温湿度对煤矿井下电气设备的影响_李金娥

第35卷第09期2014年09月

煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol. 35No.09Sep. 2014

doi :10.13436/j.mkjx.201409032

温湿度对煤矿井下电气设备的影响

李金娥1，2，王丽2，薛斌2

（1. 石河子大学，新疆石河子832003；2. 石河子职业技术学院，新疆石河子832003）

摘要：电气设备的应用领域越来越广，在煤矿中的电气设备更是同时面临高温、高湿、高含尘的空气特点，极易发生安全事故。提出通过矿井空调对井下电气设备的周围环境进行降温除湿，并对其进行试验研究。研究结果表明，在本试验范围内，空气的温降能达到10.5~12℃，煤矿井下空调能极大地改善井下电气设备工作的环境。

关键词：煤矿；电气设备；温度；湿度中图分类号：TN06文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2014）09－0076－03

Influence of Temperature and Humidity on Electrical Equipment in

Coal Mine

LI Jin-e 1，2，W ANG Li 2，X UE Bin 2

（1. Shihezi University, Shihezi 832003, China; 2. Shihezi Occupational College, Shihezi 832003, China ）

Abstract:The application field of electric equipment is more and more widely. The electrical equipment used in coal mine occurred safety accident easily because of the environment of high temperature 、high humidity and high dust. The air conditioning used in coal mine to cool dehumidification around the electrical equipment was set up and the experimental study was carried on. It showed that the air temperature drop could reach 10.5~12℃in the range of this paper. It indicated that the air conditioning could ameliorate the working environment of the electrical equipment used in coal mine. Key words:coal mine; electrical equipment; temperature; humidity 0

引言

到损坏；同时，随着煤矿开采深度的增加，煤矿井下的温度越来越高，湿度越来越大，使得井下电气设备过载，散热失效，从而容易造成井下火灾、瓦斯爆炸等重大安全事故。因此，井下温湿度的有效控制是保证电气设备安全稳定运行的关键因素。机器人移动机构。通过摇臂式双履带机器人的质心位置变化规律，分析机器人的越障机理：在驱动力作用下，随着机器人的移动，摩擦推力使机器人不断攀升，使重心越过障碍的边缘线，从而实现越障。

电气设备的应用领域越来越广，同时对电气设备运行的可靠性要求越来越高。煤矿井下环境恶劣，生产过程中所涉及的机械设备大多需要自动化控制，电气设备等长期处于不安全的状态，极易受双履带机器人选取与本文提出摇臂式双履带机器人相同的参数值，由式（6）计算得出越障最大高度为165mm 。

O 3

y O 1

O O 2H

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

摇臂式双履带机器人比不带摇臂的双履带机器人攀越台阶高度提高59mm ，因此提出的摇臂式双履带机器人具有更优越的越障性能。

参考文献：

［1］李允旺，葛世荣，朱华，等. 四履带双摆臂机器人越障机理及越障

能力［J ］. 机器人，2010，32（2）：157-165.

图7

[**************]H /m m 1005000

爬越台阶临界状态图

［2］邓乐，赵莉莉. 煤矿井下搜救机器人越障分析［J ］. 河南理工大学

学报：自然科学版，2011,30（5）：567-570.

［3］Jeehong Kim, Changgoo Lee, Gunho Kim. Study of machine design

for a transformable shape single-tracked vehicle system ［J ］. Mecha -nism and Machine Theory. 2010，45（8）：1082-1095.

0.5

β/rad

1.5

［4］陈殿生，黄宇，王田苗. 轮式腿型机器人的越障分析与仿真［J ］.

北京航空航天大学学报，2009，35（3）：371-375.

［5］邓乐，谢国周. 串联履带机器人越障性能研究［J ］. 河南理工大学

学报：自然科学版，2013，32（1）：56-61.

作者简介：邓乐（1964-），江西萍乡人，教授，主要从事主-从机器人遥控操作系统和危险场合机器人系统的教学与研究工作，电子信箱：[email protected].

图8

机器人攀越台阶高度H 与机器人俯仰角β关系

1. H 12. H 2

如图8示，H 1，H 2分别为本文提出的摇臂式双履带机器人和不带摇臂的双履带机器人攀越台阶高度与机器人俯仰角关系曲线。4结语

提出了一种具有自适应能力的摇臂式双履带

责任编辑：丛培建收稿日期：2014－05－06

第35卷第09期温湿度对煤矿井下电气设备的影响———李金娥，等

备失去因有的性嫩；

Vol.35No.09

在煤矿井下高湿度的环境中，散热器极易发生腐蚀，寿命较短。因此，选用空调降温方式对矿井下的电气设备进行降温是最为直接有效的方式。由于煤矿井下的环境特点和安全性要求，特别是制冷剂、高湿空气对空调的影响等，使得地面上常用的空调装置在煤矿井下无法长期安全有效使用。

本文就应用于煤矿井下降温的空调系统进行了试验研究，分析其不同参数下的降温效果，以及温度、湿度改变对电气设备的影响。

对湿度较大时，腐蚀过程会突然增大，导致电气设

③促进霉菌的生长较大的环境空气相对湿度，

会促进霉菌的生长，从而出现电气设备不能长久运行。

因此，尽可能降低井下空气的相对湿度，对保证井下电气设备的长时间安全运行也十分必要。

2井下空调冷却器要求

（1）结构要求

基于矿井热害问题和设备安全性要求，实际的

1温度、湿度对电气设备的影响分析

影响电气设备的因素很多。图1是周围环境对电

煤矿井下空调冷却器应满足以下要求：

气设备失效的关系。从图1可以发现，引起电气设备失效最主要的还是周围环境空气的温度和湿度。

56%4%4%18%

28%

40%

①冷却器应能从矿井入口处通道顺利进入, 横截面尺寸一般应小于2.1m ×1.4m ；且能在矿井巷道

内移动方便，重量尽可能低；

②所有辅助电气设备必须具备防爆功能；

③冷却器内的制冷介质必须满足无毒不燃的

要求；

④冷却器应能适应煤矿井下高粉尘含量、高含

湿量的环境。

图1环境因素与电气设备失效的影响

1. 温度2. 湿度3. 振动4. 灰尘5. 盐水6. 其他

（2）冷却器性能要求

实际空调装置必须保证井下温度以及电气设备周围的环境低于26℃。本研究试验样机空调装置的设计制冷量额定为45kW 。

（1）温度对电气设备的影响

温度对电气设备的影响主要表现：当温度没有超过电气设备承受的最高值时，温度与电气设备使用寿命呈反线性变化，温度越高，使用寿命越低；当温度超过其承受最高值时，电气设备将会产生断路、击穿等损坏性故障。煤矿井下的电气设备安全要求更高，更需要很好地控制电气设备周边温度，以防出现安全事故。

煤矿井下的热源主要由井下高温岩石和机电设备运转而造成的，矿井内较高的粉尘含量也会导致电气设备外表面附着有污垢层，导致电气设备散热效果变差，使其温度升高，从而导致设备失效或出现安全事故。

（2）湿度对电气设备的影响

引起煤矿井下空间湿度增加的原因很多，其中，井下巷道壁面的散湿和矿井水（包括生产用水）是湿度的主要来源。煤矿井下空气相对湿度基本都在90%以上，而对于电气工程来说，相对湿度超过80%即称为高湿环境。高湿环境对电气设备的影响主要分为3个方面：

3试验装置简介

试验样机由电气控制系统、空气流通系统和制

冷系统组成。全部测试工作均在环境工况模拟实验室中进行，制冷剂介质为R407C ，控制制冷剂的工作温度恒定为9℃。

试验装置设计系统如图2所示，冷却器本体结构如图3所示。

图2试验系统图

6. 冷却器

传热管翅片

1. 冷凝器2. 压缩机3. 仪表控制箱4. 防爆电机5. 干燥过滤器

准12.7

①影响电气设备的绝缘强度当空气湿度增

1135

7. 2

大时，电气设备的绝缘强度大幅度下降，使得周围空气中的水分附着在绝缘材料上，加大了电气设备发生漏电事故的概率，从而产生电气故障；

空气进口

27.5

空气出口

②加速金属材料的腐蚀将金属存放于越低

制冷剂出口

腐蚀临界值的环境中，腐蚀速度就会越缓慢，而当环境相对湿度低于30%临界值时，电化学腐蚀过程不能进行，能很好地阻碍腐蚀的进行；而当环境相

100

图3冷却器结构图

125

45°1

制冷剂入口

889

Vol.35No.09

表1

名称外形尺寸/mm基管外径/mm翅片类型翅片间距/mm纵向排间距/mm迎风传热管数管排数

温湿度对煤矿井下电气设备的影响———李金娥，等

蒸发器主要结构参数

数值

名称

换热管及翅片材质基管厚度/mm翅片厚度/mm横向管间距/mm管排排列方式有效管长/mm制冷剂介质种类

数值紫铜

第35卷第09期

冷却器的结构参数见表1。

但N u 数增大的幅度随R e 数的增大而略有降低，一方面，试验中R e 数的范围已使得传热管外空气的

0.550.1231.75错排

1135×960×870

12.7平直翅片

7.227.52932

900R407C

试验结果分析

（1）出口空气温降随进口空气相对湿度的变化。出口空气温降随着进口空气相对湿度的变化如图4所示。当环境空气的相对湿度增加时，空气流经空调后的温降降低；从传热的角度分析，随着进口空气相对湿度的增加，冷却器工作时传热面有水蒸汽凝结，表面附着的水膜厚度越来越厚，使得传热过程的热传导阻力越来越大，从而导致冷却器的换热效果越来越差。即使当井下空气相对湿度接近90%时候，经过井下空调后的空气温降仍能达到10.4℃，由此可知，井下空调为电气设备环境温度的降低及其可靠性的提高提供了保障。

流动处于湍流状态，因此当进一步增大流速时，对流传热的强化已不再明显，另一方面，进一步增大湿空气的流速使得湿空气中的一部分水蒸汽在尚未降温就被带出换热区域，从而降低了对流传热的效果。这说明在湿空气环境中，增加气体流速并不一定能够促进空调的降温，而空气的湿度越大，会导致空调的降温效果变弱。

302826

[***********]00

R e

1234

图6

N u

N u 数随湿空气R e 数的关系

1. 进口空气相对湿度60％2. 进口空气相对湿度70％3. 进口空气

相对湿度80％4. 进口空气相对湿度90％

5结语

（1）分析了井下高温高湿环境原因及对井下电气设备的不利影响；

（2）提出使用井下空调对井下电气设备外部环境进行降温从而保证井下电气设备的安全运行，并设计合理的井下空调冷却器；

（3）在本试验范围（进口空气相对湿度为60%~90%，进口空气温度为26~30℃）内，空气的温降能达到10.5~12℃；

（4）根据试验结果表明，井下空气温度越高，井下空调装置的降温效果越好；而空气的湿度增大，却会降低空调的降温效果；提高通过井下空调的流速，并不一定能够促进空调装置的降温效果。

参考文献：

［1］梁运涛, 罗海珠. 中国煤矿火灾防治技术现状与趋势［J ］. 煤炭学

报，2008，33（2）：126-130．

［2］陈健行. 温度对电子设备的干扰影响及抑制方法［J ］. 电子科技，

出口空气温降/℃

121110

进口空气相对湿度/%

图4出口空气温降随进口空气相对湿度的变化1. 进口空气温度30.3℃2. 进口空气温度27.1℃

（2）出口空气温降随进口空气温度的变化。

出口空气温降/℃

12.0

11.210.4

进口空气温度/℃

图5出口空气温降随进口空气温度的变化

相对湿度90％

2008，21（8）：21-24．

［3］钱俊锋，章云峰，郑荣良，等. 基于热分析的电子元器件可靠性探

讨［J ］. 微计算机信息，2005，21（22）：161-163．

［4］于冠勇. 湿空气冷凝器性能研究［D ］. 南京：南京航空航天大学，

1. 进口空气相对湿度60％2. 进口空气相对湿度75％3. 进口空气

出口空气温降随进口空气温度的变化如图5所示。出口空气温降随进口空气温度的升高而增加。因为进口空气温度的升高增大了冷却器的传热温差，提高了冷却器的传热能力，从而使空气的降温幅度变大。在本试验范围（进口空气相对湿度为60%~90%，进口空气温度为26~30℃）内，空气的温降能达到10.5~12℃，这表明煤矿井下空调能极大地改善井下电气设备工作的环境，可很好地满足井下的降温需求。

（3）冷却器中N u 数随空气R e 数的变化。

冷却器内湿空气对流传热的N u 数随R e 数的变化如图6所示。N u 数随着R e 数的增加而增加，

2012．

［5］孙继平. 煤矿电气安全关键技术研究［J ］. 工矿自动化，2011，37

（1）：1-4．

［6］刘璐，梅国栋，文虎，等. 关于改善矿井环境气候的探讨［J ］. 煤炭

工程，2005（12）：47-49．

［7］邬宁彪. 温度、湿度应力在电气·电子产品失效中的作用［J ］. 印

制电路信息，2005，41（2）：14-20，41．

［8］杨天麟. 煤矿工作面专用空气冷却器的研究与开发［D ］. 天津：天

津大学，2007．

［9］陈平. 采用压气供冷的新型矿井集中空调系统［J ］. 矿业安全与环

保，2004，31（3）：1-3．

作者简介：李金娥（1980-），女，山东德州人，硕士，讲师，主要研究方向：煤炭机械维修，天然产物的开发与研究.

责任编辑：丛培建收稿日期：2014－05－25

第35卷第09期2014年09月

煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol. 35No.09Sep. 2014

doi :10.13436/j.mkjx.201409032

温湿度对煤矿井下电气设备的影响

李金娥1，2，王丽2，薛斌2

（1. 石河子大学，新疆石河子832003；2. 石河子职业技术学院，新疆石河子832003）

关键词：煤矿；电气设备；温度；湿度中图分类号：TN06文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2014）09－0076－03

Influence of Temperature and Humidity on Electrical Equipment in

Coal Mine

LI Jin-e 1，2，W ANG Li 2，X UE Bin 2

（1. Shihezi University, Shihezi 832003, China; 2. Shihezi Occupational College, Shihezi 832003, China ）

引言

O 3

y O 1

O O 2H

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

摇臂式双履带机器人比不带摇臂的双履带机器人攀越台阶高度提高59mm ，因此提出的摇臂式双履带机器人具有更优越的越障性能。

参考文献：

［1］李允旺，葛世荣，朱华，等. 四履带双摆臂机器人越障机理及越障

能力［J ］. 机器人，2010，32（2）：157-165.

图7

[**************]H /m m 1005000

爬越台阶临界状态图

［2］邓乐，赵莉莉. 煤矿井下搜救机器人越障分析［J ］. 河南理工大学

学报：自然科学版，2011,30（5）：567-570.

［3］Jeehong Kim, Changgoo Lee, Gunho Kim. Study of machine design

for a transformable shape single-tracked vehicle system ［J ］. Mecha -nism and Machine Theory. 2010，45（8）：1082-1095.

0.5

β/rad

1.5

［4］陈殿生，黄宇，王田苗. 轮式腿型机器人的越障分析与仿真［J ］.

北京航空航天大学学报，2009，35（3）：371-375.

［5］邓乐，谢国周. 串联履带机器人越障性能研究［J ］. 河南理工大学

学报：自然科学版，2013，32（1）：56-61.

作者简介：邓乐（1964-），江西萍乡人，教授，主要从事主-从机器人遥控操作系统和危险场合机器人系统的教学与研究工作，电子信箱：[email protected].

图8

机器人攀越台阶高度H 与机器人俯仰角β关系

1. H 12. H 2

如图8示，H 1，H 2分别为本文提出的摇臂式双履带机器人和不带摇臂的双履带机器人攀越台阶高度与机器人俯仰角关系曲线。4结语

提出了一种具有自适应能力的摇臂式双履带

责任编辑：丛培建收稿日期：2014－05－06

第35卷第09期温湿度对煤矿井下电气设备的影响———李金娥，等

备失去因有的性嫩；

Vol.35No.09

本文就应用于煤矿井下降温的空调系统进行了试验研究，分析其不同参数下的降温效果，以及温度、湿度改变对电气设备的影响。

对湿度较大时，腐蚀过程会突然增大，导致电气设

③促进霉菌的生长较大的环境空气相对湿度，

会促进霉菌的生长，从而出现电气设备不能长久运行。

因此，尽可能降低井下空气的相对湿度，对保证井下电气设备的长时间安全运行也十分必要。

2井下空调冷却器要求

（1）结构要求

基于矿井热害问题和设备安全性要求，实际的

1温度、湿度对电气设备的影响分析

影响电气设备的因素很多。图1是周围环境对电

煤矿井下空调冷却器应满足以下要求：

气设备失效的关系。从图1可以发现，引起电气设备失效最主要的还是周围环境空气的温度和湿度。

56%4%4%18%

28%

40%

①冷却器应能从矿井入口处通道顺利进入, 横截面尺寸一般应小于2.1m ×1.4m ；且能在矿井巷道

内移动方便，重量尽可能低；

②所有辅助电气设备必须具备防爆功能；

③冷却器内的制冷介质必须满足无毒不燃的

要求；

④冷却器应能适应煤矿井下高粉尘含量、高含

湿量的环境。

图1环境因素与电气设备失效的影响

1. 温度2. 湿度3. 振动4. 灰尘5. 盐水6. 其他

（2）冷却器性能要求

实际空调装置必须保证井下温度以及电气设备周围的环境低于26℃。本研究试验样机空调装置的设计制冷量额定为45kW 。

（1）温度对电气设备的影响

（2）湿度对电气设备的影响

3试验装置简介

试验样机由电气控制系统、空气流通系统和制

冷系统组成。全部测试工作均在环境工况模拟实验室中进行，制冷剂介质为R407C ，控制制冷剂的工作温度恒定为9℃。

试验装置设计系统如图2所示，冷却器本体结构如图3所示。

图2试验系统图

6. 冷却器

传热管翅片

1. 冷凝器2. 压缩机3. 仪表控制箱4. 防爆电机5. 干燥过滤器

准12.7

①影响电气设备的绝缘强度当空气湿度增

1135

7. 2

大时，电气设备的绝缘强度大幅度下降，使得周围空气中的水分附着在绝缘材料上，加大了电气设备发生漏电事故的概率，从而产生电气故障；

空气进口

27.5

空气出口

②加速金属材料的腐蚀将金属存放于越低

制冷剂出口

腐蚀临界值的环境中，腐蚀速度就会越缓慢，而当环境相对湿度低于30%临界值时，电化学腐蚀过程不能进行，能很好地阻碍腐蚀的进行；而当环境相

100

图3冷却器结构图

125

45°1

制冷剂入口

889

Vol.35No.09

表1

名称外形尺寸/mm基管外径/mm翅片类型翅片间距/mm纵向排间距/mm迎风传热管数管排数

温湿度对煤矿井下电气设备的影响———李金娥，等

蒸发器主要结构参数

数值

名称

换热管及翅片材质基管厚度/mm翅片厚度/mm横向管间距/mm管排排列方式有效管长/mm制冷剂介质种类

数值紫铜

第35卷第09期

冷却器的结构参数见表1。

但N u 数增大的幅度随R e 数的增大而略有降低，一方面，试验中R e 数的范围已使得传热管外空气的

0.550.1231.75错排

1135×960×870

12.7平直翅片

7.227.52932

900R407C

试验结果分析

302826

[***********]00

R e

1234

图6

N u

N u 数随湿空气R e 数的关系

1. 进口空气相对湿度60％2. 进口空气相对湿度70％3. 进口空气

相对湿度80％4. 进口空气相对湿度90％

5结语

（1）分析了井下高温高湿环境原因及对井下电气设备的不利影响；

（2）提出使用井下空调对井下电气设备外部环境进行降温从而保证井下电气设备的安全运行，并设计合理的井下空调冷却器；

（3）在本试验范围（进口空气相对湿度为60%~90%，进口空气温度为26~30℃）内，空气的温降能达到10.5~12℃；

参考文献：

［1］梁运涛, 罗海珠. 中国煤矿火灾防治技术现状与趋势［J ］. 煤炭学

报，2008，33（2）：126-130．

［2］陈健行. 温度对电子设备的干扰影响及抑制方法［J ］. 电子科技，

出口空气温降/℃

121110

进口空气相对湿度/%

图4出口空气温降随进口空气相对湿度的变化1. 进口空气温度30.3℃2. 进口空气温度27.1℃

（2）出口空气温降随进口空气温度的变化。

出口空气温降/℃

12.0

11.210.4

进口空气温度/℃

图5出口空气温降随进口空气温度的变化

相对湿度90％

2008，21（8）：21-24．

［3］钱俊锋，章云峰，郑荣良，等. 基于热分析的电子元器件可靠性探

讨［J ］. 微计算机信息，2005，21（22）：161-163．

［4］于冠勇. 湿空气冷凝器性能研究［D ］. 南京：南京航空航天大学，

1. 进口空气相对湿度60％2. 进口空气相对湿度75％3. 进口空气

（3）冷却器中N u 数随空气R e 数的变化。

冷却器内湿空气对流传热的N u 数随R e 数的变化如图6所示。N u 数随着R e 数的增加而增加，

2012．

［5］孙继平. 煤矿电气安全关键技术研究［J ］. 工矿自动化，2011，37

（1）：1-4．

［6］刘璐，梅国栋，文虎，等. 关于改善矿井环境气候的探讨［J ］. 煤炭

工程，2005（12）：47-49．

［7］邬宁彪. 温度、湿度应力在电气·电子产品失效中的作用［J ］. 印

制电路信息，2005，41（2）：14-20，41．

［8］杨天麟. 煤矿工作面专用空气冷却器的研究与开发［D ］. 天津：天

津大学，2007．

［9］陈平. 采用压气供冷的新型矿井集中空调系统［J ］. 矿业安全与环

保，2004，31（3）：1-3．

作者简介：李金娥（1980-），女，山东德州人，硕士，讲师，主要研究方向：煤炭机械维修，天然产物的开发与研究.

责任编辑：丛培建收稿日期：2014－05－25

温湿度对煤矿井下电气设备的影响_李金娥

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