(佳木斯防爆電機(jī)研究所, 黑龍江佳木斯 154005)
近年來,正壓外殼型防爆技術(shù)開始逐步應(yīng)用于大型防爆電機(jī)的制造,相比隔爆型、增安型和粉塵外殼保護(hù)型這幾種常見的防爆型式,其具有一定的優(yōu)勢。正壓外殼型電機(jī)不僅制造成本較低,而且應(yīng)用范圍非常廣,包括煤礦井下、工廠爆炸性氣體的1區(qū)、2區(qū)和粉塵爆炸等危險性場所。
正壓外殼型電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn):一方面保護(hù)氣體的壓力和流量的檢測控制屬于弱電檢測保護(hù)領(lǐng)域;另一方面正壓外殼型防爆標(biāo)準(zhǔn)中也存在一些需要在設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)過程中來明確的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn),解決實(shí)際生產(chǎn)過程中的技術(shù)難點(diǎn)是技術(shù)人員面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文將對正壓外殼型電機(jī)的防爆原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行如下闡述。
正壓外殼型電機(jī),也稱通風(fēng)充氣型電機(jī),是在普通電機(jī)上增加可通風(fēng)充氣裝置,向電機(jī)外殼內(nèi)流通保護(hù)氣體(不含有爆炸性混合物),在電機(jī)內(nèi)部形成一個比大氣壓力稍高的規(guī)定正壓,用于阻止外部的爆炸性混合物進(jìn)入電機(jī)外殼內(nèi)部,從而達(dá)到防爆目的。因此,正壓外殼型電機(jī)除了配有一整套通風(fēng)充氣裝置外,還必須配有維持電機(jī)內(nèi)部規(guī)定的正壓的繼電保護(hù)和連鎖裝置,這樣才能確保安全使用。
正壓外殼型電機(jī)采用的保護(hù)氣體一般為純凈的空氣,也可以是惰性氣體或其它適宜的氣體。這種正壓保護(hù)形式應(yīng)用于電機(jī),操作方法一般有兩種:一種是保護(hù)氣體的出口常開,通過保護(hù)氣體連續(xù)在外殼內(nèi)流動維持必要的過壓,標(biāo)準(zhǔn)上稱這種方法為稀釋氣流正壓技術(shù);另一種是保護(hù)氣體的出口關(guān)閉,保護(hù)氣體以持續(xù)小流量或斷續(xù)補(bǔ)償?shù)男问綇浹a(bǔ)外殼內(nèi)氣體的泄漏損失,標(biāo)準(zhǔn)上稱為泄漏補(bǔ)償正壓技術(shù)。無論哪種保護(hù)方法,都要求殼體內(nèi)的壓力和外部壓力相比,正壓值至少為50Pa(對于PZ為25 Pa),屬于微壓環(huán)境。
兩種正壓保護(hù)形式都需要一個電機(jī)啟動前的換氣過程,過去稱為啟動前吹掃,現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)定義為換氣。換氣量的多少通過型式試驗(yàn)確定,同時按5倍內(nèi)腔容積換算,兩者取高值。整個過程為啟動前大流量換氣,內(nèi)腔環(huán)境安全后,進(jìn)入上述的兩種保護(hù)形式之一,維持正壓。
兩種正壓保護(hù)形式在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用第二種保護(hù)形式,即泄漏補(bǔ)償正壓技術(shù)。因?yàn)樵摲椒ǖ倪\(yùn)行費(fèi)用較低。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),連續(xù)稀釋所用保護(hù)氣體的數(shù)量約為泄漏補(bǔ)償?shù)?0倍。因此,除非內(nèi)部元件產(chǎn)生大量熱損耗,保護(hù)氣體不僅保證防爆安全而且必須依賴其通風(fēng)散熱時,采用連續(xù)氣體稀釋維持正壓才是合理的。
正壓外殼型“p”是依據(jù)《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5部分:正壓外殼型“p”》(GB 3836.5—2004),應(yīng)用于爆炸性氣體危險環(huán)境。尤其適用于不能制成其它防爆型式的體積極大,而且形狀復(fù)雜的設(shè)備,如大型防爆開關(guān)、控制柜體等。近幾年,國內(nèi)的電機(jī)制造廠已將這種防爆型式應(yīng)用于大型高壓電機(jī)的防爆保護(hù)。
應(yīng)用于爆炸性粉塵環(huán)境的防爆標(biāo)準(zhǔn)也有這種保護(hù)形式,稱為正壓保護(hù)型“pD”,其標(biāo)準(zhǔn)為《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第7部分:正壓保護(hù)型“pD” 》(GB 12476.7—2010),等同于2001年的IEC 61241—4標(biāo)準(zhǔn)。粉塵標(biāo)準(zhǔn)頒布較晚,粉塵危險環(huán)境中的防爆產(chǎn)品其生產(chǎn)制造也一直沒有形成規(guī)模,目前未見有采用此種正壓保護(hù)型“pD”的粉塵防爆電機(jī)。
從國外看,2014年,IEC標(biāo)準(zhǔn)《Explosive atmospheres-Part 2:Equipment protection by pressurized enclosure“p”》(IEC 60079—2)修訂為第6版,該標(biāo)準(zhǔn)同時代替了粉塵環(huán)境的IEC 61241—4:2001標(biāo)準(zhǔn),將氣體和粉塵兩種保護(hù)形式合并處理,采用一種標(biāo)志,即正壓外殼型“p”。
對于粉塵環(huán)境應(yīng)用正壓保護(hù),國外曾有這樣的觀點(diǎn),即正壓保護(hù)型“pD”是否適用粉塵環(huán)境還須慎重??紤]的最主要問題是,正壓外殼并不要求外殼塵密處理,內(nèi)部不可避免會透入可燃性粉塵,而換氣和連續(xù)氣流通風(fēng)時,如果沒有將出風(fēng)管道通到安全場所,現(xiàn)場在設(shè)備上出風(fēng)出塵,或者是設(shè)備泄漏量比較大,進(jìn)出風(fēng)管道密封不嚴(yán),導(dǎo)致粉塵透出外殼在設(shè)備周邊旋起懸浮,形成粉塵危險環(huán)境,反而達(dá)不到預(yù)期的防爆目的。
IEC 61241—4:2001和IEC 60079—2:2014標(biāo)準(zhǔn)在粉塵環(huán)境應(yīng)用的技術(shù)要求部分并沒有明顯的額外考慮上述狀況,新版IEC 60079—2:2014標(biāo)準(zhǔn)只是增加了一項(xiàng)電源重啟前的外殼內(nèi)殘留粉塵的清洗過程要求,具體是只在危險場所開蓋后要求,采取何種方式清洗移除,有待于進(jìn)一步理解。
正壓外殼型保護(hù)有一套邏輯動作關(guān)系,常用的泄漏補(bǔ)償正壓外殼的簡單邏輯程序?yàn)椋和L(fēng)吹掃裝置啟動-狀態(tài)檢查(如壓力值低于設(shè)定值)-開始換氣-待排氣口端的流量計(jì)檢測到流量大于最小流速時開始計(jì)時-計(jì)時結(jié)束(換氣結(jié)束)-換氣與電機(jī)啟動的互鎖動作-電機(jī)啟動(同時進(jìn)入泄漏補(bǔ)償程序,這時可以連續(xù)小流量補(bǔ)償,也可根據(jù)壓力變化斷續(xù)補(bǔ)償)。如果壓力低于中間設(shè)定值需要補(bǔ)氣,壓力恢復(fù)后停止補(bǔ)氣。過程中如遇壓力低于報警或最低動作值,發(fā)生氣源斷氣,吹掃裝置失電等,控制主電源斷電,通風(fēng)吹掃裝置歸零,回到初始狀態(tài)。
實(shí)際的邏輯控制保護(hù)還要復(fù)雜些,例如包括外殼達(dá)到所能承受的最高壓力限定值時主電源斷電等。泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的真值見表1,泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)見圖1。
表1 泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的真值表
圖1 泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)圖
設(shè)備的狀態(tài)分4種,S0、S1、S2和S3。分別代表S0初始狀態(tài)、S1開始換氣臨界狀態(tài)、S2換氣狀態(tài)和S3換氣結(jié)束,可以送電了。這4種狀態(tài)由4個監(jiān)測信號組成邏輯關(guān)系來轉(zhuǎn)換或判斷是否成立,這4個監(jiān)測信號分別為MOP、XOP、PELO和PTIM,分別代表過壓>50Pa(對于PZ型25Pa)、超過最高過壓值、換氣流量>最小和換氣時間結(jié)束。均為開關(guān)量信號,用真值表示為1和0,4個信號有16種組合,表1中均列出。序號1、6、9、12這4種組合不可能存在,表1中也列出,但不影響狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
舉例說明,如果序號13一行的狀態(tài)為壓力值在最低和最高之間,換氣流量還未到最小值,無法計(jì)時,也就是換氣還未開始。這時如果換氣量達(dá)到了最小值,也就是PELO為1,則進(jìn)入序號14一行的狀態(tài),開始換氣了。換氣計(jì)時結(jié)束,PTIM為1,壓力值在最低和最高之間,意味著換氣過程結(jié)束,可以給設(shè)備主電源送電了。
正壓外殼技術(shù)復(fù)雜在于需要一套保護(hù)控制系統(tǒng)。外殼的密封,保護(hù)性氣體的流量穩(wěn)定控制及精準(zhǔn)測量都具備一定難度,因此,正壓外殼型電機(jī)在現(xiàn)階段的制造和檢驗(yàn)過程中有3個技術(shù)難點(diǎn)需要解決。
4.1 外殼內(nèi)最低正壓點(diǎn)的正壓值的檢測和傳感器的設(shè)置。從圖2和圖3中,我們可以了解,外殼內(nèi)的壓力值隨著外殼幾何形狀,通風(fēng)口位置、接合面密封位置和密封狀況等因素影響是變化的,內(nèi)外部有旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的電機(jī)還可能會產(chǎn)生負(fù)壓點(diǎn)(圖中B點(diǎn)),即由于風(fēng)扇的作用,在殼體部件上產(chǎn)生負(fù)壓,而且造成外部環(huán)境侵入氣體的危險。型式試驗(yàn)的目的就是幫助制造廠找到最低點(diǎn),設(shè)置一個或幾個微壓計(jì)用于監(jiān)視、報警或動作。必要時找到負(fù)壓點(diǎn),改進(jìn)結(jié)構(gòu),包括改變風(fēng)扇位置,加強(qiáng)風(fēng)扇附近的接合面密封性等。
圖2 保護(hù)氣體排氣口無火花和顆粒擋板
圖3 具有泄漏補(bǔ)償?shù)恼龎和鈿?,旋轉(zhuǎn)電動機(jī)具有內(nèi)冷風(fēng)扇
4.2 對于可應(yīng)用于1區(qū)環(huán)境的px保護(hù)型式,《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5部分:正壓外殼型“p”》(GB 3836.5—2004)標(biāo)準(zhǔn)7.7 c)要求,在換氣階段須由正壓外殼排氣口處監(jiān)測換氣實(shí)際流速,不允許推斷,即不允許從排氣口外殼壓力和規(guī)定的開口推斷。這就要求須在排氣口處設(shè)置的是流量計(jì),而不是壓力計(jì)或簡單的機(jī)械膜片,來確定換氣過程是否符合要求。
流量監(jiān)測在正壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是個難點(diǎn),不易處理。原因如下:流量儀表本身是電氣元件,在設(shè)備的排氣口處安裝,必要時還需進(jìn)行防爆處理。排氣口處的壓力不會很高,流量計(jì)除了電磁流量計(jì)外,壓力損失都比較大。電磁流量計(jì)測量的流體必須導(dǎo)電,保護(hù)氣體又不導(dǎo)電。
4.3 保護(hù)氣體的泄漏試驗(yàn)作為一項(xiàng)例行試驗(yàn),是每臺設(shè)備出廠均要求做的。制造廠如何給出這一限制值,來判斷每一臺設(shè)備外殼的密封性是否達(dá)標(biāo),目前還沒有可靠的依據(jù),防爆標(biāo)準(zhǔn)中也未明確。因?yàn)闃訖C(jī)經(jīng)過型式試驗(yàn)中的泄漏試驗(yàn)得到了最大泄漏流速,對待這個實(shí)測值,出廠時是放大還是縮小,放大多少可以接受,無從參考。
國內(nèi)現(xiàn)有的正壓外殼型電機(jī),有同步機(jī)也有異步機(jī)。多數(shù)為簡單的購進(jìn)集成正壓通風(fēng)裝置,配置在電機(jī)主體外殼外,管路接入工作氣源,通風(fēng)裝置的輸出用導(dǎo)管引入電機(jī)主腔,在電機(jī)主腔底部展開一根氣管,若干出氣孔,通氣吹掃方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致,排氣口設(shè)在在電機(jī)冷卻器上端。
此種結(jié)構(gòu)的電機(jī)對電機(jī)制造廠很實(shí)用,省去了通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)和制造,但也受到外購集成正壓通風(fēng)裝置的的限制,使用上有一定局限性,主要涉及3個方面。
5.1 管徑尺寸固定,換氣流量不夠充沛,對接線盒、同步機(jī)的多腔體結(jié)構(gòu),容易造成吹掃死角,導(dǎo)致目前高壓正壓外殼型電機(jī)的接線盒仍采用增安型結(jié)構(gòu)。而增安型的接線盒內(nèi)密閉空腔,在電機(jī)主體經(jīng)過換氣階段后,其內(nèi)部是否還是2區(qū)危險環(huán)境,值得商榷。
5.2 個別集成正壓通風(fēng)裝置還沒有解決上述4.2的問題,不能應(yīng)用在1區(qū)危險場所,還不能取得px等級的防爆認(rèn)證。
5.3 個別基本型集成正壓通風(fēng)裝置還只能實(shí)現(xiàn)1點(diǎn)壓力值的采樣監(jiān)測,對于多腔體、復(fù)雜結(jié)構(gòu),帶內(nèi)外風(fēng)扇的電機(jī)結(jié)構(gòu),滿足不了要求。
6.1 正壓外殼型電機(jī)的最大正壓值,要考慮進(jìn)口壓力完全放在調(diào)節(jié)器出口處的這種故障模式,以驗(yàn)證泄放裝置限制內(nèi)部壓力的快速反應(yīng)和可靠性,對于壓縮氣體供氣,目前還是取690kPa值比較適合。
6.2 考慮增大接線盒與電機(jī)主腔的貫通面積,提高換氣流量的設(shè)置,電機(jī)整體制成正壓外殼型結(jié)構(gòu)。
6.3 對于有內(nèi)或外風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)電機(jī),最低正壓試驗(yàn)要增加電機(jī)最大額定轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行試驗(yàn),以獲得最低正壓點(diǎn)的位置,電機(jī)外殼內(nèi)的壓力傳感器的布置應(yīng)不止1個。
6.4 考慮研制高功率密度,大流量稀釋氣流正壓外殼型電機(jī),取消電機(jī)內(nèi)外風(fēng)扇,完全依靠稀釋氣流通風(fēng)散熱。但這種結(jié)構(gòu)勢必會增加供氣的電能損耗,還需用戶的認(rèn)可。
6.5 對于粉塵保護(hù)型“pD”,排氣口不宜設(shè)在設(shè)備上,需通過管道連到安全場所出風(fēng)出塵。
正壓外殼型電機(jī)將迎來一個快速發(fā)展的時期,因此加大對此類電機(jī)的技術(shù)改進(jìn)將對其發(fā)展起著重要作用。本文僅從正壓外殼型電機(jī)的防爆角度,分析了其技術(shù)特點(diǎn)以及目前需解決的技術(shù)難點(diǎn),對設(shè)計(jì)制造者提供一些有益的建議和線索,供大家參考。
[1] GB/T 3836.5—2017 爆炸性環(huán)境 第5部分: 由正壓外殼“p”保護(hù)的設(shè)備.
[2] IEC 61241—4可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分:正壓保護(hù)型“pD”.
[3] IEC 60079—2:2014 Explosive atmospheres-Part 2: Equipment protection by pressurized enclosure “p”.