第4章矿山电气设备及其选择

矿山电工学主讲：唐轶上页下页目录第四章矿山电气设备及其选择第一节电气设备中的电弧问题及对开关的要求第二节矿用电气设备的防爆原理第三节矿井高压供电设备及其选择第四节井下低压配电设备及其选择第五节矿用电缆及其选择上页下页目录第一节电气设备的电弧问题及对开关要求一、电弧的特点（1）能量集中，温度高。电弧中心温度高达10000℃以上，电弧表面温度也可达3000℃~4000℃以上。→电弧高温造成触头表面金属的融化或烧蚀。→烧毁电气设备和导线电缆，引起火灾和爆炸事故。→强烈的弧光可能损伤人的视力，严重的可致人失明。（2）电弧是束游离的气体，质轻易变形。在油流、气流及电磁等外力作用下迅速发生变形、移动与伸长，在强磁场作用下速度可达300m/s。（3）电弧一旦产生，只需很低电压即可维持其继续燃烧而不会熄灭。上页下页目录1．产生电弧的根本原因开关触头在分断电流时会产生电弧，根本的原因在于触头本身及触头周围的介质中含有大量可被游离的电子。当分断的触头之间存在足够大的外施电压的条件下，这些电子就有可能强烈电离而产生电弧。上页下页目录2．产生电弧的游离方式（1）热电发射当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐收缩集中而出现炽热的光斑，温度很高，因而使触头表面分子中外层电子吸收足够的热能而发射到触头的间隙中去，形成自由电子。（2）高电场发射开关触头分断之初，电场强度很大，高电场作用下，触头表面的电子可能被强拉出来，使之进入触头间隙，也形成自由电子。（3）碰撞游离当触头间隙存在着足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极移动。在高速移动中碰撞到中性质点，就可能使中性质点中的电子游离出来，从而使中性质点变为带电的正离子和自由电子。这些被碰撞游离出来的带电质点在电场力的作用下，继续参加碰撞游离，结果使触头间介质中的离子数越来越多，形成“雪崩”现象。当离子浓度足够大时，介质击穿而发生电弧。（4）高温游离电弧的温度很高，表面温度达3000～4000℃，弧心温度可高达10000℃。在这样的高温下，电弧中的中性质点可游离为正离子和自由电子（据研究，一般气体在9000～10000℃时发生游离，而金属蒸气在4000℃左右即发生游离），从而进一步加强了电弧中的游离。触头越分开，电弧越大，高温游离也越显著。以上几种游离方式的综合作用使触头在带电开断时产生的电弧得以维持。上页下页目录三、电弧的熄灭1．电弧熄灭的条件使触头间电弧中的去游离率大于游离率，即其中离子消失的速率大于离子产生的速率。2．电弧熄灭的去游离方式（1）正负带电质点的“复合”复合就是正负带电质点重新结合为中性质点。这与电弧中的电场强度、电弧温度及电弧截面等因素有关。电弧中的电场强度越弱，电弧的温度越低，电弧的截面越小，则带电质点的复合越强。此外，复合与电弧所接触的介质性质也有关系。如果电弧接触的表面为固体介质，则由于较活泼的电子先使介质表面带一负电位，带负电位的介质表面就吸引电弧中的正离子而造成强烈的复合。（2）正负带电质点的“扩散”扩散就是电弧中的带电质点向周围介质中扩散开去，从而使电弧中的带电质点减少。扩散的原因，一是由于电弧与周围介质的温度差，另一是由于电弧与周围介质的离子浓度差。扩散也与电弧截面有关。电弧截面越小，离子扩散也越强。上述带电质点的复合与扩散，都会使电弧中的离子数减少，使去游离增强，从而有助于电弧的熄灭。上页下页目录3．交流电弧的熄灭由于交流电流每半个周期要经过零值一次，而电流过零时，电弧将暂时熄灭，所以交流电弧每一个周期（2π电角度）要暂时熄灭两次，如图4-1所示。电弧熄灭的瞬间，弧隙温度骤降，高温游离终止，去游离（主要是复合）大大增强。这时弧隙虽然处于游离状态，但是阴极附近空间差不多立刻获得很高的绝缘强度。随后弧隙的电场强度又可能使之击穿，使电弧复燃。但是由于触头的迅速断开，电场强度的迅速降低，一般交流电弧经过若干周期的熄灭、复燃的反复，最终完全熄灭。因此交流电弧的熄灭，可利用交流电流过零时电弧要暂时熄灭这一特性，来加速电弧的熄灭。低压开关的交流电弧显然是比较容易熄灭的。具有较完善灭弧结构的高压断路器，交流电弧的熄灭一般为几个周期；而真空断路器灭弧只需半个周期，即电流第一次过零时就能使电弧熄灭。上页下页目录图4-1开关断开交流电流是电压和电流的变化曲线上页下页目录4．开关电器中常用的灭弧方法（1）速拉灭弧法（2）冷却灭弧法（3）吹弧灭弧法（4）长弧切短灭弧法（5）粗弧分细灭弧法（6）狭沟灭弧法（7）真空灭弧法（8）六氟化硫（SF6）灭弧法上页下页目录四.对电气触头的基本要求为保证开关电器可靠工作，触头必须满足下列基本要求：（1）满足正常负荷的发热要求（2）具有足够的机械强度（3）具有足够的动稳定度和热稳定度（4）具有足够的断流能力上页下页目录第二节矿用电气设备的防爆原理一、煤矿井下的环境特点及对矿用电气设备的要求1．井下有瓦斯、煤尘等易爆环境下矿用电气设备必须具有防爆性能。2．电气设备应尽可能体积小、重量轻，以便运输、安装、移动。3．电气设备应有坚固的外壳，加强绝缘及防护，有较强的抗震能力。4．要求电气设备防潮性能好，较高的绝缘水平。5.电气设备应尽量选择铜材作导体，并采用较高的绝缘等级。6.要求电机等拖动设备有较大的启动力矩和较强的抗过载能力。7.煤矿井下供电系统及设备必须采用各种预防措施，同时设置完善的保护系统。上页下页目录二、瓦斯、煤尘爆炸条件分析瓦斯浓度（即在空气中的含量）达到5%~16%，遇到温度达650~750℃的点火源，如明火、灼热导体、电火花等，就可能发生爆炸。最容易引爆的瓦斯浓度是8.5%，爆炸压力最大的瓦斯浓度是9.5%；当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。。煤尘的粒度在1μm~1mm范围内，挥发分指数（即煤尘中所含挥发物的相对比例）超过10%，其在空气中的悬浮含量达到30~2000g/m3时，便具有爆炸性，浓度在300~400g/m3时爆炸力最强。煤尘引燃温度在610~1050℃之间，一般为700~800℃。引燃温度越高，越容易引起爆炸。上页下页目录瓦斯、煤尘爆炸条件矿井发生瓦斯、煤尘爆炸必须同时具备以下2个条件：（1）瓦斯、煤尘浓度在爆炸浓度范围之内。（2）存在足够高温度的点火源。如明火、高热导体、电火花等。当瓦斯中含有煤尘时，会使爆炸浓度的下限降低。瓦斯浓度下限/%0.51.42.53.54.5煤尘浓度下限/（g/m3）34.526.415.56.10.4上页下页目录引爆延迟时间瓦斯煤尘从接触点火源引起发生化学反应到发生爆炸要经过一个很短的时间，这种现象称为引爆延迟现象，该时间称为引爆延迟时间（也称瓦斯爆炸的感应期）。引爆延迟时间随点燃温度的升高而缩短，随瓦斯煤尘的浓度的降低而增大，一般不超过几秒。引爆延迟时间虽然短暂，但对指导煤矿安全生产却有着十分重要的意义。在设计制造矿用电气设备时，常用点燃温度来确定电气设备及导电体的最高允许温度，而利用引爆延迟时间来确定快速保护的动作时间，实现在引起爆炸前切断点火源。上页下页目录三、防止瓦斯煤尘爆炸的预防措施（1）严格控制瓦斯和煤尘的浓度在规定浓度以下。（2）采取一切措施杜绝井下高温火源的产生。（3）设置完善的井下供电保护系统。（4）加强技术管理，强化安全意识。上页下页目录四、矿用电气设备的类型与防爆原理矿用电气设备分为矿用一般型和矿用防爆型1．矿用一般型电气设备只能用于井下无瓦斯、煤尘爆炸危险的场所，如低沼气矿井的井底车场、主进风巷道及井下中央变电所等区域可以选用矿用一般型电气设备。在其外壳的明显处，均有清晰的永久性金属凸纹红色标志“KY”。矿用一般型电气设备具有坚固的外壳，能够防止任何人员从外部直接接触带电体；有良好的封闭性，满足防水、防潮、防外物的要求；有电缆引入装置，引入电缆的接线端子有足够的空气间隙和漏电距离的要求，并能防止电缆扭转、拔脱和损伤；开关手柄和门盖之间有机械闭锁，有内外接地螺栓，并标有接地符号。上页下页目录2．矿用防爆型电气设备2．矿用防爆型电气设备防爆型电气设备是指采取了特别的防爆措施，可以在爆炸危险环境场所正常安全使用的电气设备。其按使用环境的不同分为两类：I类：煤矿井下用防爆电气设备。能在井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的场所使用。II类：工厂用防爆电气设备。适用于有各种爆炸性气体或可燃物的化工厂、石油开采、石油炼制、舰船等场所使用。防爆电气设备的总标志为“Ex”。将不同防爆电气设备的类型、类别、级别和组别连同防爆设备的总标志“Ex”一起，构成防爆标志。要求在电气设备外壳的明显处，设有清晰的永久性金属凸纹红色防爆标志，如“ExdI”。上页下页目录2．矿用防爆型电气设备国家标准GB3836-2000将防爆电气设备按防爆结构的不同分为10种基本类型：（1）隔爆型电气设备（d-类型代号）。它是一种具有隔爆外壳的电气设备。该外壳既能承受其内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，又能防止爆炸产物穿出隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性混合物。（2）增安型电气设备（e）。对正常运行时不会产生电弧、火花或危险高温的电气设备，采取加大绝缘、增大电气间隙和漏电距离等方式，进一步提高安全程度，防止内部发生短路及接地故障，并严格控制外壳的表面温度，以达到防爆的目的的设备。（3）本质安全型电气设备（i）。全部电路均为本质安全电路的电气设备。采用IEC76-3火花试验装置，在正常工作或规定的故障状态下产生的火花或热效应均不能点燃爆炸性混合物。上页下页目录2．矿用防爆型电气设备（4）正压型电气设备（p）。将新鲜空气或惰性气体充入密封具有正压外壳的电气设备外壳内部，并保持一定的正压，以阻止设备外部的爆炸性混合物进入外壳内部，使点火源与周围的爆炸性混合物隔离，达到防爆目的。（5）充油型电气设备（o）。将可能产生火花、电弧或危险高温的带电部件浸在变压器油（绝缘油）中，使之不与油面上爆炸性混合物相接触，电弧或火花在油中被冷却熄灭，不致引燃油面上的爆炸性混合物，达到防爆目的。（6）充砂型电气设备（q）。外壳内充填砂粒材料，使之在规定的使用条件下壳内产生的电弧、传播的火焰、外壳壁或砂粒材料表面的过热，均不能点然周围爆炸性混合物的电气设备。上页下页目录2．矿用防爆型电气设备（7）浇封型电气设备（m）。整台设备或其中部分浇封在浇封剂中，在正常运行和认可的过载或认可的故障下，不能点燃周围的爆炸性混合物的电气设备。（8）无火花型电气设备（n）。在正常运行条件下，不会点燃周围爆炸性混合物，且一般不会发生有点燃作用的故障的电气设备。（9）气密型电气设备（h）。具有气密封外壳的电气设备。气密封外壳是用熔化挤压或胶粘的方法进行密封的外壳。这种外壳能防止壳外气体进入壳内。（10）特殊型电气设备（s）。是指采用的防爆措施不为上述9种基本防爆类型所包括，但经过防爆检验证明确实具有防爆性能的电气设备。这种特殊的防爆电气设备，是使点火源与爆炸性气体混合物进行了隔离，即正常或故障时产生的危险因素，不与爆炸性混合物直接接触，一般采用网罩隔爆结构或微孔隔爆结构。上页下页目录五、矿用隔爆型（ExdI）电气设备矿用隔爆电气设备的隔爆外壳利用了间隙防爆原理设计制造，具有足够的机械强度，能耐受内部爆炸性混合物可能产生的最大压力，并通过严格控制结合面的间隙、宽度及加工光洁度，使电气设备外壳内部发生的电火花及爆炸不致引燃外部爆炸性混合物。即要求隔爆外壳要有耐爆性和隔爆性能。耐爆性也称为爆炸稳定性，即外壳要有足够的机械强度，在外壳内爆炸性混合物的爆炸压力作用下，外壳不致于被破坏，因而爆炸所产生的火焰不能直接去点燃壳外的爆炸性混合物。试验证明，当爆炸性混合物爆炸时，外壳内产生的最大压力为0.73MPa，设备外壳净容积不同，所产生的最大压力也不同，一般都比此值小。所以，必须根据净容积的大小来确定电气设备外壳的机械强度。隔爆外壳的机械强度要求见表4-2。上页下页目录外壳净容积/L应受净压力/MPa0.5以下0.30.5~20.