2021-4-9 | 矿业研究论文
本文作者：张刚 单位：南阳防爆电气研究所
煤矿井下本质安全设备的关联设备一般都处于危险环境中，须另外采用附加防爆型式对其进行保护，例如将其置于隔爆外壳中。由隔爆外壳保护的关联设备除了应符合本质安全型相关要求外，还应同时符合隔爆型要求。ＧＢ ３８３６．１８按系统获得防爆合格认证情况将本质安全电气系统分为“已获证的本质安全电气系统”和“未获证的本质安全电气系统”两类。这种概念及分类对煤矿井下本质安全电气系统同样适用。
煤矿井下爆炸性环境的特殊性
相对于地面，煤矿井下环境恶劣，空气潮湿，空间、光线受限，设备维护困难。井下开采过程中被释放出来的与煤天然共存的瓦斯或煤尘与空气混合后在井下采区或巷道形成具有爆炸危险性的瓦斯－空气混合物或煤尘－空气混合物。虽然煤矿行业十分重视持续有效的井下通风，但由于存在通风故障、瓦斯突出、产煤量增大引起的瓦斯释放增大等难以预料的问题，可能引起瓦斯浓度超标，从而带来危险。受井下空间环境限制，一旦发生爆炸很容易造成灾难。因此，煤矿井下需要更为严格的安全要求，禁止在井下瓦斯爆炸极限范围内进行开采。针对煤矿井下瓦斯环境的具体情况，欧洲将井下危险环境条件分为“１级危险环境条件”和“２级危险环境条件”。当井下空气环境中的甲烷浓度在ＬＥＬ（爆炸下限）～ＵＥＬ（爆炸上限）范围内时属于“１级危险环境条件”，这种条件下的井下环境属于危险的爆炸性环境；当井下空气环境中的甲烷浓度在０％～ＬＥＬ范围或ＵＥＬ～１００％范围时，属于“２级危险环境条件”，这种条件下的井下环境属于具有潜在危险的爆炸性环境。目前这一思想也正被ＩＥＣ和我国相关机构所接受。《煤矿安全规程》规定，采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过１．０％时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。此时应认为巷道环境由“２级危险环境条件”进入了“１级危险环境条件”。根据ＧＢ ３８３６．１和ＧＢ ２５２８５．２关于设备保护级别／水平（ＥＰＬ）的思想，只有ＥＰＬ Ｍａ级设备可继续带电工作，其它设备必须停电。《煤矿安全规程》还严格规定了甲烷传感器报警浓度、断电浓度、复电浓度、断电范围等。因此，煤矿井下爆炸性危险作业场所的特殊性决定了其分类不同于地面爆炸性环境中危险“区”域的分类。煤矿井下本质安全电气系统的设计和应用也应根据这种思想考虑其特定的危险环境条件和对应的合适ＥＰＬ。
煤矿井下本质安全电气系统的设计
任何拟定的本质安全系统都应在明确设计目标后，根据电气系统具体的连接关系来确定系统的整体构成（包括互连导线及简单设备）。仅由电池供电的一体便携式本质安全设备（如干电池供电的ＬＥＤ本质安全手电筒，无关联设备）是最简单的本质安全系统。图１中的典型本质安全电气系统由本质安全关联设备、本质安全设备（包含简单设备ＲＴＤ）及其之间的连接导线或电缆构成。
为了便于分析和确认电气系统所达到的本质安全等级，在明确了电气系统的构成之后，可参照ＧＢ３８３６．１８第４制定系统描述文件，采用图纸、清单、使用维护手册或类似的文件方式来规定确保安全所需的信息，如规定电气设备的有关项目、包括互连布线的系统电气参数等。制订系统描述文件的系统设计师应能代表其机构或雇主承担责任且具备相应的技术能力。实际上，对系统使用功能的兼容分析也很重要，它决定着各设备组合后系统能否正常运行，但这不是本文论述的重点。
一般情况下，简单设备不需要认证便可使用，但当简单设备用于本质安全电气系统时必须对其安全性进行确认。国际上，对于简单设备的认定大多是根据制造商提供的指标，若设备中任何器件的参数都不超过１．２Ｖ、０．１Ａ、２０μＪ、２５ｍＷ即可视为简单设备，如开关、热电偶、ＲＴＤ、ＬＥＤ、部分ＳＰＤ等。在北美，对简单设备的定义更为简练和限定：非储能且不产生电压的设备。虽然简单设备用于本质安全回路时无需认证且不影响其安全性，但适用时，外壳材质、ＩＰ等级、端子或接线等本质安全设备所需的共性要求还应符合ＧＢ ３８３６．１和ＧＢ ３８３６．４的相关规定。对于符合ＧＢ ３８３６．４中５．７简单设备要求的开关、端子、接线盒、插头、插座等无源器件，无需改动系统安全评价便可增加到系统中；对于纯电阻、简单半导体等无源元件简单设备，还需要考虑热效应评定或试验。如果系统增加符合ＧＢ ３８３６．４要求的单个电容或电感储能元件，则进行安全评定时要考虑它们的电气参数及其可能产生的热效应，同时应有清晰的标志。如果电感是铁芯电感，则不能看作是简单设备，必须通过试验来确定。如果简单设备计划含有多个独立的本质安全电路，例如连接件、插头和插座，则应按ＧＢ ３８３６．４的要求进行可靠隔离，否则安全评定时只能按这些电路可能造成混触故障来分析。简单设备的确认证明应作为系统描述文件的内容之一。有时用户需要对简单设备进行第三方认证确认，主要是因为用户需要这样的文件作为附加保险措施。对系统进行本质安全检验或评定时也要对简单设备进行认定，因为它是本质安全电路的一部分。根据我国煤矿的具体情况，将矿用本质安全简单设备作为含有其它电路的设备部件时，对整机的鉴定显得很有必要。系统设计师除了考虑以上技术内容外，还应在可能的情况下，把包括内部参数在内的信息清晰标示出来，在系统框图中也要详细说明。
可用于井下瓦斯环境的本质安全电气系统内的电气设备类别为Ｉ类，允许的最高表面温度应不超过１５０℃（当其表面可能堆积煤尘时）或４５０℃（当其表面不可能堆积煤尘时）。环境温度影响设备或元件的温升。当本质安全系统部分或整体运行温度超出－２０～＋４０℃的正常工作环境温度时，应在系统描述文件中说明。符合ＧＢ ３８３６．４的本质安全设备适应的环境温度范围为－２０～＋６０℃，当设备周围环境温度超过＋６０℃时，最小点燃电流将降低（当温度从２０℃上升到２００℃时，点燃能量可能会下降２０％～３０％），此时ＧＢ ３８３６．４标准已不再适用，建议参考ＩＥＣ６００７９－３３。
用于煤矿井下的本质安全电气系统的整体本质安全等级不一定为同一个等级。也就是说，系统的每一个组成部分的本质安全等级可为“ｉａ”等级，也可以为“ｉｂ”等级。当然，系统的每一组成部分均为“ｉａ”等级或均为“ｉｂ”等级也是允许的，这取决于系统设计师对系统ＥＰＬ设计的需要。如果本质安全电气系统或者系统的一部分满足“ｉａ”等级设备的要求，则该系统或系统的该部分就为“ｉａ”等级；同理，如果本质安全电气系统或系统的一部分满足“ｉｂ”等级设备的要求，则该系统或系统的该部分就为“ｉｂ”等级。当系统某一部分满足一个等级，而另一部分满足另一个等级时，应具体分析系统的整体情况。例如某电气监控系统包含一台由“ｉａ”等级关联设备供电的井下“ｉｂ”等级本质安全瓦斯探测仪，系统正常运行时的本质安全防爆等级应属于“ｉｂ”等级（即ＥＰＬ Ｍｂ），按照《煤矿安全规程》要求，当井下出现瓦斯超限情况、需要停止关联设备供电并同时启动探测仪内部备用电池供电后，该系统中的本质安全瓦斯监控仪可设计达到“ｉａ”等级（即ＥＰＬ Ｍａ）；如果一台仪表防爆标志为“ｉｂ”等级，该仪表还可以连接一台“ｉａ”等级的传感器（如光纤），那么该种系统设计也是允许的。至于“ｉｃ”等级的本质安全电气系统，它类似于煤矿井下的矿用一般型电气系统，不建议在煤矿井下使用。