,,,

(新東北電氣集團電器設備有限公司,遼寧 沈陽 110025)

礦用橡套電纜故障電火引燃礦井沼氣故障形成時間的測定

李洪義,楊軍,趙勇,王嵐

(新東北電氣集團電器設備有限公司,遼寧 沈陽 110025)

闡述了礦用橡套電纜故障電火引燃礦井沼氣故障形成時間的測定。通過大量的模擬試驗證明礦用橡套電纜的最小引燃時間為5ms，這一數(shù)據(jù)與國外的研究成果一致，為實現(xiàn)礦井“整體防爆”安全研究工作提供了依據(jù)。

故障形成；引燃時間；快速斷電；整體防爆

1 緒論

眾所周知，礦用低壓橡套電纜是煤礦井下供電網(wǎng)路中最薄弱的環(huán)節(jié)。它經(jīng)常受到各種機械創(chuàng)傷形成外露電火、礦井瓦斯爆炸、外因火災等重大惡性事故，多因電纜故障電火引起。

據(jù)全國煤礦重大傷亡事故調查[1]表明，統(tǒng)配煤礦每年發(fā)生幾百起電纜著火事故。調查還表明，礦井外因火災幾乎都是電火災。在此期間發(fā)生的255次重大爆炸事故，42次是由電纜故障電火引起的，占電火引燃爆炸事故的37%，占總爆炸事故的16%。

礦用低壓橡套電纜著火和引爆事故率高的主要技術原因是：

(1)礦用低壓橡套電纜遍及礦井各個角落，深入采掘工作面，尤其是移動電纜，不能固定敷設，只能隨采掘機械移動受其拖曳。因此，它經(jīng)常會受到冒頂、片幫砸傷；被采掘機械拉斷或被擠壓、彎曲所傷害，被采掘機組截齒切割；由爆破飛行物剌傷等。受電纜或發(fā)生漏電，或形成短路從而形成外露電火——放電火花或短路電弧。繼而，使電纜著火或引起甲烷——空氣混合物爆炸。

(2)現(xiàn)有的采區(qū)供電系統(tǒng)的保護切斷時間長，一般為80～250ms，而且，以電流有效值或瞬時值為動作整定值的過流保護裝置，存在著保護“死區(qū)”。經(jīng)常是電纜已著火，過流保護卻拒絕動作。

綜上所述，由于橡套電纜不能用隔爆外殼進行保護，故此，礦用電纜的防火，防爆技術任務，實質是解決礦井或采區(qū)電網(wǎng)的整體防火，防爆安全的中心任務。礦井電網(wǎng)整體防火，防爆安全的發(fā)展方向，應該是采取一個構成系統(tǒng)整體抗災能力的統(tǒng)一的安全措施，以防止電網(wǎng)形成故障外露電火。解決上述技術任務合理的安全措施，就是縮短故障電流存在的時間，即在故障電火形成之前，快速切斷電網(wǎng)或區(qū)段。

為實現(xiàn)這一目標，就必須首先對電纜受損出現(xiàn)故障，繼而釋放出點明火的時間加以研究。

本文所述研究工作，以國外的研究成果為借鑒，以模擬試驗為手段，通過大量艱苦試驗，驗證了國外的結論；獲得了電纜故障電火花形成時間的數(shù)據(jù)和曲線，為我國“礦井電網(wǎng)快速斷電安全技術”的開發(fā)研究，提供基礎數(shù)據(jù)，確定“快速斷電”的時間指標。

2 基本概念與實驗參數(shù)的確定

2.1基本概念

2.1.1 電纜橡膠護套的密封作用

能量的傳遞和轉化需要一定的時間，這是一條公理。橡套電纜的芯線，從發(fā)生漏電，至形成放電火花；從發(fā)生短路至形成電弧，均需要一定的時間。而從放電火花或短路電弧出現(xiàn)，至穿透護套，形成外露電明火，也需要有一定時間。

決定上述時間長短的主要因素除電纜芯線(作為放電的電極)的幾何尺寸(電極散熱效應)之外，主要是橡膠護套的密封作用。

當電纜被砸、被拉、被擠壓、被彎曲扭轉受內傷，形成主芯線對地漏電，或相間短路時，放電火花或電弧被橡膠護套密封；當電纜被鋼鍥刺傷時，由于護套的彈性，放電也被橡套密封一段時間。

從放電火花被保護套密封，至燒穿護套形成外露電明火的時間間隔，稱為護套密封時間，用Tm表示。

2.1.2 橡套電纜的故障形成時間

我們定義：

從礦用低壓橡套電纜流過短路電流瞬時，至電纜著火的時間間隔，稱為電纜著火的故障形成時間，用Txh表示：

從礦用低壓橡套電纜受機械創(chuàng)傷形成漏電或短路時，至形成外露電火引燃爆炸危險濃度甲烷——空氣混合物的時間間隔，稱為電纜引燃的故障形成時間，用Txb表示，可表為：

Txb=Td+Tm+Ty

(1)

式中：Td—從電纜屏蔽層受傷(或某一芯線受傷)的瞬時，至形成單相對地漏電或相間短路的時間；

Ty—明火放電引燃爆炸危險濃度甲烷-空氣混合物的延遲時間。

國外和我國的研究表明[5，6]，一般Ty=80-200μs。

為了簡化討論我們忽略不計Ty，則電纜電火引爆的故障形成時間為：

Txb=Ta+Tm

(2)

即我們認為，出現(xiàn)電火的瞬時爆炸危險濃度的甲烷-空氣混合物編引被引燃。

2.2故障型式的模擬

2.2.1 電纜著火故障模擬

2.2.2 電纜電流值的確定

一般，電纜著火事故多發(fā)生在過流保護的“死區(qū)”，即最小兩相短路電流小于網(wǎng)中最大電動機起動電流的情況下。

不同電壓等級采區(qū)供電網(wǎng)的“死區(qū)”電流值如表1所示。

表1 產(chǎn)生過流保護“死區(qū)”的最小兩相短路電流值

考慮到實驗室模擬條件與實際短路情況的偏差，取嚴酷系數(shù)為5，考慮了環(huán)境溫度為65℃并計入系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、電弧電阻等因素，則取模擬短路電流值為：

Iah=5600A

2.3短路點模擬

將橡套電纜護套切口，人為地將兩相或三相動力芯線短接，然后補封切口，第二種型式，短接后不補護套，裸露短接點。

速度

礦井巷道或工作面冒頂、巖(煤)塊自由落體的末速度取決于頂板的高度。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第五十條之規(guī)定，采區(qū)上下山和平巷的高度

H≥1.8m；

而架線電機車大巷高度

Hmax≥2.2+0.2=2.4m

由此得冒頂巖(煤)塊下落的末速度

最大速度為

取實驗速度Vsh1=6～7m/s。

2.4電纜受機械創(chuàng)傷模擬

2.4.1 破壞速度的確定

(1)巷道冒頂砸傷，巖(煤)塊自由落體；(2)采煤機截齒切割的速度，一般采煤機的切割線速度為3～5m/s。為防止速度過高煤塵飛揚，粉煤量和單位能耗增加，普遍認為取4m/s為宜。表2所示為采煤機截齒的切割速度[6]；(3)爆破飛行物的破壞速度。

爆破飛行物的破壞速度不是一個定數(shù)，其隨機性很大，按蘇聯(lián)譯文數(shù)據(jù)[2]，取Vsh3=10～16ms。

表2 采煤機截齒的切割速度m/s

2.4.2 破壞創(chuàng)傷力的確定

無論是頂板冒落，還是機組截齒切割，爆破飛行物剌傷，破壞物都不是定數(shù)。一般采煤機的切割力為3000～7000N，而切斷4～95mm2的橡套電纜的剪切力，經(jīng)測量為600～1000N。

取試驗破壞力為:

Fp=1600～4000N

3 模擬故障裝置設計與實驗方法

3.1模擬故障裝置設計方案選擇根

據(jù)電纜受機械創(chuàng)傷的破壞速度、破壞力和創(chuàng)傷型式。共設計三套模擬故障裝置的方案：

A.曲柄連桿立式機械裝置(圖紙略)；

B.曲柄滑塊臥式機械裝置(圖紙略)；

C.利用物理學碰撞定律改造射釘槍裝置。

因為C較A、B造價低廉，占地面積小，研制周期短，無慣性往復(重復創(chuàng)傷電纜)作用，唯一不足時不能無級調節(jié)速度，但可以通過調節(jié)7.26步槍彈殼裝藥量，調節(jié)滑塊質量，獲得試驗所需沖擊速度。

故此，選定C方案，結果表明，滿足試驗需要，如圖1、圖2所示。

圖1 模擬試驗裝置機械原理圖

圖2 電纜受機械創(chuàng)傷模擬實驗系統(tǒng)方框圖

3.2試驗裝置參數(shù)確定

3.2.1 沖刃速度確定

實測彈頭m1初速度為V1=300m/s；

彈頭質量m1=0.0774kg(設計呈砝碼形狀)

裝藥量0.75～1g

根據(jù)m2=m1V1/V2-m1

可得m2=f(V2)

m2=23.22/V2-0.0774

式中：m2—沖刃(整體)質量

V2—模擬破壞速度

3.2.2 材質的選擇

A.裝置體外采用A320mm厚；

B.沖刃采用T8，硬度：HB50-55；

C.滑塊采用A3，硬度：HB45。

注：材質的塑性形變對速度影響忽略不計。

表3 破壞速度/沖刃質量對照表

4 試驗系統(tǒng)與測量方法

4.1試驗系統(tǒng)

電纜受機械創(chuàng)傷模擬實驗系統(tǒng)如圖3所示，由實驗電源、模擬實驗裝置、光電測速裝置、故障檢測電路、紫外光敏火焰探測裝置和記錄裝置組成。

4.2測量方法

鋼鍥運動破壞速度，用光電測速裝置檢測。圖3表示光電測速裝置的示意圖和電氣原理圖。

火焰探測，用紫外光敏管為探頭，由紫外光敏檢測裝置完成。SZ-8紫外光敏管只響應1900～2900A°波長紫外線，不響應日光和白熾燈光。響應時間<0.1μs。為防止誤操作，探頭用紫外光敏濾片遮護。SZ-8作為火焰探頭可實現(xiàn)火前的無慣性探測?；鹧骖A測裝置的檢測電路如圖4所示。

圖3 光電測速裝置原理圖

圖4 紫外光敏火焰預測電路

5 故障形成時間的實驗研究

5.1試樣

為了較全面地獲得各種礦用低壓橡套電纜著火和受機械創(chuàng)傷放出外露電火的故障形成時間，我們從阜新、唐山、撫順等地選取了國產(chǎn)和西德4～95mm2的電纜試樣，每種20根，其規(guī)格和幾何尺寸參數(shù)如表4所示。

表4 礦用低壓橡套電纜試樣規(guī)格參數(shù)

5.2故障形成時間的測定

5.2.1 礦用低壓橡套電纜短路著火時間

以三相低壓大電流為電源，給試樣通ISH=5600A試驗電流經(jīng)過多次試驗測得35mm2橡套電纜的著火時間

Txh=10-15s

礦用低壓橡套電纜達到極限允許升溫時，通電纜的短路電流密度可用下式表示

(3)

式中：td—短路電流存在的時間，即供電電網(wǎng)保護切斷的全斷電時間。

由此得出，礦用低壓橡套電纜通過短路電流時，達到著火臨界溫度的時間，我們稱之為計算著火故障形成時間，表為

(4)

式中:s—電纜主芯線截面mm2；

Id—流過電纜的短路電流A。圖7表示4～95mm2礦用低壓橡套電纜的計算著火故障形成時間與短路電流的關系Txhj=f(Id)。從圖7看出，Txhj

圖6 礦用橡套電纜著火故障形成時間與其通過短路電流關系

從圖6還可以看出。截面10mm2及以下的低壓橡套電纜，通過200A以下的短路電流的著火故障形成時間≥5s。由此，我們便得出一個在工程上很實用的結論，礦用電器中的過流保護，只要延時在5s以上動作，便可躲開起動電流正確地保護最小兩相短路電流消除過流保護的“死區(qū)”，控制住電纜著火故障的發(fā)生。

5.2.2 礦用低壓橡套電纜受機械創(chuàng)傷故障電火引燃礦井沼氣的故障形成時間

以7.62步槍子彈頭(設計為砝碼形狀)為動力，沖擊滑塊——沖刃破壞電纜，每次破壞情況受諸多隨即因素影響。如彈殼裝藥的密封程度；鋼鍥運動方向軸線與電纜長度軸線的夾角；鋼鍥刃口與電纜芯線捻距的相對位置；護套厚度的不均勻性等。因此，試驗數(shù)據(jù)的分散性很大，實驗須重復數(shù)十次、數(shù)百次才能獲得一個有趨勢的數(shù)據(jù)。

本文不作這種或然率很高的討論，只取有趨勢的數(shù)據(jù)，用計算機整理，繪出一簇曲線，一邊工程和科研工作實用。電纜受鋼鍥破壞故障引燃礦井沼氣的故障形成時間，可用式(5)表示。式中從電纜屏蔽層破壞至形成漏電或短路時間，只受電纜幾何尺寸和破壞無在電纜運行速的影響，可表為

Td=h/V

(5)

式中:h—第一根受破壞電纜芯線外沿或電纜屏蔽層，至第二根受破壞芯線幾何尺寸如圖8所示。

V—鋼鍥在電纜中的運行速度

圖7 電纜截面示意圖

從圖7可以看出，實際h和V都不是定數(shù)，hmin≈0，hmax=h2，h2為兩芯線之間的距離，因此說，當hmax≈0時，故障電火外露時間主要決定于橡套的密封作用。

V是變數(shù)，鋼鍥以一定的速度觸及電纜護套，護套先變形，鋼鍥減速；然后，鋼鍥剌入護套，繼續(xù)減速，直至剌入電纜。

圖8 鋼鍥破壞電纜兩相短路的示波圖

圖9 電纜受鋼鍥破壞發(fā)生外露電火故障形成時間示波圖

圖8表示，鋼鍥以12.31m/s破壞電纜(50mm2)造成的兩相短路的示波圖。圖中曲線1的脈沖表示鋼鍥觸及電纜護套；曲線2表示鋼鍥破壞屏蔽層的時刻；曲線3表示底線受到破壞的情況，曲線4～6表示三相芯線受破壞情況。圖中橫向每40mm表示10ms。從圖中看出Td=2.36ms。

圖9表示以10m/s的速度，UP3×50+1×16電纜，從屏蔽層破壞至放出外露電火的故障形成時間。圖中，曲線4、5、6表示芯線受破壞的情況，曲線2表示屏蔽層受到破壞時刻，曲線1表示紫外光敏管測到火警時發(fā)出的脈沖。從示波圖測得這種破壞條件下，該電纜的故障形成時間Txb=7.5ms。

用計算機統(tǒng)計整理實驗數(shù)據(jù)，獲得了4～70mm2屏蔽電纜受機械損傷時，引燃故障形成時間與破壞物運動速度的關系曲線Txb=f(V)，如圖10所示。

圖10 礦用橡套電纜故障電火花引燃礦井沼氣的故障形成時間

從圖10可得出如下結論：礦用低壓橡套電纜的引爆故障形成時間，主要取決于有足夠能量的破壞物的運動速度。

在破壞物速度V≤6m/s時，各橡套軟電纜的故障形成時間Txb≥5ms；

在破壞物速度6≤V≤10m/s時，6mm2以下電纜Txb=4-5ms；10mm2以上電纜Txb≥5ms；

在破壞物速度V≥10m/s時，

25mm2以上電纜Txb≥5ms；

16mm2以下電纜Txb≥3.5ms。

綜上所述，在供電系統(tǒng)和使用16mm2以下電纜的其他供電網(wǎng)支路中，電纜故障電火引燃礦井沼氣的故障形成時間應取Tx≤3.5ms；

在使用25mm2以上電纜的供電系統(tǒng)中應取Tx≤5ms。

6 結論

為了測定礦用低壓橡套電纜受機械損傷引燃礦井沼氣的時間，我們自己設計了模擬實驗裝置，模仿礦井電纜受機械創(chuàng)傷的型式，進行實驗室模擬試驗，獲得了電纜著火和電纜受傷故障電火引爆時間的兩簇曲線。實驗研究的結果，得到了以下的結論：

(1)在實驗數(shù)據(jù)的基礎上，留有充分的裕度，所得到的電纜著火時間與流過電纜短路電流的解析式Txh=10000s2/I2d及其關系曲線Txh=f(Id)，便于工程應用；并由此到處了一個工程實用的推論，只要過流保護裝置有≥5s的延時，即使不采用相敏過流保護，也能克服過流保護“死區(qū)”。在這個推論的基礎上進一步開展研究工作，研制適應這種特性的過流保護環(huán)節(jié)，用于新研制的電器產(chǎn)品和對老產(chǎn)品進行改造，很有希望在三、五年內，有效地控制住電纜著火事故的頻繁發(fā)生。

(2)用步槍子彈作為動力，以4～16m/s的速度，用鋼鍥破壞電纜，忽略了電火花引燃礦井甲烷—空氣混合物的延遲時間，整理實驗數(shù)據(jù)，獲得了礦井低壓橡套電纜引燃礦井沼氣時間的一簇曲線。實驗的結論與蘇聯(lián)、西德文獻的數(shù)據(jù)吻合。而重要的是，國外文獻給出的數(shù)據(jù)時幾點數(shù)據(jù)，我們得出的統(tǒng)計曲線填補了這方面的空白，為我國開展“快速斷電安全技術”的研究，提供了基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

研究表明，電纜故障形成時間主要決定于電纜護套的幾何尺寸和破壞物的運動速度，所以整體防火、防爆安全供電系統(tǒng)的快速斷電時間，對于127V系統(tǒng)，應取To=3.5ms；對于380V以上(使用25mm2)的供電系統(tǒng)，應取To=5ms為宜。

由于條件所限，此項研究工作還有待于在今后工程實踐和研究中完善與提高。

[1] 全國煤礦重大事故調查報告[Z].煤炭科學研究院撫順研究所 ,1982年.

[2] 張丙軍譯.電纜故障時間的測定[M].1982年.

[3] 第22屆國際礦安全會議論[Z].1987.

[4] 張丙軍譯.安全火花電路[M].1982.

[5] 陳再學.煤礦電氣防爆[M].1986.

[6] 國外采煤工作面綜合機械化設備、采煤機械[M].煤炭工業(yè)出版社,1979.

[7] 煤炭安全規(guī)程[Z].2005.

DeterminationofFaultFormationTimeofMineMethaneIgnitedbyFaultSparkofRubberBushingCableforMine

LIHong-yi,YANGJun,ZHAOYing,WANGLan

(New Northeast Electric Equipment Co.,Ltd., Electric Apparatus Group,Shenyang 110025,China)

The paper explains determination of fault formation time of mine methane ignited by fault spark of rubber bushing cables for mine.A lot of simulated experiments have shown that minimum ignitor firing time of the rubber bushing cable is 5ms,which is uniform with foreign research result.It provides the basis for achieving integrated explosion-proof safe research work of mines. .

fault fromation;ignitor firing time;quick power-off;integrated explosion-proof

1004-289X(2013)01-0043-06

TM247

B

2012-11-01