正壓外殼型電機(jī)的防爆技術(shù)特點(diǎn)

(佳木斯防爆電機(jī)研究所， 黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

近年來(lái)，正壓外殼型防爆技術(shù)開(kāi)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(jiàn)的防爆型式，其具有一定的優(yōu)勢(shì)。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(xiǎn)性場(chǎng)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(cè)控制屬于弱電檢測(cè)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(guò)程中來(lái)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(guò)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(duì)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。

1 基本原理和特點(diǎn)

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(gè)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(kāi)，通過(guò)保護(hù)氣體連續(xù)在外殼內(nèi)流動(dòng)維持必要的過(guò)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(wú)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(duì)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(gè)電機(jī)啟動(dòng)前的換氣過(guò)程，過(guò)去稱為啟動(dòng)前吹掃，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)定義為換氣。換氣量的多少通過(guò)型式試驗(yàn)確定，同時(shí)按5倍內(nèi)腔容積換算，兩者取高值。整個(gè)過(guò)程為啟動(dòng)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(shí)，采用連續(xù)氣體稀釋維持正壓才是合理的。

2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

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(xiǎn)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(kāi)關(guān)、控制柜體等。近幾年，國(guó)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(xiǎn)環(huán)境中的防爆產(chǎn)品其生產(chǎn)制造也一直沒(méi)有形成規(guī)模，目前未見(jiàn)有采用此種正壓保護(hù)型“pD”的粉塵防爆電機(jī)。

從國(guó)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(shí)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(duì)于粉塵環(huán)境應(yīng)用正壓保護(hù)，國(guó)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(wèn)題是，正壓外殼并不要求外殼塵密處理，內(nèi)部不可避免會(huì)透入可燃性粉塵，而換氣和連續(xù)氣流通風(fēng)時(shí)，如果沒(méi)有將出風(fēng)管道通到安全場(chǎng)所，現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)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(méi)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(guò)程要求，具體是只在危險(xiǎn)場(chǎng)所開(kāi)蓋后要求，采取何種方式清洗移除，有待于進(jìn)一步理解。

3 邏輯控制保護(hù)

正壓外殼型保護(hù)有一套邏輯動(dòng)作關(guān)系，常用的泄漏補(bǔ)償正壓外殼的簡(jiǎn)單邏輯程序?yàn)椋和L(fēng)吹掃裝置啟動(dòng)-狀態(tài)檢查(如壓力值低于設(shè)定值)-開(kāi)始換氣-待排氣口端的流量計(jì)檢測(cè)到流量大于最小流速時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)-計(jì)時(shí)結(jié)束(換氣結(jié)束)-換氣與電機(jī)啟動(dòng)的互鎖動(dòng)作-電機(jī)啟動(dòng)(同時(shí)進(jìn)入泄漏補(bǔ)償程序，這時(shí)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(guò)程中如遇壓力低于報(bào)警或最低動(dòng)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(shí)主電源斷電等。泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的真值見(jiàn)表1，泄漏補(bǔ)償換氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)見(jiàn)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(kāi)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(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)組成邏輯關(guān)系來(lái)轉(zhuǎn)換或判斷是否成立，這4個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)分別為MOP、XOP、PELO和PTIM，分別代表過(guò)壓>50Pa(對(duì)于PZ型25Pa)、超過(guò)最高過(guò)壓值、換氣流量>最小和換氣時(shí)間結(jié)束。均為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，用真值表示為1和0，4個(gè)信號(hào)有16種組合，表1中均列出。序號(hào)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(shuō)明，如果序號(hào)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(wú)法計(jì)時(shí)，也就是換氣還未開(kāi)始。這時(shí)如果換氣量達(dá)到了最小值，也就是PELO為1，則進(jìn)入序號(hào)14一行的狀態(tài)，開(kāi)始換氣了。換氣計(jì)時(shí)結(jié)束，PTIM為1，壓力值在最低和最高之間，意味著換氣過(guò)程結(jié)束，可以給設(shè)備主電源送電了。

4 技術(shù)難點(diǎn)

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(cè)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(guò)程中有3個(gè)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(cè)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(huì)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(xiǎn)。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(gè)或幾個(gè)微壓計(jì)用于監(jiān)視、報(bào)警或動(dòng)作。必要時(shí)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(wú)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(dòng)機(jī)具有內(nèi)冷風(fēng)扇

4.2 對(duì)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(cè)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(kāi)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(jiǎn)單的機(jī)械膜片，來(lái)確定換氣過(guò)程是否符合要求。

流量監(jiān)測(cè)在正壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是個(gè)難點(diǎn)，不易處理。原因如下：流量?jī)x表本身是電氣元件，在設(shè)備的排氣口處安裝，必要時(shí)還需進(jìn)行防爆處理。排氣口處的壓力不會(huì)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(cè)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(tái)設(shè)備出廠均要求做的。制造廠如何給出這一限制值，來(lái)判斷每一臺(tái)設(shè)備外殼的密封性是否達(dá)標(biāo)，目前還沒(méi)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(guò)型式試驗(yàn)中的泄漏試驗(yàn)得到了最大泄漏流速，對(duì)待這個(gè)實(shí)測(cè)值，出廠時(shí)是放大還是縮小，放大多少可以接受，無(wú)從參考。

5 現(xiàn)有正壓外殼型電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

國(guó)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(jiǎn)單的購(gòu)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(kāi)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(duì)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(gòu)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(gè)方面。

5.1 管徑尺寸固定，換氣流量不夠充沛，對(duì)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(guò)換氣階段后，其內(nèi)部是否還是2區(qū)危險(xiǎn)環(huán)境，值得商榷。

5.2 個(gè)別集成正壓通風(fēng)裝置還沒(méi)有解決上述4.2的問(wèn)題，不能應(yīng)用在1區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所，還不能取得px等級(jí)的防爆認(rèn)證。

5.3 個(gè)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(cè)，對(duì)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 對(duì)正壓外殼型電機(jī)技術(shù)改進(jìn)的建議

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(duì)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(duì)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(gè)。

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(shì)必會(huì)增加供氣的電能損耗，還需用戶的認(rèn)可。

6.5 對(duì)于粉塵保護(hù)型“pD”，排氣口不宜設(shè)在設(shè)備上，需通過(guò)管道連到安全場(chǎng)所出風(fēng)出塵。

7 結(jié)語(yǔ)

正壓外殼型電機(jī)將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，因此加大對(duì)此類電機(jī)的技術(shù)改進(jìn)將對(duì)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(duì)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”.