
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).