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6.1
8.4
所以矿井中瓦斯和煤尘同时存在时，危险度增加，必须采取有效措施控制它们的浓度。
点燃温度能点燃瓦斯的最低温度称为点燃温度，它与热源能量及持续时间、环境温度和气体压强等因素有关。
一般认为甲烷空气混合物的点燃温度是630~750℃.
在煤矿井下能够点燃瓦斯的点火源有以下几种
⑴明火、炮焰及煤的自燃发火；
⑵电火花和电弧；
⑶金属撞击和摩擦火花；
⑷灼热的物体，如电气设备在短路时的过度发热，玻璃灯泡损坏后的白只灯丝，短路电弧形成的灼热金属微粒等。
上述除第一种外，其它三种都与机电设备有关。
瓦斯点燃，从接触火源到产生化学反应引起爆炸需要经过一定的时间，称为延迟时间。
它随火源温度升高而缩短，随瓦斯浓度的降低而缩短，一般为零点几秒至几秒范围。
点燃温度与延迟时间对电气设备防爆和安全技术具有重大意义。
点燃温度可用以确定电气设备的最高允许温度，利用延迟时间可以进行超前切断保护，如保护开关跳闸时间小于延迟时间，则可在瓦斯爆炸之前迅速切断电源，从而防止爆炸事故发生。
井下煤尘一般具有爆炸性，当煤尘的粒度1μm~1mm范围内，挥发分指数（挥发分主要是指煤中有机质的气态物质）超过10%，且煤尘飞扬在空气中的含量为达到30~2000g/m3
时，便具有爆炸性，煤尘的点燃温度约为700~800℃.
为了防止瓦斯、煤尘爆炸，可从两方面采取措施：
一方面限制它们在空气中的含量，如加强通风减少瓦斯浓度，对煤尘可用洒水的方法，迫使其降落；
另一方面就是控制井下各种引爆的火源和热源，使之不外露或低于点燃温度。
2.电气设备的防爆途径
为使电气设备在正常工作状态和故障状态产生的火花或电弧以及过度发热不致点燃矿井中的瓦斯、煤尘，可采取以下三种防爆措施：
⑴对于开关电器和电机等动力设备，可采用隔爆外壳防爆。
⑵在井下电气控制、信号、通信系统及检测仪表、保护装置等方面采用本质安全电路和设备。
⑶采用超前切断电源利用瓦斯煤尘爆炸具有延迟的特征，使电气设备在正常和故障状态下产生的热源或电火花在尚未引起瓦斯爆炸之前，既自行切断电源达到防爆目的，称为超前切断电源。
目前这种防爆原理，在防爆白炽灯、发炮器及屏蔽电缆的保护系统中采用。
二、隔爆外壳
矿井的动力设备（如开关）在正常工作或故障状态下所产生的电火花或电弧，可以点燃瓦斯和煤尘，为了防止事故发生，就将这类设备装在具有隔爆型能的特制外壳内。
这种隔爆原理是20世纪初由德国研制出来的，现已为世界许多国家所采用。
隔爆外壳的定义隔爆型电气设备的外壳应能承受可能进入其内部的可燃性气体的爆炸，而不致损坏或产生永久性变形，并且不致使内部产生的火焰通过外壳上的任何接合面或孔眼，点燃外部的可燃性气体。
简单的说，就是要求外壳具有耐爆性和不传爆性。
1、瓦斯爆炸和弧光短路爆炸的特征
1）瓦斯爆炸的特征
（！
）爆炸压强浓度为9.5%的甲烷空气混合气体，在常温常压下，以密闭容器绝热条件下试验，最高爆炸温度可达2650℃，一般在2100~2200℃之间。
由于高温产生了高压，在一定容积下，根据查理定律理论爆炸压强为
p=p0（Tk+T）/（Tk+T0）1—1
式中p-----爆炸后最初瞬间压强Pa
p0----爆炸前压强，Pa
Tk----热力学温度与摄氏度的标差，为273℃
T0——爆炸前气体温度，一般常温为15~17℃
T-------爆炸后温度，按2100~2200℃计算
按上式算出爆炸压强的理论值为0.82~0.85Mpa，然而由于爆炸生成物的自由扩散，造成瞬间的热损失，爆炸后的温度大致在1850℃左右。
因此，实际爆炸压强约0.7Mpa。
它随着外壳的形状，容积大小，接合面的间隙等因素变化。
容积形状与压强关系如下表所示。
外壳形状
圆球形
正方形
圆柱形
长方形
压强MPa
0.71
0.6
0.54
由上表可看出圆球形爆炸压强最大，长方形最小。
这是因为它们的散热面积不同之故。
容积与压强的关系在0.5~64dm3的不同容积内试验，其压强相差不到0.01Mpa.但容积小于0.5dm3时，爆炸压强显著降低；
到0.01dm3时，其压强为0.39Mpa以下。
间隙与压强的关系如下图所示（P306，F10-1）。
爆炸压强随间隙的增大而降低。
在间隙相同时，随容积的增大而增大，这是因为单位体积的漏气面积越小，内部压强越大。
（2）多腔过压现象从式（1-1）中可知，当初压强为0.1Mpa时，爆炸压强约为0.8Mpa;
若初压强为0.2Mpa，爆炸压强将为1.6Mpa；
爆炸压强与初压强成正比，这种情况可能发生在多腔的外壳内，如下图所示（P306，Fig10-2），两个连同空腔，当A腔内甲烷被点燃爆炸后，压力波以接近声速的速度通过连通孔，使B腔未点燃的甲烷受到压缩，压强升高；
随后火焰波以约33.8cm/s的速度传播过来，引起B腔内甲烷爆炸。
由于受到预压，爆炸压强将增加许多倍，这是极危险的。
压强重叠现象造成过压的大小与两腔的容积比、外壳形状、两空腔间连通孔的大小、外壳内零件的布置等因素有关。
试验得知，在相同容积比时，两腔间连通孔愈小产生过压愈大。
为消除多腔连接产生的压强重叠现象，苏联规程曾规定：
相邻两空腔净容积之比大于4时，连通孔的面积应大于750mm2.，实践证明，也有符合此项规定，而仍然出现压强叠加的现象。
因此，我国认为；
在设计壳体时，应尽量避免几个空腔以小孔连通，尽量不采用此类结构；
无法避免时，应加大连通孔断面积，不能消除压强重叠现象时应增大隔爆外壳的强度。
2）弧光短路爆炸的特征
绝缘油及有机物在强烈电弧作用下，会分解产生大量的气体，从而使外壳受到较高的压强。
甚至造成外壳结构的破坏。
其压强可按下式计算：
p=p0+Cpartar/V01--2
式中p——外壳终压强Pa
p0——外壳初压强Pa
par——电弧功率KW
tar——电弧持续时间，s
V0——外壳净容积，dm2
C——常数，它是单位电弧功率在单位时间内分解出的气体容积，如绝缘油为0.06，有机朔料为0.05，dm3/（kW.S）.
根据实验得知，这种压强要比瓦斯爆炸压强还大。
例如酚醛塑料开关板在电弧持续作用下，有机物分解所产生的压强可达1.06Mpa。
在高压油开关箱内进行切断三相短路试验，切断线路电压为6KV，短路电流为9.6KA时，虽然法兰盘具有0.1~0.6mm间隙，而箱内压力仍达1.94Mpa，由式（1—2）得知有机绝缘物分解产生的压强与短路电弧持续的时间呈直线关系。
在短路容量一定时，壳内压强随容积增大而减小。
德国和波兰对此进行过研究。
试验结果如下表所示：
德国
波兰
空载电压，V
500
6000
短路电流，A
2
10
短路容量，MVA
1.7
100
短路持续时间，S
0.1
0.25
外壳容积，dm3
51530
60250500
压强，105Pa
6.62.21.1
13.2612.210.2
当外壳容积一定时，被试容器中的压强随短路容量的增大而增大。
波兰的研究结果如下表所示
25
150
短路电流，KA
1
9.25
14
3.1
7.5
12.2
15.3
在我国煤矿，因为电弧短路将外壳炸坏的情况不太多，但被电弧烧穿外壳的情况则时有发生。
为了避免电弧对外壳造成的破坏，首先是防止短路电弧产生，如选用容量足够大和消弧性能好的开关、选用真空开关、采用快速动作保护系统、选用无机绝缘材料、外壳内壁涂耐弧漆等。
若大电弧实在很难避免，则外壳内容积应适当加大，并使其结构强度能承受住电弧所产生的压强。
2、耐爆性
耐爆开关的耐爆性能是指甲烷与空气的混合气体，在隔爆开关外壳内爆炸后，隔爆开关外壳是否丧失了正常的工作能力。
所谓丧失正常工作能力，是通过以下三种指标来衡量的。
强度是指在爆炸压强下外壳会不会破裂，丧失工作能力。
刚度由于弹性变形过大，或过量的塑性变形，丧失正常的工作能力。
稳度在外压或外部载荷作用下形状发生突然改变，因而丧失工作能力。
隔爆开关所谓丧失工作能力，主要是指强度问题。
在隔爆开关外壳强度计算时，一般可按薄壁压力容器来考虑。
所谓薄壁容器是指t/Din≤0.05范围内的容器，其中：
t为容器的壁厚；
Din为容器的内径。
常用的隔爆开关外壳直径一般为400~600mm，壁厚3~6mm，都是属于薄壁容器范围。
薄壁容量和椭球封头容器的结构分别由下两图所示（P308FIG10-3，10-4），其强度计算公式如下：
圆柱体:
t≥pDm/（2[σ]Φ-p）-------------------（10-4）
椭球封头：
t≥[pDmK/（2[σ]Φ-p）]+C-----------（10-5）
式中t----容器壁厚，mm
Dm----容器内径，cm
[σ]----材料在设计温度下的许用应力；
p-------设计压强，Pa
Φ-----由焊缝所引起的应力折减系数（查表10—11）
C-----壁厚附加量，由钢板的负公差，加工过程的工艺减薄量所引起的；
一般取0.4mm
K-----椭球形封头形状系数，如图10-4，K=[1/6[2+{Din/2hin}2].
隔爆开关外壳强度设计中的几个问题
（1）设计压强的确定式（10-4）与（10-5）中的设计压强P按“GB3836.2—83”规定设计压强为1.5倍爆炸压力。
在前节分析中已知甲烷与空气混合气体爆炸时，测得的温度为1850℃，压强为7.4×
105Pa。
所以设计隔爆开关外壳时，就以8×
105Pa的内压为设计依据。
（2）安全系数与许用应力的确定
1安全系数的选取根据机械设计的经验，安全系数的取值为
对碳钢和普通低合金钢ns=1.65
对高合金钢ns=1.65
2许用应力的确定[σ]=σs/ns
σs----达到屈服极限的许用应力（查手册）
（3）焊缝系数焊缝系数φ是考虑焊接对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的一个系数。
系数的大小取决于焊缝坡口的形式、焊接方法、焊接工艺及焊接检验探伤严格性等，可按下表选取
双面对接焊
单面对接焊
焊缝全长有垫板
无垫板
100%探伤
1.00
0.90
0.75
局部探伤
0.80
0.70
不作探伤
0.65
例10-1某隔爆电气外壳筒身内径Din=600mm，爆炸压力8×
105Pa，材料为A3钢板。
设计外壳壁厚。
解
⑴设计压强取设计压强为1.5倍爆炸压力
p=8×
105Pa×
1.5=12×
105Pa
⑵公称直径
Din=60cm
⑶设计许用应力根据GB700—65，A3钢板t≤200mm，σs=2400×
∴[σ]=σs/ns=2400×
105Pa/1.65=1454×
⑷焊缝系数查表得到φ=0.8
⑸设计壁厚对圆柱壳身，由式（10-5）得
t≥pDm/（2[σ]Φ-p）+C=12×
60/（2×
1454×
0.8—12×
105Pa）+0.04
=0.31+0.04=0.35cm
对椭球壳底，由式（10-5）有
t≥pDm/（2[σ]Φ-p）+C
因为一般Din/2hin=2,K=1,故椭球壳壁厚与壳身一致，该隔爆外壳壁厚取整数为4mm。
3.隔爆性
所谓隔爆，就是当开关内部发生爆炸时，火焰经过开关外壳的间隙喷出，而不使开关外面的瓦斯混合气体发生爆炸。
1）最大试验安全间隙
最大实验安全间隙就是用试验方法获得的最大不传爆间隙，又叫临界间隙，它与接合面的宽度，可燃性气体的种类等因素有关
苏联科学家B.C.克拉夫钦克教授，提出了平面间隙结构最大试验安全间隙的表达式
式中σ--------气体混合物扩散率，3.6cm2/s;
μH———火焰传播速度339cm/s;
E———活化能，1.46.6KＪ/mol.k
e---------自然对数的底；
R———气体常数，4.31J/mol;
Tmax-------最大燃烧温度，2100K；
按上式计算出来的甲烷与空气混合物的最大试验安全间隙为2mm。
而按试验数据，宽25mm平面法兰外壳的最大试验安全间隙为1.14~1.17mm.图10—5（P310,fig-10-5）是通过试验的方法获得的最大试验安全间隙Wmax与隔爆接合面L之间的关系。
隔爆外壳的隔爆性能主要靠隔爆面宽度，间隙厚度和隔爆面的光洁度等参数来保证，这三个参数通常称为隔爆三要素。
当火焰通过隔爆外壳间隙传播出来时，由于隔爆接合面的熄火作用和对爆炸产物的冷却作用，使火焰温度降至点燃温度以下，便不致发生传爆。
一般在相同条件下，接合面间隙越小，壳内发生爆炸时，喷出的爆炸生成物温度越低。
法兰盘的宽度越大，温度也越低，这是因为火焰通路越长，热损失越大，如图10—5所示，接合面宽度增大，最大试验安全间隙也相应增大。
然而在隔爆接合面宽度一定的情况下，隔爆外壳对于隔爆起决定作用的因素还是间隙的大小。
加工光洁度只要不影响间隙的大小，既在整个法兰平面内的不平度不会造成隔爆间隙宽度畸形，表面略微粗糙一点，对隔爆性能不会有大的影响。
2）装配间隙
在设计外壳时，为了安全，隔爆外壳的装配间隙W应小于临界间隙Wmax，隔爆外壳的装配间隙是在临街间隙的基础上取得了一定的安全系数后确定的，其关系为
W=Wmax/K
式中K-------安全系数，对甲烷取1.42.
安全系数取1.42是根据《爆炸危险环境用电气设备》国家标准对隔爆外壳性能试验的规定得来的。
外壳隔爆试验，对I类防爆型电气设备要求采用甲烷—氢气与空气混合物做试验，浓度为（12.5±
0.5）%.采用这种混合物做实验的原因是因为它对应于0.8mm的临界间隙，而甲烷的临界间隙约为1.14mm（接合宽度均为25mm）,因此得安全系数为
K=1.14/0.8=1.42
以上所述的隔爆接合面配合关系，对外壳内发生甲烷爆炸是安全的，但对其他种类的气体就不一定安全，尤其对壳内发生弧光短路等特殊情况仍有一定的危险性。
因为弧光短路可以产生灼热的金属颗粒从间隙喷出，造成传爆。
从图10—5的曲线看出，电弧分解有机绝缘材料生成的氢气和碳氢化合物所要求的临界间隙比甲烷小得多，有可能造成外壳传爆。
3）典型隔爆结构及其参数
目前煤矿电气设备常用的有两大类典型的隔爆结构：
平面、圆筒隔爆结构、螺纹隔爆结构。
（1）平面、圆筒隔爆结构及参数
1平面隔爆结构属于静止的接合面，分为平面对口式和平面止口式。
如图10—6（P311）
为平面对口式，图10—7（P311）为平面止口式。
防爆开关、接线盒属于这种。
2圆筒隔爆结构属于活动的接合面，如图10—8（P311）为圆筒式接合面，电动机的轴和轴孔，操纵杆和杆孔等属于这种。
（2）螺纹隔爆结构螺纹隔爆结构如图10—9（P312）所示螺纹隔爆结构是根据隔爆外壳的结构需要采用的。
采用螺纹结构时，必须保证零件的互换性，还必须符合下列规定：
1在维修中不经常拆卸的部分，允许采用螺纹隔爆结构。
2采用精度不低于3级，螺距不小于0.7mm的公制螺纹，锥管螺纹，应有防止自行松脱的措施。
3螺纹的最小齿合扣数，拧入深度，应符合表10—13（P313）的规定
外壳净容积dm3
拧入深度，mm
最小齿合扣数
I，IIA，IIB
IIC
V≤0.1
5.0
6
试验安全扣数的2倍，但不少于6扣
0.1<
V≤2
9.5
2<
V
12.5
4、隔爆外壳的材料
隔爆设备外壳为满足井下使用条件，需采用钢板或铸钢制成。
容积不大于2dm3的设备外壳允许采用塑料制品；
容积不大于0.1dm3的设备外壳，允许用陶瓷材料制作。
对于煤矿用的手持式或支架式电钻、携带式仪器仪表、灯具等外壳，可用轻金属制成，例如用铝合金做外壳，但其抗拉强度应不低于117.6N/mm3,含镁量不大于0.5%。
这是由于铝和镁是活泼金属，亲氧力强，氧化时放出大量热。
含镁量高的铝合金与锈蚀的钢铁发生撞击时能产生点燃瓦斯和煤尘的火花。
塑料外壳具有绝缘性能好、质量轻、易于加工成型、撞击无火花等特点。
工程塑料在轻便的矿用电气设备上开始采用做外壳，但塑料外壳必须经受抗冲击和热稳定试验。
5、隔爆型电气设备的试验
隔爆型电气设备的防爆试验，需要在国家防爆机关进行。
共有两项：
强度试验、隔爆性能试验。
1）强度试验
试验分为参考压强试验和强度试验两个步骤，各个空腔均单独进行。
（1）参考压强测定各类各级电气设备，应分别采用表10—14中浓度的爆炸性混合物进行试验。
试验时用一个或几个火花塞或其他能量引爆源在外壳内点燃爆炸混合物，进行三次点燃爆炸试验，并记录其产生的爆炸压强曲线。
测得其最大爆炸压强为参考压强Pco
类、级别
试验气体
混合物中试验气体浓度，（体积比）%
I
甲烷
9.8±
32.0±
1.0
14.0±
IIA
氢
IIB
乙炔
（2）动态强度试验采用本方法时，对已测出参考压强的样本，可利用提高混合物初始压强的方法进行试验，使其爆炸压强达到参考压强的1.5倍。
点火试验并记录压强。
当记录压强约等于1.5Pc，外壳没有产生影响爆炸性能的变形，则测试有效，且样品的动态强度试验合格。
动态强度试验只做一次。
2）隔爆性能试验
隔爆性能是在强度试验合格后进行。
隔爆性能实验一定是在进行过强度试验合格的样品上进行。
这样作既是对外壳进行隔爆性能试验，又是检查隔爆外壳的强度试验是否真正合格的方法。
各类各级电气设备，须采用表10—15中的爆炸性混合物。
每个空腔各进行10次试验，以均不传爆为合格。
55.0±
37.0±
21.0±
0.2
三本质安全型电路和设备
本安型设备由于它不用笨重的隔爆外壳，却可以用在任何瓦斯矿井中。
因此在矿井通讯、信号、遥控遥测、自动装置等弱电系统中得到应用。
1、本安型电路的基本原理
在设计本安型电路时，采取适当的措施，将电路的参数选择在安全值内，保证电路在正常开、闭及发生短路、断路、接地及电源故障等情况时，它所产生的火花和温度均不能点燃爆炸性混合物，所以又叫安全火花电路。
影响本安型电路的因素很多，但最主要的是电火花的能量，下面首先分析火花放电的规律。
电火花分为电阻性、电容性及电感性三种。
在断开电感电路时，火花放电的过程如图10—10（P314）所示。
最初是弧光放电阶段，既I1~I2段，经历时间为T。
然后进入辉光放电阶段，既I2~I0段，最后以衰减振荡过程结束。
辉光放电过程温度低，在电极上分布面大，不能使能量高度集中在火花间隙内，因而它不能点燃瓦斯。
弧光放电阶段却相反，特点是温度高，能量集中在电极尖端很小的范围内，所以容易点燃瓦斯。
根据弧光放电的波形图，即可算出弧光放电的火花能量为
式中，u为放电电压，在短路时u为
放电电流I可由下式计算：
将式（10—8）、式（10—9）代入式（10—7）并考虑I1=E/R,积分化简后得：
式中L——电路的电感量；
E——电源电压；
R——回路电阻；
T——弧光放电持续时间。
式（10—10）表明弧光放电的火花能量来自两个部分，式中第一项是磁场能量，第二项是电源能量。
在较小的电感电路中，电火花能量主要来自电源部分；
在较大的电感电路中，其火花能量，主要来自线路磁场中的磁场部分。
电火花点燃瓦斯，除取决于上述因素外，还与电源频率，断路速度以及接点形状和材质等因素有关。
甲烷混合气体的最小点燃能量，最近试验的资料为0.28mJ。
必须指出这是在极理想的条件下测得的数据。
在实际中即使发生了近于此数数值数倍的火花能量，也不一定会点燃。
2、基本概念及安全火花参数
1）基本概念
（1）本质安全电路及本质安全型电气设备本质安全电路指在规定试验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。
“规定的试验条件”是指考虑了各种最不利因素（如足够的安全系数、最易点燃的试验介质浓度等）。
“电火花”是指电路中接点操作火花（按钮、开关、接触器、继电器接点、电刷、各种控制接点等产生的火花）；
电路短路、断路及接地瞬间火花，也包括静电火花。
“热效应”是指电气元件、导线的过热造成的表面温度以及电热体的表面温度。
本质安全型电气设备——由本质安全电路组成的电气设备称为本质安全型电气设备；
全部电路都是本质安全电路的电气设备为单一式本质安全型电气设备；
局部电路为本质安全电路的电气设备为复合式本质安全型电气设备。
目前井下使用得最多的复合式本质安全型电气设备是隔爆兼本质安全型电气设备。
（2）关联电气设备在设备的电气系统中，并非所有电路都是本质安全电路，与本质安全电路有电气连接并可能影响本质安全电路安全性能的那部分非本质安全电路的电气设备称为关联电气设备。
关联设备可以是隔爆型或其他防爆类型，也可以是矿用一
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