Глава 4 исполнения рудничного электрооборудования

4.1. Принципы взрывобезопасности

В подземных выработках шахт и рудников в местах установки электрооборудования могут образоваться опасные в отноше­нии взрыва при появлении открытого искрения смеси с возду­хом различных газов (метана и его гомологов, водорода, серо­водорода и др.). 70% действующих угольных шахт относятся к опасным по газу, а средняя относительная газообильность (по метану) для газовых шахт составляет 19 м³/т [6]. На уголь­ных шахтах встречаются не связанные с загазированием окру­жающей атмосферы случаи взрыва внутри оболочек электрообо­рудования горючих газов (метана, водорода, окиси углерода) — продуктов термического разложения органической составляю­щей электроизоляционных материалов в аварийных режимах работы оборудования. Наконец, конструктивное исполнение электрооборудования не исключает возможности проникновения внутрь оболочек газов с последующим взрывом, если подзем­ные выработки оказываются загазованными достаточно дли­тельное время.

Свойства взрывоопасных смесей газов с воздухом, образую­щихся в процессе производства и способных взрываться от постороннего источника зажигания, определяют выбор электро­оборудования, параметры взрывозащиты которого должны обес­печивать требующийся уровень взрывобезопасности в заданных взрывоопасных средах. Критерием отнесения горючего газа к определенной категории взрывоопасности является безопас­ный экспериментальный максимальный зазор (БЭМЗ), под ко­торым понимается максимальный зазор между плоскими флан­цами шириной 25 мм, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду независимо от кон­центрации смесей газов. Для рудничного метана БЭМЗ более 1,0 мм.

Приводимые в литературе числовые значения БЭМЗ уста­новлены экспериментально с помощью аппарата объемом 8 л и шириной плоских фланцев 25 мм в нормальных условиях (давление атмосферное, температура 20—25 °С). Эксперимен­тальные исследования показали, что на величину БЭМЗ оказы­вают влияние: концентрация горючего в смеси; ширина флан­цев; расстояние источника зажигания от зазора (щели); дав­ление смеси перед взрывом; температура исходной смеси; влажность воздуха; объем испытательного аппарата; наличие преград на пути распространения фронта пламени.

Воспламенение горючего газа в смеси с воздухом может быть осуществлено двумя способами:

1) нагревом всего объема горючей газовой смеси до некото­рой температуры, называемой температурой самовоспламенения горючего газа, которая обусловливает развитие самоускоряю­щегося процесса горения в газе;

2) воспламенением горячей газовой смеси в некоторой точке источником зажигания — нагретым твердым телом (проводни­ком, нитью лампы накаливания и т. п.). Температуру поверх­ности нагретого твердого тела, при которой происходит воспла­менение горючего газа, называют воспламеняющей температу­рой этого тела.

Температура самовоспламенения горючего газа и воспламе­няющая температура нагретого твердого тела зависят от мно­гих факторов, обусловливаемых физическими и химико-кинети­ческими свойствами горючего газа, а также физическими и хи­мическими свойствами поверхностей сосуда, в котором находится газ в процессе самовоспламенения, или воспламеняющего на­гретого твердого тела.

Зажигание газа электрическим разрядом возможно только при определенных условиях, в частности при определенных па­раметрах газовоздушных смесей и энергии зажигания.

Как показали исследования, основными параметрами зажи­гания взрывчатой смеси являются абсолютный минимум энер­гии зажигания, размеры критического ядра пламени и время его формирования, а основными параметрами дуговых и искро­вых коммутационных разрядов — энергия и длительность, зави­сящие от параметров цепи и условий коммутации.

В практике горного производства были зарегистрированы случаи взрывов и вспышек метана в шахтах, вызванные искрами трения и раскаленными частицами, образующимися при тре­нии и соударении различных материалов в процессе эксплуата­ции рудничного оборудования. Такое искрение наблюдается, к примеру, при соударении оболочек электрооборудования и деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, с ржавыми стальными предметами, при трении зубков исполнительных ор­ганов горных машин о крепкие породы кровли и т. д. Исследо­вания показали, что алюминиевые сплавы являются искроопас-ными, поэтому их применение в конструкциях рудничного элек­трооборудования допущено лишь для оболочек электрического инструмента и переносных приборов (рудничные электросвёрла, светильники и т. п.), при этом оболочки и выступающие части такого оборудования должны иметь прочное защитное покры­тие или ограждение из материалов, не опасных в отношении искр трения.

Виды взрывозащиты. Для обеспечения безопасного применения электроэнергии в условиях взрывоопасных сред не­обходимо применять взрывозащищенное электрооборудование, в котором приняты меры или существуют средства, обеспечи­вающие его пригодность для использования в такой атмосфере (рис. 4.1).

Локализация взрыва оболочкой — традиционный способ взрывозащиты, заключающийся в том, что токоведущие части оборудования помещены в оболочку, которая исключает воз­можность передачи взрыва наружу. Оболочка должна выдерживать давление взрыва, а места сопряжения отдельных ее дета­лей и узлов выполняются такими, что пламя и продукты взрыва, выходящие из оболочки наружу, охлаждаются до без­опасных температур. Этот вид взрывозащиты имеет наименова­ние «взрывонепроницаемая оболочка» (ГОСТ 22782.6—81).

Принцип обеспечения взрывозащиты путем размещения то-коведущих частей в неопасной контролируемой среде заключа­ется в том, что несмотря на наличие или появление взрывоопас­ной атмосферы в установке, где размещено электрооборудова­ние, его токоведущие части находились бы в неопасной среде. Этой неопасной средой может быть газ, жидкость, сыпучие или твердые заполнители. Газовая среда (чистый воздух или инертный газ) должна находиться в оборудовании под избыточ­ным давлением по отношению к наружной атмосфере во избежание ее проникновения внутрь, поэтому этот вид взрыво­защиты получил наименование «заполнение или продувка обо­лочки под избыточным давлением» (ГОСТ 22782.4—78). В каче­стве защитной жидкости, в которую погружаются токоведущие части электрооборудования, используется в основном трансфор­маторное масло, и поэтому этот вид защиты получил наимено­вание «масляное заполнение оболочки» (ГОСТ 22782.1—77). При использовании кварцевого песка в качестве изолирующей среды этот вид защиты именуется «кварцевое заполнение обо­лочки» (ГОСТ 22782.2—77).

Если электрооборудование предназначено для эксплуатации только в тех местах, где взрывоопасная атмосфера может появ­ляться на короткое время, можно использовать время, необхо­димое для проникновения внешней опасной среды внутрь обо­рудования, в качестве защитного фактора. При ограничении размеров зазоров (щелей) и каналов, через которые сообща­ется внутренняя полость электрооборудования с окружающей средой, ограничении «дыхания» электрооборудования, нормаль­ный состав воздуха внутри оболочки электрооборудования мо­жет сохраняться в течение времени, намного превышающего срок нормализации аварийно возникшей взрывоопасной атмо­сферы. Предупредить образование взрывоопасной концентрации внутри электрооборудования можно также за счет пламенного или беспламенного (каталитического) окисления горючих ве­ществ по мере их поступления в оболочку либо введения инги­биторов — веществ, замедляющих или прекращающих протека­ние химических реакций по типу горения или взрыва.

Принцип обеспечения взрывозащиты путем контроля источ­ника инициирования взрыва может быть осуществлен в элек­трооборудовании двух видов: не имеющем нормально искрящих частей и слаботочном электрооборудовании. В первом случае могут быть приняты дополнительные меры (применение высоко­качественных изоляционных материалов с уменьшенными теп­ловыми механическими и электрическими нагрузками по срав­нению с принятыми для оборудования общего назначения, повышенное качество контактных соединений, соответствующая защита от воздействия окружающей среды), при которых веро­ятность появления искрений, дуг, опасных перегревов сущест­венно снизится и оборудование можно будет использовать во взрывоопасной атмосфере. Комплекс этих средств получил наи­менование «защита вида е» (ГОСТ 22782.7—81). В слаботоч­ном электрооборудовании в целом ряде случаев удается ограничить энергию, выделяемую при искрении в цепях, нахо­дящихся во взрывоопасной среде, до такого значения, что элек­трический разряд не может ее воспламенить. Этот вид защиты получил наименование «искробезопасная электрическая цепь» (ГОСТ 22782.5—78).

Наряду с вышеизложенными имеются такие защиты, как за­ливка токоведущих частей термореактивными компаундами, применение герметичных оболочек и др. Комплекс этих средств получил наименование специального вида взрывозащиты (ГОСТ 22782.3—77).