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煤矿井下供电系统抗违章保护技术
字号:[    ] 发布时间:2018-01-19 来源:山西日报
  • 郭春平在北京大学毕业典礼上

  •   山西全安新技术开发有限公司荣获全国最具创新能力的十佳中小企业

  •   摘要:为防治违章带电作业及瓦斯爆炸,分析研究了有关资料及设备特点,发现约65%违章带电作业事故发生在电气设备接线空腔(盒)。造成违章的间接原因是存在抗违章短板,如违章带电开盖太方便,用时最多的仅需2min 40s。因此提出应用抗违章保护预控违章作业,简述了抗违章保护技术原理及其应用实例,并与短路、漏电和接地“三大保护”进行了分析对比研究,结果表明:在违章带电作业的过渡过程中,在还没有违章松动紧固螺栓或接近带电体而触碰到违章红线前,就将作业人员的行为信号转换为电信号,实现报警或断电或闭锁,确保“想违章违不成,即使违章也造不成事故”,可为国内外预控井下违章带电作业、大幅降低瓦斯爆炸事故提供技术支撑。
      违章作业已成为煤矿的第六大灾害,经分析文献可知,违章作业可造成90%~95%的电气火源(花),引发43.29%~45.7%的瓦斯爆炸。研究并预控违章带电作业对降低事故率,提高安全管理水平,具有极其重要的意义。用间接原因致违章观点,分析研究违章带电作业的间接原因,可发现在用井下供电系统确实存在抗违章短板。通过分析研究抗违章保护技术原理及应用实例,并与短路、漏电和接地“三大保护”进行对比,可以确定,抗违章保护是防治违章带电作业及瓦斯爆炸的有效新技术,目前还未检索到其他有关报道。在违章过渡过程中,还没有触碰到“违章红线”前,就将作业人员的行为信号转换为电信号,进行违章预控的思路,与打人海战预防违章作业相比,具有实质性进步,对各行各业安全监管和安全预控意义重大,对我国今后安全发展战略制定有重要参考价值。

    造成违章带电作业的原因分析


      发生违章带电作业的主要部位是电气设备接线空腔(盒)、操作主腔及接线(喇叭)嘴。分析研究大量事故案例及实际经验,得出具体的经验概率见表1。
      分析表1,并根据间接原因致违章观点推理,得出如下结论:任何发生违章带电作业的设备,其技术结构及供电系统一定存在预控违章方面的不足,简称抗违章短板。抗违章短板为作业人员进行违章作业提供了方便违章条件。
      1)接线空腔(盒)抗违章短板:无联锁保护装置,电气设备接线空腔盖板用普通螺栓固定,没有锁,用扳手、卡丝钳、管钳等常用工具就能带电开盖操作,产生电火花引爆瓦斯。所以,电气设备接线空腔是最易引发事故的部位,有关事故案例笔者已经收集139起,共死亡3538人。
      2)闭锁装置抗违章短板:用螺丝刀或徒手就能够移动闭锁杆而擅自送电或擅自开盖操作;闭锁杆上打孔锁上普通门锁,这种方法不能长期应用在井下动态使用中的开关上,原因是:有多少个开关就得有若干倍开关数量的钥匙,且门锁易生锈,难以使用和管理,另外,没有闭锁杆的开关无法打孔锁上普通门锁;闭锁装置上加装一些机构,只有用三角套管等专用工具才能操作闭锁杆移动,这种方法也不能长期应用在井下动态使用中的开关上,原因是1种开关对应1种工具,1个单位有10种开关,工人就须带10种工具,实际中不便管理使用;与高压开关的隔离开关联锁的开关门用普通扳手或套管就能打开,这种结构不能防止带有普通工具的非专职人员擅自开盖操作。有关事故案例笔者已经收集50起,共死亡4501人。
      3)螺旋喇叭嘴的抗违章短板:山西晋城某矿螺旋式小喇叭嘴松动,信号线被拉出,电死1人。
      分析电气设备的抗违章短板。2种开关及电动机人工开盖(门)、拆下螺旋喇叭嘴时间见表2,打开 80 开关上接线空腔盖仅用1min 20s,工人在1min 20s内可步行80m(按井下60 m/min步行速度计),假设控制80开关接线空腔电源的分路开关在小于40m的范围内(双向线路小于80m),工人操作分路开关停了80开关的电,再回到80开关旁,双向所走路程小于80m,所用时间就小于1min 20s,由于井下工人具有时间损失厌恶特性,工人就不违章带电开盖作业,否则,为了节省时间就要违章带电开盖作业。井下绝大多数分路开关与被控制的80 开关距离远大于40m,所以,绝大部分80开关都有违章带电开盖作业的历史记录,这就是所谓抗违章短板。
      分析“三大保护”存在的抗违章短板。国内外短路、漏电和接地“三大保护”的共同特点是:在发生电气故障后才断电跳闸,除一些具有绝缘监视功能的漏电保护外,大部分保护不能在没有发生电气故障前,就断电或报警以预控事故发生。绝缘监视的基本原理是:实时检测供电网络系统的绝缘电阻值,当绝缘电阻降低到一定数值时,或报警或断电或闭锁。因为绝缘电阻降低,可能引发漏电故障,所以具有一定漏电故障预控功能。但是,在违章带电作业之前,绝缘电阻不会降低,绝缘监视保护装置就不会动作保护;短路、漏电和接地电流或电压没有产生,“三大保护”也不会动作保护。所以,“三大保护”都起不到超前预控违章带电作业作用,只能在违章带电作业造成短路、漏电和接地故障后断电保护。也就是说存在抗违章短板。
      所谓抗违章短板:如果某电气设备或设备某部位至少发生1次事故,其直接原因是人违章造成,间接原因是该电气设备或该设备某部位的技术结构存在方便违章条件,即可认为该设备或该设备的供电安全保护系统存在抗违章短板。如:有很多事故案例可以佐证,任何一个煤矿的电气设备接线空腔、闭锁装置、螺旋喇叭嘴都至少发生过1次违章带电作业事故。直接原因都是违章带电作业造成,其间接原因是违章带电作业太方便,用时最长的仅需 2min 40s,用时最少的仅需 20s,所以,这3个部位存在抗违章短板,给其供电的“三大保护”系统也存在抗违章短板。

    抗违章保护技术


      为了补抗违章短板,在接线空腔、闭锁装置加装抗违章保护装置,增加这些装置后,不仅使违章带电作业费时费力,还可在一定条件下实现“想违章违不成,即使违章也造不成事故”的抗违章技术目标。
      接线腔抗违章保护将违章行为转换为电信号原理如图1所示。
      抗违章保护原理如下:图1中,在隔爆设备接线空腔上,安装螺栓罩盖住接线空腔盖板的紧固螺栓,以防擅自松动紧固螺栓而违章带电作业。在螺栓罩上安装抗违章智能传感器,其上有锁钥、锁芯和锁壳构成的锁结构,使没有专用锁钥的非专职人员无法违章带电作业。若专职人员进行违章带电作业时,在用其专用锁钥开锁取下锁壳时,传感器芯片离开螺栓罩锁定螺栓,经智能处理,将违章行为信号转换为电信号,传送到抗违章保护系统(图2),抗违章保护系统指令馈电开关断电。在违章过渡过程中(即从违章初始状态过渡到触碰违章红线状态的过程,其特征是:违章已开始,将要开始违章危险作业,但还未开始危险作业,还在安全状态),还没有触碰到违章红线——松动接线空腔盖板的紧固螺栓前,就进行超前断电保护,预控违章带电作业行为及事故发生。抗违章保护系统可以是电力监控系统、矿井安全监控系统、馈电开关的远控分励电路或电磁启动器的启动停止回路等,但不包括漏电跳闸系统,这一点与在先开盖断电技术不同。下面举2个应用实例介绍具体技术。
      1)晋城煤业集团凤凰山矿的某变电所和掘进工作面是利用原有的电力监控系统作为抗违章保护系统,其原理如图2所示,当取下安装在螺栓罩1紧固螺栓上的本安型抗违章智能传感器1时,作业人员还处在违章过渡过程中,还没有松动盖板紧固螺栓,还没有触碰违章红线,其节点在就地报警的同时,经传感器芯片处理,把违章动作信号转换为电信号,传输给电力监控系统分站,经该分站电脑处理,向馈电开关通信口或远控分励电路发出断电指令,馈电开关断电,并闭锁不能向该电磁启动器送电。同时将有关信号通过以太网传送到地面调度室,调度室通过其工业控制计算机可监视全过程,必要时还可以按规定解除闭锁。该系统从2011年4月至今一直使用。
      在电动机上也进行了试用,在电动机接线空腔(盒)上加装了螺栓罩及浇封型抗违章智能传感器2,基本结构如图1所示,但浇封等部分不同。在违章过渡过程中取下螺栓罩2上的浇封型抗违章智能传感器2时,其节点直接断开电磁启动器的36V回路联锁线(如13线),电磁启动器断电,并闭锁不能向该电动机送电,使违章者无法违章带电松动盖板紧固螺栓、触碰违章红线。
      2)大同煤矿集团塔山煤矿某井下变电所的抗违章保护系统是单独专用1套矿井瓦斯监控系统(该系统不监控瓦斯),与上述电力监控系统原理和作用相似,不再赘述。不同的是该矿把违章作业信号通过移动互联网传到了手机上,有关人员可在手机上随时方便监视井下是否有违章带电作业。该系统从2015年8月至今一直使用。
      抗违章智能传感器不与抗违章保护系统连接也可单独使用,但仅能实现违章开盖报警及防止非专职人员擅自违章开盖操作,不能断电和闭锁。这种抗违章保护装置已在山西的大部分煤矿应用多年。
      在开关闭锁装置的闭锁杆上安装闭锁装置抗违章保护,如图3所示,其原理如图1锁钥、锁芯和锁壳构成的锁结构,可以预控非专职人员违章擅自开盖操作及擅自送电。德国贝克、西门子开关闭锁装置都有类似抗违章保护装置。闭锁装置抗违章保护也叫两防锁,当前已在山西大部分煤矿中应用,但还都没有与抗违章保护系统连接。
      综上所述,经抽象和概括,抗违章保护是在违章过渡过程中,还没有触碰到违章红线前,就将人的作业行为动作信号转换为电信号,实现报警或断电或闭锁保护的技术保障设施,它能预控人的违章行为,能保证“想违章违不成,即使违章也造不成事故”;或包括一切抗违章保障设施及技术。
      煤矿井下供电系统“三大保护”,都是在人接触带电体时,报警、断电、闭锁;而抗违章保护是在违章过渡过程中,还没有触碰到违章红线前,就将人违章作业信号转换为电信号传输给电脑芯片,联网实现报警、断电、闭锁。如图4所示。
      衡量抗违章保护性能高低的重要指标是抗违章保护人为失效时间,表示人为违章解除抗违章保护的难易程度。经验表明:井下电气作业时,如果电气设备的抗违章保护人为失效时间大于30 min,就没有人去违章带电作业。其原因是:如果违章操作了30 min,还没有解除抗违章保护,作业人员就会主观认为,违章会付出很大的代价,所以就不违章了。
      分析“2·14”辽宁阜新矿业集团违章带电开盖检修引发瓦斯爆炸死亡214人事故案例认为,如果应用了图1—图2的抗违章保护措施,也许会避免事故发生。该调查报告第7条值得注意:“国家有关部门应牵头组织有关科研单位,对防止带电作业的本质性措施进行研究,并研制相关产品,杜绝类似事故再次发生。”因此,研制防电保障装置是行之有效的措施,符合安全生产的需要。

    抗违章保护应用情况


      近10来年,山西省推广应用的抗违章保护包括:主要专利产品技术抗违章智能传感器及相关技术,也称作“三开一防”;配套专利产品技术两防锁等6类。用符合标准要求的方法,把它们安全可靠地安装连接于在用井下供电或监控系统上,在不用更换在用供电系统的条件下,就能使违章带电作业风险最大的部位具有了抗违章保护功能。煤矿电气设备不仅应当具有“三大保护”,还必须加装抗违章保护,抗违章保护人为失效时间大于30 min,就可有效避免违章带电作业。

    结论


      1)在用井下供电系统存在抗违章短板,将会引起有关各界高度重视。在用井下供电系统应用抗违章保护,在违章过渡过程中,还没有触碰到违章红线前,就将作业人员的行为信号转换为电信号,实现报警或断电或闭锁保护,进而预控违章带电作业。可为国内外煤矿预控井下违章带电作业提供经济和实用的新技术思路,可为彻底杜绝违章带电作业事故发生,实现降低约1/2瓦斯爆炸的理想目标作出贡献,宜制定强制标准推广应用。IEC标准及相应的强制国标GB3836.1中都有抗违章技术要求。
      2)抗违章保护人为失效时间大于30 min,就能预控违章带电作业,应进一步深入分析研究其应用价值。
      3)将当前在用的抗违章保护进一步智能化,实现无线传输及与手机联网,是今后努力的方向。

    [郭春平小传]


      郭春平是山西全安新技术开发有限公司董事长兼总经理,享受国务院特殊津贴专家,全国工商联执委,山西省政协委员、山西省工商联(总商会)副会长、教授级高工,中国发明协会会员,山西省新世纪学术技术带头人。发明了“开盖传感器”“防治带电作业及瓦斯爆炸的抗违章系统”“远方漏电试验方法”等30余项专利技术产品。其中“一种开盖断电方法及装置”等3项专利获美国、欧盟和俄罗斯等30多个产煤国家和地区的发明专利权。主要从事预防煤矿瓦斯爆炸的抗违章技术、煤矿机电安全技术、循环经济技术、再制造技术的研发、生产、推广工作。在国内外首次提出“抗违章保护技术”。发明创造“防治带电作业及瓦斯爆炸的抗违章技术”,获国家安监总局安全生产科技成果奖。在《煤炭科学技术》等多家著名权威杂志和期刊上发表多篇论文,以第一起草人身份,负责起草了《矿用开关两防锁》等行业标准。曾获国家安监总局安全生产科技成果奖、中国煤炭工业科学技术奖、中国专利奖、山西省科技进步奖、山西省技术发明奖、获“山西省优秀中国特色社会主义事业建设者”荣誉称号等。

    专家点评抗违章技术

    中国工程院院士张铁岗


      煤炭是我国及世界最重要的能源之一,瓦斯爆炸是煤炭安全生产最大危害。约一半瓦斯爆炸原因与违章带电作业直接相关。用技术手段预防人违章带电作业(即“技防”)是一道世界性难题。
      “防治带电作业及瓦斯爆炸的抗违章技术系统”包括:主要专利产品技术“开盖传感器产品,开盖报警、断电、闭锁及防止擅自开盖操作技术”(简称三开一防),以及配套专利产品技术两防锁、防电软件等6类。用符合标准要求的方法,把它们安全可靠地安装连接在供电及监控系统上,就将电气设备上违章带电作业风险最大的部位全部实现了“抗违章保护”,即保证了“非专职人员想违章违不成,专职人员即使违章也造不成事故”。这种变“人防”带电作业为“技防”,技术思路独特,在国内外瓦斯防治技术领域具有突出的实质性进步。
      主要产品“开盖传感器”为国内外首创,主要技术超前预控人的违章带电作业行为,即在“违章过渡过程”中还没有触碰到“违章红线”前,就将误(违章)作业信号转换为电信号,实现报警、断电、闭锁技术,也是国内外首创的,且都已获中国、美国等数十个国家发明专利权,属国内外重大创新。
      山西省大范围推广应用十几年来,大大减少了违章带电作业事故,为近三年瓦斯爆炸“零事故”作出了重大贡献。同时将会对国内外防治违章带电作业及瓦斯爆炸,智能矿山建设,推动安全科技进步,产生重大作用。
      该项目是《奖励条例》所述“国内外首创的重大技术发明”,被推荐为国家技术发明奖一等奖。

      中国矿业大学(北京)原副校长孙继平教授


      煤炭行业是高危行业,瓦斯、水、火、顶板、运输、机电、爆破等事故困扰着煤矿安全生产。2016年我国煤矿共发生死亡事故249起、死亡526人。事故调查表明,违章作业是造成这些事故的主要原因。因此,进行违章行为分析及抗违章对策研究,具有重要的理论意义和实用价值。
      事故调查表明,我国煤矿重特大事故中,瓦斯事故死亡人数最多,高达66.6%。电气火源是引起瓦斯爆炸事故的主要火源。论文分析研究了国内外现状,以煤矿电气违章和抗违章装置为研究对象,进行了违章行为分析及抗违章对策研究,提出抗违章技术比法律、管理、教育、培训、宣传等更有效;煤矿电气设备不仅应当具有三大保护,还必须加装“抗违章保护”;抗违章保护人为失效时间大于等于30分钟,就可以避免违章带电作业等,论文具有新见解。
      论文数据可靠、层次分明、论述清楚、写作规范。论文工作表明,作者在该研究领域具有坚实的理论基础和系统的专门知识,创新能力强。论文达到了硕士论文要求。同意进行硕士学位论文答辩,并建议授予硕士学位。

     


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