本文作者：張剛 單位：南陽防爆電氣研究所

煤礦井下本質(zhì)安全設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備一般都處于危險(xiǎn)環(huán)境中，須另外采用附加防爆型式對其進(jìn)行保護(hù)，例如將其置于隔爆外殼中。由隔爆外殼保護(hù)的關(guān)聯(lián)設(shè)備除了應(yīng)符合本質(zhì)安全型相關(guān)要求外，還應(yīng)同時(shí)符合隔爆型要求。ＧＢ　３８３６．１８按系統(tǒng)獲得防爆合格認(rèn)證情況將本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)分為“已獲證的本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)”和“未獲證的本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)”兩類。這種概念及分類對煤礦井下本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)同樣適用。

煤礦井下爆炸性環(huán)境的特殊性

相對于地面，煤礦井下環(huán)境惡劣，空氣潮濕，空間、光線受限，設(shè)備維護(hù)困難。井下開采過程中被釋放出來的與煤天然共存的瓦斯或煤塵與空氣混合后在井下采區(qū)或巷道形成具有爆炸危險(xiǎn)性的瓦斯－空氣混合物或煤塵－空氣混合物。雖然煤礦行業(yè)十分重視持續(xù)有效的井下通風(fēng)，但由于存在通風(fēng)故障、瓦斯突出、產(chǎn)煤量增大引起的瓦斯釋放增大等難以預(yù)料的問題，可能引起瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，從而帶來危險(xiǎn)。受井下空間環(huán)境限制，一旦發(fā)生爆炸很容易造成災(zāi)難。因此，煤礦井下需要更為嚴(yán)格的安全要求，禁止在井下瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)進(jìn)行開采。針對煤礦井下瓦斯環(huán)境的具體情況，歐洲將井下危險(xiǎn)環(huán)境條件分為“１級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”和“２級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”。當(dāng)井下空氣環(huán)境中的甲烷濃度在ＬＥＬ（爆炸下限）～ＵＥＬ（爆炸上限）范圍內(nèi)時(shí)屬于“１級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”，這種條件下的井下環(huán)境屬于危險(xiǎn)的爆炸性環(huán)境；當(dāng)井下空氣環(huán)境中的甲烷濃度在０％～ＬＥＬ范圍或ＵＥＬ～１００％范圍時(shí)，屬于“２級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”，這種條件下的井下環(huán)境屬于具有潛在危險(xiǎn)的爆炸性環(huán)境。目前這一思想也正被ＩＥＣ和我國相關(guān)機(jī)構(gòu)所接受。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^１．０％時(shí)，必須停止工作，撤出人員，采取措施，進(jìn)行處理。此時(shí)應(yīng)認(rèn)為巷道環(huán)境由“２級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”進(jìn)入了“１級(jí)危險(xiǎn)環(huán)境條件”。根據(jù)ＧＢ　３８３６．１和ＧＢ　２５２８５．２關(guān)于設(shè)備保護(hù)級(jí)別／水平（ＥＰＬ）的思想，只有ＥＰＬ　Ｍａ級(jí)設(shè)備可繼續(xù)帶電工作，其它設(shè)備必須停電。《煤礦安全規(guī)程》還嚴(yán)格規(guī)定了甲烷傳感器報(bào)警濃度、斷電濃度、復(fù)電濃度、斷電范圍等。因此，煤礦井下爆炸性危險(xiǎn)作業(yè)場所的特殊性決定了其分類不同于地面爆炸性環(huán)境中危險(xiǎn)“區(qū)”域的分類。煤礦井下本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也應(yīng)根據(jù)這種思想考慮其特定的危險(xiǎn)環(huán)境條件和對應(yīng)的合適ＥＰＬ。

煤礦井下本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任何擬定的本質(zhì)安全系統(tǒng)都應(yīng)在明確設(shè)計(jì)目標(biāo)后，根據(jù)電氣系統(tǒng)具體的連接關(guān)系來確定系統(tǒng)的整體構(gòu)成（包括互連導(dǎo)線及簡單設(shè)備）。僅由電池供電的一體便攜式本質(zhì)安全設(shè)備（如干電池供電的ＬＥＤ本質(zhì)安全手電筒，無關(guān)聯(lián)設(shè)備）是最簡單的本質(zhì)安全系統(tǒng)。圖１中的典型本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)由本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設(shè)備、本質(zhì)安全設(shè)備（包含簡單設(shè)備ＲＴＤ）及其之間的連接導(dǎo)線或電纜構(gòu)成。

為了便于分析和確認(rèn)電氣系統(tǒng)所達(dá)到的本質(zhì)安全等級(jí)，在明確了電氣系統(tǒng)的構(gòu)成之后，可參照ＧＢ３８３６．１８第４制定系統(tǒng)描述文件，采用圖紙、清單、使用維護(hù)手冊或類似的文件方式來規(guī)定確保安全所需的信息，如規(guī)定電氣設(shè)備的有關(guān)項(xiàng)目、包括互連布線的系統(tǒng)電氣參數(shù)等。制訂系統(tǒng)描述文件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)能代表其機(jī)構(gòu)或雇主承擔(dān)責(zé)任且具備相應(yīng)的技術(shù)能力。實(shí)際上，對系統(tǒng)使用功能的兼容分析也很重要，它決定著各設(shè)備組合后系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，但這不是本文論述的重點(diǎn)。

一般情況下，簡單設(shè)備不需要認(rèn)證便可使用，但當(dāng)簡單設(shè)備用于本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)時(shí)必須對其安全性進(jìn)行確認(rèn)。國際上，對于簡單設(shè)備的認(rèn)定大多是根據(jù)制造商提供的指標(biāo)，若設(shè)備中任何器件的參數(shù)都不超過１．２Ｖ、０．１Ａ、２０μＪ、２５ｍＷ即可視為簡單設(shè)備，如開關(guān)、熱電偶、ＲＴＤ、ＬＥＤ、部分ＳＰＤ等。在北美，對簡單設(shè)備的定義更為簡練和限定：非儲(chǔ)能且不產(chǎn)生電壓的設(shè)備。雖然簡單設(shè)備用于本質(zhì)安全回路時(shí)無需認(rèn)證且不影響其安全性，但適用時(shí)，外殼材質(zhì)、ＩＰ等級(jí)、端子或接線等本質(zhì)安全設(shè)備所需的共性要求還應(yīng)符合ＧＢ　３８３６．１和ＧＢ　３８３６．４的相關(guān)規(guī)定。對于符合ＧＢ　３８３６．４中５．７簡單設(shè)備要求的開關(guān)、端子、接線盒、插頭、插座等無源器件，無需改動(dòng)系統(tǒng)安全評價(jià)便可增加到系統(tǒng)中；對于純電阻、簡單半導(dǎo)體等無源元件簡單設(shè)備，還需要考慮熱效應(yīng)評定或試驗(yàn)。如果系統(tǒng)增加符合ＧＢ　３８３６．４要求的單個(gè)電容或電感儲(chǔ)能元件，則進(jìn)行安全評定時(shí)要考慮它們的電氣參數(shù)及其可能產(chǎn)生的熱效應(yīng)，同時(shí)應(yīng)有清晰的標(biāo)志。如果電感是鐵芯電感，則不能看作是簡單設(shè)備，必須通過試驗(yàn)來確定。如果簡單設(shè)備計(jì)劃含有多個(gè)獨(dú)立的本質(zhì)安全電路，例如連接件、插頭和插座，則應(yīng)按ＧＢ　３８３６．４的要求進(jìn)行可靠隔離，否則安全評定時(shí)只能按這些電路可能造成混觸故障來分析。簡單設(shè)備的確認(rèn)證明應(yīng)作為系統(tǒng)描述文件的內(nèi)容之一。有時(shí)用戶需要對簡單設(shè)備進(jìn)行第三方認(rèn)證確認(rèn)，主要是因?yàn)橛脩粜枰@樣的文件作為附加保險(xiǎn)措施。對系統(tǒng)進(jìn)行本質(zhì)安全檢驗(yàn)或評定時(shí)也要對簡單設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，因?yàn)樗潜举|(zhì)安全電路的一部分。根據(jù)我國煤礦的具體情況，將礦用本質(zhì)安全簡單設(shè)備作為含有其它電路的設(shè)備部件時(shí)，對整機(jī)的鑒定顯得很有必要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師除了考慮以上技術(shù)內(nèi)容外，還應(yīng)在可能的情況下，把包括內(nèi)部參數(shù)在內(nèi)的信息清晰標(biāo)示出來，在系統(tǒng)框圖中也要詳細(xì)說明。

可用于井下瓦斯環(huán)境的本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備類別為Ｉ類，允許的最高表面溫度應(yīng)不超過１５０℃（當(dāng)其表面可能堆積煤塵時(shí)）或４５０℃（當(dāng)其表面不可能堆積煤塵時(shí)）。環(huán)境溫度影響設(shè)備或元件的溫升。當(dāng)本質(zhì)安全系統(tǒng)部分或整體運(yùn)行溫度超出－２０～＋４０℃的正常工作環(huán)境溫度時(shí)，應(yīng)在系統(tǒng)描述文件中說明。符合ＧＢ　３８３６．４的本質(zhì)安全設(shè)備適應(yīng)的環(huán)境溫度范圍為－２０～＋６０℃，當(dāng)設(shè)備周圍環(huán)境溫度超過＋６０℃時(shí)，最小點(diǎn)燃電流將降低（當(dāng)溫度從２０℃上升到２００℃時(shí)，點(diǎn)燃能量可能會(huì)下降２０％～３０％），此時(shí)ＧＢ　３８３６．４標(biāo)準(zhǔn)已不再適用，建議參考ＩＥＣ６００７９－３３。

用于煤礦井下的本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)的整體本質(zhì)安全等級(jí)不一定為同一個(gè)等級(jí)。也就是說，系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分的本質(zhì)安全等級(jí)可為“ｉａ”等級(jí)，也可以為“ｉｂ”等級(jí)。當(dāng)然，系統(tǒng)的每一組成部分均為“ｉａ”等級(jí)或均為“ｉｂ”等級(jí)也是允許的，這取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對系統(tǒng)ＥＰＬ設(shè)計(jì)的需要。如果本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分滿足“ｉａ”等級(jí)設(shè)備的要求，則該系統(tǒng)或系統(tǒng)的該部分就為“ｉａ”等級(jí)；同理，如果本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分滿足“ｉｂ”等級(jí)設(shè)備的要求，則該系統(tǒng)或系統(tǒng)的該部分就為“ｉｂ”等級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)某一部分滿足一個(gè)等級(jí)，而另一部分滿足另一個(gè)等級(jí)時(shí)，應(yīng)具體分析系統(tǒng)的整體情況。例如某電氣監(jiān)控系統(tǒng)包含一臺(tái)由“ｉａ”等級(jí)關(guān)聯(lián)設(shè)備供電的井下“ｉｂ”等級(jí)本質(zhì)安全瓦斯探測儀，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的本質(zhì)安全防爆等級(jí)應(yīng)屬于“ｉｂ”等級(jí)（即ＥＰＬ　Ｍｂ），按照《煤礦安全規(guī)程》要求，當(dāng)井下出現(xiàn)瓦斯超限情況、需要停止關(guān)聯(lián)設(shè)備供電并同時(shí)啟動(dòng)探測儀內(nèi)部備用電池供電后，該系統(tǒng)中的本質(zhì)安全瓦斯監(jiān)控儀可設(shè)計(jì)達(dá)到“ｉａ”等級(jí)（即ＥＰＬ　Ｍａ）；如果一臺(tái)儀表防爆標(biāo)志為“ｉｂ”等級(jí)，該儀表還可以連接一臺(tái)“ｉａ”等級(jí)的傳感器（如光纖），那么該種系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是允許的。至于“ｉｃ”等級(jí)的本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)，它類似于煤礦井下的礦用一般型電氣系統(tǒng)，不建議在煤礦井下使用。