李世光，伍小杰，于月森，夏晨陽，王新華

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116；2.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510760；3.國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣東），廣東廣州 510760）

中國(guó)工程院《能源發(fā)展戰(zhàn)略2030—2050》中預(yù)測(cè)，截止2050 年，雖然煤炭占一次能源比重控制在50%以下，但仍需25～30 億t，煤炭資源對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展依然發(fā)揮著重要作用。為實(shí)現(xiàn)煤炭的高效安全與智能化開采，煤礦機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用有著巨大的需求，礦用防爆電動(dòng)機(jī)的需求量保持在12 000 000～15 000 000 kW/a 左右，石油、天然氣和化工行業(yè)防爆電動(dòng)機(jī)的需求量達(dá)到800～12 000 000 kW，其他制藥、化工建材、冶金、城市煤氣等其他相關(guān)行業(yè)到10 000 000～12 000 000 kW/a。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)從高速發(fā)展轉(zhuǎn)變成高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略要求，節(jié)約環(huán)保成為電氣傳動(dòng)技術(shù)的改革發(fā)展動(dòng)力[1-2]。

電動(dòng)機(jī)和變頻器組成的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的動(dòng)力源和工藝控制核心能源單元，隨著電力電子器件的迭代更新，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用變得越來越廣泛。在煤礦、石化等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中存在可燃性混合物形成廣泛的爆炸性環(huán)境，電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于電火花和熱表面等潛在點(diǎn)燃源的存在可能引起爆炸，導(dǎo)致人員傷亡和重大損失。如2006年美國(guó)馬薩諸塞州丹佛斯市CAI/Arnel 制造工廠發(fā)生了爆炸造成10 人傷亡，調(diào)查報(bào)告顯示點(diǎn)燃源之一為加熱器散熱風(fēng)機(jī)用電機(jī)[3]。深圳市光明新區(qū)精藝星五金加工廠“4·29”較大爆炸事故造成5 人死亡，5 人受傷，直接原因?yàn)椴捎梅欠辣洼S流風(fēng)機(jī)電機(jī)在持續(xù)負(fù)載導(dǎo)致電機(jī)繞組高溫引燃的火花吹入矩形磚槽除塵風(fēng)道引起粉塵爆炸[4]。2017 年貴州水城礦業(yè)大河邊煤礦“2·27”較大爆炸事故，造成9 人死亡，9 人受傷，事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)機(jī)尾刮板輸送機(jī)電機(jī)內(nèi)腔爆炸引起局部瓦斯爆炸[5]。

為保證變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在爆炸性環(huán)境下的安全運(yùn)行，解決變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的防爆問題成為了不少學(xué)者的研究方向。鑒于此，總結(jié)爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)防爆變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，提出未來發(fā)展方向，為爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防爆技術(shù)研究工作提供參考。

1 監(jiān)管與技術(shù)法規(guī)

國(guó)際上大部分國(guó)家對(duì)防爆產(chǎn)品的檢測(cè)認(rèn)證制定了嚴(yán)格的法規(guī)或指令，并被當(dāng)?shù)卣畯?qiáng)制執(zhí)行。2019年，我國(guó)市場(chǎng)監(jiān)管總局發(fā)布第34 號(hào)文將生產(chǎn)許可轉(zhuǎn)為CCC 強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證管理。歐洲委員會(huì)發(fā)布的ATEX 指令“潛在爆炸環(huán)境用的設(shè)備及保護(hù)系統(tǒng)”2014/34/EU。美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）根據(jù)法規(guī)29 CFR 1910.307，OSHA 通過要求相關(guān)方采購(gòu)和安裝符合國(guó)家電氣規(guī)范NFPA 70 和NEC 500系列。獨(dú)聯(lián)體地區(qū)成立海關(guān)聯(lián)盟“CU-TR”（TP TC 012/2011），統(tǒng)一的認(rèn)證標(biāo)識(shí)為“EAC”。其他地區(qū)多通過法規(guī)的形式采用國(guó)際電工委制訂的IECEx 體系進(jìn)行監(jiān)管。

針對(duì)爆炸性環(huán)境用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全的研究，部分國(guó)家和國(guó)際組織制定出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或指南。我國(guó)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 3836 系列中對(duì)隔爆型、增安型和無火花型電機(jī)提出具體的機(jī)電要求，但由變頻器供電的電機(jī)在GB 3836.1 資料性附錄F 中提出應(yīng)考慮額外溫升、振動(dòng)和噪聲等負(fù)面影響，并提示可能存在軸電壓和軸電流引燃的風(fēng)險(xiǎn)，變頻器與電動(dòng)機(jī)應(yīng)按照系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證，但未給出具體技術(shù)要求和檢測(cè)方案。我國(guó)制訂的JB/T 7118—2014 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、MT/T 1040—2019 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)新增了軸電壓的要求和測(cè)定要求，提出了當(dāng)軸電壓超過300 mV 時(shí)，應(yīng)有防止軸電流的可靠絕緣結(jié)構(gòu)。JB/T 11201.1—2011 標(biāo)準(zhǔn)提出了變頻范圍內(nèi)性能要求、最高表面溫度、噪聲和振動(dòng)的試驗(yàn)方法。

IEEE 發(fā)布的《IEEE 1349 I 類2 級(jí)或2 區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所用電動(dòng)機(jī)應(yīng)用指南》給出了正弦波和非正弦波應(yīng)用的表面溫度測(cè)試方法，總結(jié)了軸承放電現(xiàn)象，并首次在標(biāo)準(zhǔn)中提出了軸承電容放電的簡(jiǎn)易評(píng)估方法[6]。UL 發(fā)布的《UL674 在危險(xiǎn)（分類）場(chǎng)所使用的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)》主要給出了北美體系中I 類1 級(jí)電機(jī)技術(shù)要求和型式試驗(yàn)，針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)僅給出最高表面溫度限制測(cè)試要求和方法。《UL 1836 在I 類2 級(jí)，I 類2 區(qū)，II 類2 區(qū)和22 區(qū)危險(xiǎn)（分類）場(chǎng)所使用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)》給出了北美體系系電動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，同時(shí)參考IEEE 1349 給出了軸承電容放電簡(jiǎn)易評(píng)估方法。

可見，在爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，已有較成熟的單一部件標(biāo)準(zhǔn)，但是作為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)過程產(chǎn)生的負(fù)面因素安全評(píng)估還需深入研究。目前，隨著功能安全概念在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用，針對(duì)涉及爆炸風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備的安全部件防爆功能安全技術(shù)要求，EN 50495：2010 給出了評(píng)估的指引，EN 15233：2007 給出了潛在爆炸性氣體用保護(hù)系統(tǒng)功能安全評(píng)估的方法。同時(shí)國(guó)際電工委發(fā)布了IEC TS 60079－42 技術(shù)報(bào)告。防爆設(shè)備的功能安全評(píng)估存在許多需要深入探討的問題，尚未形成正式標(biāo)準(zhǔn)。

2 爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 爆炸性環(huán)境變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與安全

從系統(tǒng)工程理論的角度來看，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止過程中，會(huì)產(chǎn)生許多涉及安全的故障。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，爆炸性環(huán)境驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置有：直接在線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變頻器安裝在非防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、變頻器和電機(jī)均在防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.1.1 直接在線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直接在線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1。直接在線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為經(jīng)電機(jī)起動(dòng)器直接啟動(dòng)或經(jīng)軟啟動(dòng)器等輔助裝置驅(qū)動(dòng)防爆電動(dòng)機(jī)，該類系統(tǒng)只需通過防爆措施解決單一部件的危險(xiǎn)點(diǎn)燃源，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用根據(jù)不同的防爆區(qū)域采用不同防爆型式電動(dòng)機(jī)。

圖1 直接在線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 Direct on-line motor drive system

2.1.2 變頻器安裝在非防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)

變頻器安裝在非防爆區(qū)為防爆區(qū)電機(jī)供電組成示意圖如圖2。變頻器安裝在非防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)通過防爆用動(dòng)力電纜驅(qū)動(dòng)多種防爆型式電動(dòng)機(jī)，此時(shí)因受場(chǎng)所限制動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜極大可能存在長(zhǎng)距離傳輸?shù)那闆r。研究表明，脈沖波形在長(zhǎng)距離傳輸超過臨界值時(shí)電機(jī)輸入端電壓將接近變頻器輸出端電壓的2 倍，該過電壓對(duì)防爆電動(dòng)機(jī)的絕緣和安全性能產(chǎn)生極大的影響[7]。對(duì)于隔爆型電機(jī)，變頻器帶來負(fù)面影響主要體現(xiàn)在長(zhǎng)距離傳輸過電壓導(dǎo)致電機(jī)接線腔的電氣間隙和爬電距離增大。

圖2 變頻器在非防爆區(qū)域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Drive system structure with VFD installed in non-explosion-proof area

對(duì)于增安型、無火花型防爆電機(jī)，變頻供電條件下主要考慮局部放電引燃爆炸混合物的可能性。文獻(xiàn)[8-9]詳細(xì)地研究了連續(xù)高壓方波脈沖對(duì)牽引電機(jī)絕緣局部放電和空間電荷的行為及機(jī)理、老化特征及表征參量等，設(shè)計(jì)了新的局部放電測(cè)量方法和軟件，研究表明脈沖頻率增加和電壓上升時(shí)間的縮短都會(huì)導(dǎo)致反向電場(chǎng)作用增強(qiáng)，而局部放電加劇將導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣的過早失效。文獻(xiàn)[10-12]為解決爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)局部放電的線監(jiān)測(cè)問題，提出新的傳感器方案，并在實(shí)踐中成功應(yīng)用。目前提出的超聲波、射頻監(jiān)測(cè)法、光學(xué)等檢測(cè)方法均為統(tǒng)計(jì)意義上的平均值，無法精確測(cè)量局部放能量的大小[13]。因此標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.3 和GB 3836.8 均對(duì)增安型和無火型電機(jī)定、轉(zhuǎn)子點(diǎn)燃危險(xiǎn)因數(shù)的潛在的氣隙火花、局部放電危險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用定性評(píng)價(jià)的方法。因此在長(zhǎng)距離傳輸條件下，防爆電動(dòng)機(jī)絕緣等級(jí)需要大幅提高，帶來風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高使用成本。

2.1.3 變頻器和電機(jī)均在防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)

為克服長(zhǎng)距離傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要時(shí)，將變頻器和電機(jī)均安裝于爆炸性環(huán)境，變頻器和電動(dòng)機(jī)均在防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。因變頻器中內(nèi)部電氣部件存在電弧和熾熱表面，僅可采用隔爆型、隔爆兼本安型、油浸型和正壓型。隔爆型電動(dòng)機(jī)和增安型電機(jī)用于1 區(qū)，無火花型電機(jī)用于2 區(qū)，由于增安型不允許有存在電弧或熾熱表面，考慮到旋轉(zhuǎn)編碼器等部件，因此增安型電機(jī)采用閉環(huán)控制其反饋電路只能使用本安電路實(shí)現(xiàn)。而隔爆型電動(dòng)機(jī)和無火花型電動(dòng)機(jī)控制方式可靈活采用防爆用電纜、本安型反饋閉環(huán)控制以及開環(huán)控制等方式。

圖3 變頻器和電動(dòng)機(jī)均在防爆區(qū)域時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Drive system structure with VFD installed in explosion-proof area

考慮防爆型變頻器和防爆型電機(jī)均因防爆措施體積增大，將兩者設(shè)計(jì)在同一個(gè)隔爆外殼可以縮小體積，隔爆變頻驅(qū)動(dòng)一體機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 隔爆變頻驅(qū)動(dòng)一體機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of flameproof variable frequency drive system all-in-one machine

為解決上述難題，文獻(xiàn)[14-17]研究了隔爆變頻驅(qū)動(dòng)一體機(jī)，開展一體機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)及控制策略，電磁兼容優(yōu)化[14]以及隔爆結(jié)構(gòu)與散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15-17]，并研制首臺(tái)隔爆變頻一體機(jī)。

在爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還存在2 個(gè)額外風(fēng)險(xiǎn)。一是PWM 變頻驅(qū)動(dòng)的高次諧波在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了高于工頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額外溫升，從而影響隔爆電機(jī)的最高表面溫度、增安型和無火花電機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子及繞組等部件溫度，研究人員分別從低轉(zhuǎn)速高溫問題、渦流損耗等幾個(gè)方面開展研究，并總結(jié)了溫度測(cè)量和控制的方法[18-20]，德國(guó)物理究院研究人員對(duì)變頻供電增安型電機(jī)損耗、溫度安全評(píng)估以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，提出了變頻供電增安型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、檢測(cè)與認(rèn)證方法[21]；另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是電機(jī)及其負(fù)載的軸承存在軸電壓放電形成放電電流，在普通環(huán)境中該電壓可能對(duì)軸承壽命產(chǎn)生危害，但在爆炸性環(huán)境中該電壓還可能產(chǎn)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)參數(shù)對(duì)軸電流的機(jī)理和模型基本研究清晰的情況下，雖然有很多方法可以減小共模電壓CMV，但即使緩解后，CMV通常仍會(huì)達(dá)到一定水平[22]，此共模電壓通過電機(jī)外殼與轉(zhuǎn)子之間的電容放電時(shí)所產(chǎn)生的火花放電能量（E=C·U2/2）超過可燃混合物的最小點(diǎn)燃能量[23]時(shí)進(jìn)行評(píng)估[18,24]。

國(guó)內(nèi)YB2 系列不同功率大小隔爆電機(jī)的隔爆外殼與轉(zhuǎn)子間電容如圖5，由圖5 中可知?dú)庀洞笮?duì)電容值C 影響較大。假如200 kW 電機(jī)軸電壓為U=70 V，根據(jù)圖5 中曲線得C=0.08 μF，則點(diǎn)燃能量E=C·U2/2=0.213 μJ，大于文獻(xiàn)[23]標(biāo)準(zhǔn)中IIB 和IIC的點(diǎn)燃能量限值，一旦發(fā)生放電可能發(fā)生爆炸事故?？梢?，存在較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同功率隔爆電機(jī)外殼與轉(zhuǎn)子之間電容Fig.5 Capacitance of enclosure-rotor at different power

2.2 防爆變頻器

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

因變頻器內(nèi)電火花和高溫都會(huì)成為點(diǎn)燃源，通用變頻器無法改造為增安型變頻器使用，其防爆功能一般通過增加隔爆外殼的方法改造為防爆變頻器。大功率防爆變頻器必須從設(shè)計(jì)之初考慮隔爆外殼、正壓外殼、散熱結(jié)構(gòu)及電力電子電路等設(shè)計(jì)。在方便獲取氣源處將變頻器放置在通有保護(hù)氣體的正壓型外殼內(nèi)，并通入保護(hù)氣體隔離點(diǎn)燃源[25]。

隔爆外殼的防爆功能設(shè)計(jì)原則是在滿足標(biāo)準(zhǔn)的耐爆性和隔爆性前提下，主要由外質(zhì)材料和機(jī)械強(qiáng)度來保證，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)殼體平面進(jìn)行應(yīng)力分析獲得殼體壁板厚度、隔爆接合面以及加強(qiáng)筋等理論參數(shù)，采用有限元分析方法對(duì)殼體優(yōu)化仿真，并完成最終設(shè)計(jì)[26]。從外形上看，球形殼體爆炸壓力大于長(zhǎng)方體殼體，且長(zhǎng)方體方便制造和維修，目前變頻均通過多個(gè)長(zhǎng)方體腔體組合的方案。因此，外形上的研究更多的集中在防爆結(jié)構(gòu)與散熱結(jié)構(gòu)的配合上。

防爆變頻器的散熱方案根據(jù)功率大小分別采用自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷散熱和熱管散熱4 種散熱方式[27]。一般而言，小功率防爆變頻器采用自然風(fēng)冷通過殼體金屬進(jìn)行導(dǎo)熱；強(qiáng)制風(fēng)冷方式在密封性較好的隔爆殼體內(nèi)部，存在無法降至室溫以下，風(fēng)扇有壽命限制等并不太適用，但是在正壓防爆變頻器中將正壓功能與散熱功能統(tǒng)一，因此主要應(yīng)用于正壓型防爆變頻器；目前大功率防爆變頻器主要采用水冷散熱方式和熱管散熱的方式，但水冷散熱需要密封式水循環(huán)系統(tǒng)增大體積和復(fù)雜度、維護(hù)難的特點(diǎn)，在空間有限制的場(chǎng)所用防爆變頻器更多采用熱管散熱的方式。

2.2.2 電氣設(shè)計(jì)分析

變頻器根據(jù)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交-交和交-直-交，分別稱為直接式變頻器和間接式變頻器，間接接式變頻器器頻率調(diào)節(jié)范圍寬，適用于各種傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)[28]。變頻器中的逆變器根據(jù)直流源的不同分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，電流源型逆變器系統(tǒng)因電感存在可以使負(fù)載瞬間短路和電力電子器誤導(dǎo)通使系統(tǒng)更可靠，但與負(fù)載特性之間匹配要求更高，且不能空載和開環(huán)運(yùn)行，1 個(gè)逆變器帶多個(gè)負(fù)載更困難。因此，目前在大功率礦用防爆變頻器應(yīng)用采用更加靈活的電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)。

防爆變頻器中的逆變器按主電路分為兩電平結(jié)構(gòu)和多電平結(jié)構(gòu)。目前兩電平逆變電路因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用更普遍，但其輸出諧波量較大，在高電壓等級(jí)的應(yīng)用中存在很高的dV/dt 和共模電壓，對(duì)負(fù)載帶來負(fù)面影響，而多電平除了控制復(fù)雜外，可有效克服兩電平結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。隨著煤礦生產(chǎn)設(shè)備單機(jī)功率不斷增大，供電電壓等級(jí)已提高到3.3、6、10 kV 等，所以多電平結(jié)構(gòu)的防爆變頻器越來越受歡迎[25,29]。變頻器主電路應(yīng)設(shè)計(jì)在隔爆外殼或正壓外殼內(nèi)，輔助電源、控制電路及通信接口電路設(shè)計(jì)為本安關(guān)聯(lián)電路，隔爆變頻器內(nèi)部防爆單元?jiǎng)澐秩鐖D6。

圖6 隔爆變頻器內(nèi)部防爆單元?jiǎng)澐諪ig.6 Flameproof frequency converter internal explosion-proof unit partition

電力電子器件動(dòng)作產(chǎn)生大量的高頻干擾信號(hào)，通過傳導(dǎo)和輻射方式產(chǎn)生干擾。電子設(shè)備的電磁兼容的研究已較為成熟，主要從硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程2 個(gè)方面，抑制和減少干擾源，隔斷干擾路徑。但是由于防爆變頻器被限制在隔爆腔體內(nèi)，受空間的制約，上述措施應(yīng)用有較大的局限性，主要通過改變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制策略等技術(shù)手段來解決電磁兼容問題和異常溫升[30-31]。

綜上分析，爆炸性環(huán)境下變頻器的防爆功能更多通過隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，防爆措施和應(yīng)用場(chǎng)所的特性給變頻器帶來許多負(fù)面影響則通過電氣結(jié)構(gòu)和控制策略來實(shí)現(xiàn)。

2.3 防爆電動(dòng)機(jī)

對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，點(diǎn)燃源可以是機(jī)械的或電氣的。由絕緣導(dǎo)體和地面之間，相與相之間或匝間絕緣故障，或者由于轉(zhuǎn)子電路故障，可能會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花。同時(shí)，高溫的電機(jī)表面（包括定子繞組，轉(zhuǎn)子條，軸承和電加熱器）也可能成為點(diǎn)燃源。

1）對(duì)于隔爆型電機(jī)，隔爆外殼通過保留隔爆間隙的接合面把內(nèi)部發(fā)生爆炸的可燃性混合物隔離熄滅從而達(dá)到防爆的目的。因此，對(duì)于隔爆型電機(jī)的研究重點(diǎn)是外殼的隔爆和散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從最早可查的文獻(xiàn)是1944 年的防爆電機(jī)的發(fā)明專利。國(guó)內(nèi)陸續(xù)研究高速高壓隔爆電機(jī)、YB2 隔爆電動(dòng)機(jī)隔爆結(jié)構(gòu)吊環(huán)孔、高級(jí)別大容量隔爆型電動(dòng)機(jī)軸承結(jié)構(gòu)和稀油潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)等[32]。近年來，隨著節(jié)能高效安全的要求，主要集中在節(jié)能和散熱，并采用限元分析等手段優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)[33]。

2）增安型和無火花型三相異步電動(dòng)機(jī)是通過提高可靠性防止其內(nèi)部產(chǎn)生危險(xiǎn)高溫、電弧和火花等可能性點(diǎn)燃源來實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的。國(guó)內(nèi)陸續(xù)研制了增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)、增安型變頻電機(jī)、增安型永磁同步電機(jī)、無火花型電機(jī)等[34-35]。目前主要重點(diǎn)解決高壓增安型電機(jī)、變頻器供電電機(jī)和增安型永磁電機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外近期主要對(duì)高壓增安型高壓電機(jī)局部放電因素如絕緣結(jié)構(gòu)、間距、材料等因素的試驗(yàn)研究，分析出了高壓增安型電機(jī)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)[36]，提出新的絕緣結(jié)構(gòu)[38]。同時(shí)，對(duì)增安型電機(jī)設(shè)計(jì)、點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定和測(cè)試進(jìn)行了研究[38-40]，同時(shí)為降低變頻供電異常溫升，設(shè)計(jì)專用變頻用增安型電機(jī)，并在國(guó)內(nèi)得到良好應(yīng)用[41]。在美國(guó)NEC501-8（b）條明確規(guī)定：“在1 類2 級(jí)場(chǎng)所內(nèi)應(yīng)允許安裝無電弧非防爆外殼的電機(jī)，與無火花型防爆電機(jī)基本相同。

3）其他。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展，其在滿負(fù)荷或部分負(fù)荷范圍內(nèi)較高的節(jié)能潛力，研究人員對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)在防爆領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、認(rèn)證、高溫和腐蝕危險(xiǎn)失效行為等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，給出了永磁電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的差異[42-45]。

3 存在的問題與發(fā)展方向

1）極限溫度下防爆變頻器可靠性的發(fā)展方向。高溫應(yīng)用的防爆變頻器在保證溫度組別限制的條件下通過各種散熱措施和控制策略盡量降低防爆變頻器內(nèi)部器件的溫度，但對(duì)變頻器內(nèi)部元器件來說因隔爆措施密封效果始終處于較高溫狀態(tài)，例如礦用設(shè)備最高表面溫度在煤塵覆蓋下允許150 ℃，那么內(nèi)部器件表面只可能比這個(gè)溫度更高，而常規(guī)的電力電子器件正常工作溫度范圍20～100 ℃之間，其壽命和可靠性每升高1 ℃減少1/2，因此采用新型電力電子器件，如采用SiC 電力電子器件，在高溫環(huán)境可靠應(yīng)用將是未來重要的發(fā)展方向之一。而防爆變頻器在極寒條件下同樣會(huì)影響隔爆外殼材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。

2）爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全評(píng)估的發(fā)展方向。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)工藝設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)備，其作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，并非單一部件的安全意味著系統(tǒng)安全，應(yīng)對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體安全評(píng)估進(jìn)行研究。如長(zhǎng)電纜傳輸帶來過電壓?jiǎn)栴}后可能出現(xiàn)的電纜絕緣、電機(jī)絕緣、甚至變頻器絕緣系統(tǒng)的局部放電從而產(chǎn)生危險(xiǎn)；因變頻器供電帶來的軸電壓放電可能在負(fù)載軸承端或在電機(jī)軸承端發(fā)生放電產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)；由變頻器供電的隔爆電機(jī)可能產(chǎn)生額外高溫風(fēng)險(xiǎn)；由變頻器供電的增安型電機(jī)和無火花型電機(jī)增加的溫度保護(hù)裝置、過載保護(hù)以及啟動(dòng)時(shí)可燃?xì)怏w探測(cè)等額外保護(hù)功能失效風(fēng)險(xiǎn)。上述這些危險(xiǎn)通常在單個(gè)的部件中并不出現(xiàn)，但是連接成為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)會(huì)突現(xiàn)出來，而目前標(biāo)準(zhǔn)中并未考慮的問題，這些需要結(jié)合系統(tǒng)安全理論對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估是未來重要的發(fā)展方面之一。

3）新型防爆變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著節(jié)能、可移動(dòng)性和小型化的需求增加，將防爆變頻器和防爆電動(dòng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)為新型隔爆變頻驅(qū)動(dòng)一體機(jī)系統(tǒng)，是未來應(yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)，如防爆專用機(jī)動(dòng)車輛。集中化和模塊化帶來了防爆、散熱和電磁兼容相互矛盾的問題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)可移動(dòng)性的要求，通常將動(dòng)力電池（鋰電池、燃料電池）、變頻器、電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在同一個(gè)隔爆外殼內(nèi)形成可移動(dòng)新能源變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)閯?dòng)力電池在變頻器和電動(dòng)機(jī)工作下產(chǎn)生的熱量會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)期的熱失控和防爆功能安全應(yīng)用的問題。由此帶來的動(dòng)力電池在爆炸性環(huán)境進(jìn)行無線充放電的問題也是未來的發(fā)展方向之一。對(duì)于新型防爆永磁電動(dòng)機(jī)而言，永磁材料在爆炸性環(huán)境下導(dǎo)致的極限工作條件下安全可靠應(yīng)用研究也是未來的發(fā)展方向之一。

4 結(jié) 語

從爆炸性環(huán)境安全應(yīng)用的角度出發(fā)，討論了變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)認(rèn)證及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)闡述防爆變頻器、防爆電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)了爆炸性環(huán)境下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，討論不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究側(cè)重點(diǎn)。將防爆變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尚需進(jìn)一步解決的主要問題歸納為極限溫度下變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)安全技術(shù)與評(píng)估和隔爆變頻驅(qū)動(dòng)一體機(jī)等新型變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等3 個(gè)方面。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為煤礦、石油、化工等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)單元，防爆安全一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的首要，隨著高性能電力電子元器件的更新，一些新的問題也會(huì)相繼出現(xiàn)，相關(guān)的防爆性能研究也更應(yīng)該及時(shí)跟進(jìn)，防爆功能安全研究前景可期。