扰等问题，提高电气系统的稳定性。

2.5 防爆开关与控制设备选型安装

在井下电气系统运行过程中，其设备的防爆性能受开关与控制设备应用的直接影响。为保证井下开采作业不受电气设备的影响，需在设计时对防爆开关与控制设备的选用进行严控，并结合以下几点来促进电气设备的可靠使用。

（1）考虑防爆标准和等级。为保证电气设备的设计符合井下作业要求，需严格按照防爆标准和等级要求来合理选择防爆开关和控制设备。通常情况下，井下设备防爆标准包括IECEx（国际电工委员会防爆电气产品认证体系）、ATEX（防爆设备指令）等，对此需在明确掌握井下防爆等级标准的基础上，选择符合相应标准的防爆开关和控制设备。

（2）考虑设备类型和功能。依据矿井工作流程来优化对防爆开关和控制设备类型的选择。结合井下防爆要求的分析，合理将防爆按钮开关、防爆断路器、防爆接触器等应用于电气设备设计中。

（3）电气参数和额定电流控制。即在电气设备设计期间，需以井下电气系统电气参数和负载需求为基准，优化对防爆开关和控制设备额定电流的控制。以保障电气设备始终处于正常运行状态，并有效规避因电流过大引发火花或过热现象。

（4）设备的可靠性和耐久性。因井下环境恶劣、复杂，使得大部分电气设备在使用阶段长期经受高温、高湿、多尘等恶劣条件的考验。鉴于此，需在电气设备防爆设计时考虑设备材料、密封性能、防护等级等因素。

（5）维护和检修便利性。即在设计时考虑设备安装方式、接线方式、维修保养的便捷性等因素，以促进防爆电气设备维护效率的显著提升。

2.6 防爆电气设备中先进技术的应用

为保证电气设备的防爆性能符合预期要求，除了优化设备布置、接头、线缆、开关等方面设计之外，还需重视对先进技术的融合应用，具体涉及以下方面。

2.6.1 传感器技术

通过对传感器技术的融合应用，可实现对电气设备运行状态、环境变化等方面的实时监测，继而为设备安全使用提供保障。鉴于此，可结合以下传感器的应用来提升防爆电气设备的运行可靠性。

（1）瓦斯浓度传感器。煤矿开采期间，高浓度瓦斯会增大爆炸事故的发生概率。鉴于此，可借助瓦斯浓度传感器来实时监测瓦斯浓度，并在超过安全阈值时触发警报或采取相应的控制措施。

（2）温度传感器。为避免防爆电气设备运行受煤矿井下高温、低温极端条件的影响，可在设计时结合温度传感器来监测设备周围的温度变化，当温度超过设定范围时，传感器会触发报警，并通过自动降低设备功率或启动冷却系统来保障设备安全。

2.6.2 自动化控制技术

防爆电气设备能否高效、安全控制，受自动化控制技术应用的直接影响。鉴于此，可在设备设计时对自动化控制技术融合应用，具体包括以下方面。

（1）自动调节控制。基于自动调节控制功能的实现，可依据设定参数和反馈信号来自动调节设备的工作状态和参数，如温度自动调节控制可以根据环境温度的变化自动调节设备的运行速度和功率，以保持设备在安全温度范围内运行。同时，可将自动调节控制应用于电机、泵等设备的智能控制，以促进防爆电气设备的可靠运行。

（2）远程监测与控制。基于对传感器、网络通信技术等的集成应用，可将防爆电气设备状态和数据传输到远程监控中心，以实时监测、远程控制的方式来提升设备安全性。另外，远程监测与控制的实现，可为现场作业人员人身安全提供保障，减少人员进入危险区域的需求，并及时响应设备故障和异常情况。

3 煤矿井下防爆电气设备安全管理对策

井下开采中防爆电气设备的可靠运行与安全管理工作实施之间存在密切关联。鉴于此，可结合防爆电气设备使用要求、运行标准等方面的分析，加大对安全管理的实施力度。

（1）可构建符合设备运行需求的安全管理制度，明确各级管理人员和操作人员的责任和义务。同时，加大对相关规章制度、操作规程及安全管理手册的完善力度，在开采作业期间严格遵循标准操作流程和安全要求。

（2）加大安全培训教育实施力度。以防爆技术为主题，定期开展培训教育活动，具体内容可涉及防爆设备的正确使用、维护保养、紧急情况下的应急处理等方面。以帮助操作人员掌握相应防爆技术知识和操作技能，避免因防爆电气设备操作、维护不到位影响井下安全。

（3）重视井下电气设备监测工作的开展，具体包括定期检测井下电气设备的温度，并以高功率设备为主要检测对象。其具备以下优势：①通过对设备温度检测的定期开展，可及时发现设备的过热情况，避免火灾和设备损坏的风险；②定期进行电气设备接触和绝缘情况检测，借助测试系统与相关仪器进行接触电阻和绝缘电阻的测量，可保障设备电气连接、绝缘性能符合标准；③定期进行电气设备电流和电压波动情况检测，依托于电力监测仪器的应用，以设备电流和电压为主要目标开展监测工作，可及时发现电流过载和电压异常等问题。