礦用軟起動器柜體隔爆結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

原小飛

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

煤礦井下作業(yè)環(huán)境屬于易燃易爆危險場所，特別是具有高瓦斯、高煤塵等特點(diǎn)，因此礦井下多采用隔爆外殼來防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生，其中隔爆外殼就是礦用電氣設(shè)備的主要隔爆形式，隔爆殼體及其結(jié)合面具備承受殼體內(nèi)部可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸時造成破壞的能力，同時不會引燃?xì)んw外部氣體的燃燒。所以，礦用軟起動器的一個重要組成就是隔爆柜體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。但是，由于受礦井下空間的限制，礦用軟起動器柜體的大小收到限制，對比地面上的控制柜，其只有地面柜體的1/3 左右。而對于礦用軟起動器隔爆柜體材料，優(yōu)先選用鑄鋼或鋼板，板厚在12～25 mm；且隔爆柜體幾乎是密不透風(fēng)的，尤其是門與柜體間的結(jié)合面必須符合特殊規(guī)定，保證殼體內(nèi)部出現(xiàn)爆炸時可向外冒煙，但不可引燃柜體，也不可向殼體外部竄火苗，避免引起礦井下的瓦斯爆炸。此外，礦用軟起動器柜體向外引線，需采用隔爆接線箱，引線穿過密封圈進(jìn)入隔爆柜體，避免接線盒內(nèi)的火花蔓延引起外部爆炸[1]。因此，礦用軟起動器對隔爆殼體結(jié)合面的長度和間隙寬度都有嚴(yán)格的要求，本文主要研究在優(yōu)化隔爆殼體結(jié)合面的長度下的隔爆成效，進(jìn)而提高礦井作業(yè)安全，同時降低材料成本。

1 礦用軟起動器的介紹及其工作原理

礦用軟起動器是一種電機(jī)控制設(shè)備，其是將軟起動、軟停車和輕載節(jié)能等功能集成于一體。在運(yùn)行中能很好地控制電動機(jī)的起動電壓，保證電動機(jī)在起動時的電壓是慢慢上升至電機(jī)的額定電壓，使其電應(yīng)力和機(jī)械損傷降至最小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)起動。因此，對于礦用軟起動器，其起動時的特點(diǎn)有起動速度可靠平穩(wěn)、起動電流小、對電網(wǎng)沖擊小、膠帶無振動等。此外，其起動曲線還可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，從而減小起動時的膠帶張力，延長設(shè)備的使用壽命[2]。

礦用軟起動器的起動原理是電動機(jī)定子端的電壓與電流成正比，電動機(jī)加在定子端的電壓平方與轉(zhuǎn)矩也成正比。所以，可利用控制電壓的措施來控制起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，而電壓的控制可借助于可控硅的導(dǎo)通角達(dá)到目的。工作時，礦用軟起動器收到起動指令后，控制三相可控硅的導(dǎo)通角，電動機(jī)平穩(wěn)起動；起動結(jié)束后，控制器發(fā)出指令，控制器暫停工作[3]。

2 隔爆結(jié)合面的長度介紹

一般來說，隔爆結(jié)合面的長度是指從隔爆殼內(nèi)部穿過隔爆結(jié)合面到達(dá)隔爆殼外部的最小距離，用L 表示。但是，對于隔爆結(jié)合面上有螺栓孔的情形，其長度則是從隔爆殼內(nèi)部穿過隔爆結(jié)合面到達(dá)螺栓孔邊沿的最小距離，用L1表示。

常用的隔爆結(jié)構(gòu)有平面式、止口式、圓筒式、螺紋式、密封式、膠黏式及格網(wǎng)式等。本文采用的是平面式隔爆結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 平面式隔爆結(jié)構(gòu)示意圖

本文中隔爆殼體L=64 mm、L1=23 mm，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.2《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分：隔爆型“d”》的規(guī)定，另外，隔爆間隙為0.2 mm，也符合要求。

3 優(yōu)化隔爆結(jié)合面長度

本文選用的礦用軟起動器殼體尺寸為2 100 mm×700 mm×1 350 mm，對應(yīng)的殼體壁厚分別是前后壁面的厚度為43mm，上頂面和下底面的厚度均為23mm，左右壁面的厚度為25 mm，而其法蘭門的厚度為38 mm。由于礦井下瓦斯爆炸過程快且短暫，研究表明，在180 ms 時，爆炸反應(yīng)最激烈，而此時隔爆殼體內(nèi)的高溫區(qū)域最大，殼內(nèi)部的熱量最高[4]，在對爆炸發(fā)生時的180 ms，分析隔爆殼體的溫度分布，得到圖2所示的示意圖。

從圖2 可以看出，當(dāng)?shù)V井下發(fā)生瓦斯爆炸且發(fā)生最為劇烈時，整個隔爆殼體內(nèi)的最高溫度達(dá)到1 982.4 ℃，位于隔爆殼體中間區(qū)域偏右側(cè)的位置，而這個位置正好處于隔爆結(jié)合面的內(nèi)側(cè)處；最低溫度是1 406.6 ℃，位于隔爆殼體左側(cè)區(qū)域上角落的位置。由此可知，只要溫度最高處隔爆結(jié)合面的設(shè)計符合要求，其余位置的設(shè)計肯定也符合要求，因此，僅需要研究溫度最高處的隔爆結(jié)合面，即高溫氣體通過隔爆結(jié)合面?zhèn)髦粮舯瑲んw外部的情形。

圖2 隔爆殼體溫度分布的示意圖

本文首先研究的是隔爆結(jié)合面的長度為23 mm時結(jié)合面氣體的傳輸過程，并利用State-State Thermal 模塊對其進(jìn)行研究，得到如圖3 所示的溫度傳導(dǎo)圖。

圖3 優(yōu)化前隔爆結(jié)合面的溫度傳導(dǎo)示意圖

由圖3 可知，在溫度的整個傳輸過程中，當(dāng)傳送至1/2 長度的位置處，溫度從1 982 ℃快速降至800 ℃左右，降幅約60%，而對于剩下的另1/2 長度，降幅約40%，最低溫度是166.45 ℃。眾所周知，瓦斯的點(diǎn)燃溫度為537 ℃，遠(yuǎn)大于166.45 ℃，由此表明，當(dāng)隔爆結(jié)合面的長度是23 mm 時，滿足隔爆要求。此外，結(jié)合瓦斯的點(diǎn)燃溫度，以及盡量降低隔爆殼體的重量，需適當(dāng)調(diào)整隔爆結(jié)合面的長度。當(dāng)將長度縮短5 mm，即法蘭內(nèi)側(cè)到螺栓連孔處的距離調(diào)整為18 mm時，得到如圖4 所示的溫度傳導(dǎo)圖。

圖4 優(yōu)化后隔爆結(jié)合面的溫度示意圖

由圖4 可以看出，縮短隔爆結(jié)合面長度后，最低溫度為530.54 ℃，大于圖3 中的最低溫度166.45 ℃，但是也沒有超出瓦斯的點(diǎn)燃溫度。結(jié)果表明，優(yōu)化后隔爆結(jié)合面的長度仍然滿足隔爆要求，同時，還降低了隔爆殼體的重量，進(jìn)而減少了材料的使用。綜合可知，隔爆結(jié)合面的長度為18 mm 合理，可以確保軟起動器隔爆殼體的安全應(yīng)用。

4 結(jié)論

針對隔爆柜體結(jié)構(gòu)是礦用軟起動器的重要組成部分，其較高的隔爆性能可有效防止井下瓦斯爆炸事故的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井下發(fā)生爆炸時，處于隔爆結(jié)合面位置的溫度上升最高，因此，本文針對性地研究在優(yōu)化隔爆結(jié)合面的長度下，高溫氣體通過隔爆結(jié)合面?zhèn)髦粮舯瑲んw外部的情形，結(jié)論是：將隔爆結(jié)合面的長度由23 mm 縮短至18 mm 后，隔爆性仍滿足要求，同時，還降低了隔爆殼體的重量，進(jìn)而減少了材料的使用，可確保礦用軟起動器隔爆殼體的安全應(yīng)用。