爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣設(shè)計(jì)探討

李 慧, 鄒越華

[1.悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司, 江蘇 蘇州 215000;2.蘇州市吳江區(qū)建設(shè)審圖有限公司, 江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

我國(guó)自2014年10月1日起實(shí)施GB 50058—2014 《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](簡(jiǎn)稱《爆規(guī)》),對(duì)防止爆炸事故發(fā)生,起到了重要作用。

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所采用防爆電器的目的就是為了防止電弧外泄和高溫引起的爆炸事故,是目前最主要的電氣防爆措施,這是根本的防爆措施,適用于任何需要防爆的場(chǎng)所。

在三相設(shè)備較多的防爆場(chǎng)所(如礦井),采用三相IT系統(tǒng);在無(wú)三相設(shè)備的防爆場(chǎng)所,采用單相IT系統(tǒng),除了可以提高供電可靠性外,直接就可以防止電弧產(chǎn)生。在無(wú)三相設(shè)備的防爆場(chǎng)所,還可以在單相回路裝設(shè)故障電弧斷路器,以減少電弧存在時(shí)間,避免危險(xiǎn)高溫產(chǎn)生。這些都是適當(dāng)?shù)妮o助防爆措施。

筆者所在地區(qū)的爆炸危險(xiǎn)項(xiàng)目都比較小,大部分都是無(wú)三相設(shè)備的,本文以無(wú)三相設(shè)備爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所采用醫(yī)用單相隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)為例,主要探討其合理性和可行性。

1 防爆場(chǎng)所特性

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所發(fā)生爆炸,有空氣、濃度和點(diǎn)燃源三個(gè)因素,缺一不可。

(1) 濃度:在爆炸性氣體環(huán)境中,存在可燃?xì)怏w、可燃液體的蒸氣或薄霧等爆炸性氣體混合物,且濃度在爆炸極限以內(nèi)。在爆炸性粉塵環(huán)境中,存在爆炸性粉塵混合物,且濃度在爆炸極限以內(nèi)。

(2) 點(diǎn)燃源:在爆炸性氣體環(huán)境中,存在足以點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫。在爆炸性粉塵環(huán)境中,存在足以點(diǎn)燃爆炸性粉塵混合物的火花、電弧、高溫 、靜電放電或能量輻射。

降低爆炸性混合物濃度的相關(guān)措施如下:

(1) 在爆炸性氣體環(huán)境中,應(yīng)按照《爆規(guī)》第3.1.3條第2款,采取消除或減少可燃物質(zhì)的釋放及積聚的措施;按照《爆規(guī)》第3.1.3條3款,采取防止爆炸性氣體混合物的形成或縮短爆炸性氣體混合物的滯留時(shí)間的措施。

(2) 在爆炸性粉塵環(huán)境中應(yīng)按照《爆規(guī)》第4.1.4條第3款,采取消除或減少爆炸性粉塵混合物產(chǎn)生和積聚的措施。

電氣設(shè)備以及非電氣設(shè)備均存在著電磁輻射、光輻射、超聲波輻射、 機(jī)械火花和靜電、雷電、射頻電磁波、光輻射、電離輻射、絕熱壓縮、沖擊波、放熱化學(xué)反應(yīng)、粉塵等的自燃放熱反應(yīng)等多種點(diǎn)燃源。

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電弧和危險(xiǎn)高溫是發(fā)生爆炸最主要的點(diǎn)燃源。

2 常見(jiàn)防爆場(chǎng)所特性

目前常見(jiàn)的防爆措施是在單相回路裝設(shè)故障電弧斷路器。在電弧故障災(zāi)害中,以接地電弧故障導(dǎo)致災(zāi)害的危險(xiǎn)最大,因?yàn)殡娀【哂泻艽蟮淖杩购碗妷航?限制了故障電流,使過(guò)電流防護(hù)電器不能動(dòng)作或不能及時(shí)動(dòng)作來(lái)切斷電源,幾個(gè)安培電弧的局部高溫可高達(dá)3 000～4 000 ℃,足以破壞具有防爆保護(hù)結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備而引起爆炸。常見(jiàn)的電路保護(hù)裝置如剩余電流保護(hù)裝置、過(guò)載保護(hù)裝置、斷路器等,都無(wú)法對(duì)故障電弧進(jìn)行有效保護(hù)。因此,在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的單相末端電氣線路上裝設(shè)故障電弧斷路器來(lái)減少電弧存在時(shí)間,避免危險(xiǎn)高溫產(chǎn)生,是有效的輔助防爆措施之一。

但畢竟是產(chǎn)生了電弧,故障電弧斷路器才能動(dòng)作,一旦故障電弧斷路器失效,故障電弧仍然有存在的可能。有沒(méi)有比故障電弧斷路器更好的保護(hù)方式呢？筆者認(rèn)為是存在的,那就是采用IT系統(tǒng),對(duì)于無(wú)三相設(shè)備的爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所采用隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)是簡(jiǎn)單易行的辦法,可以直接消除接地電弧故障。

需要指出的是:這種IT系統(tǒng),只能消除危害最大的接地電弧故障,而無(wú)法消除接觸不良引起的電弧。接觸不良引起的電弧,還是只能依靠故障電弧斷路器動(dòng)作來(lái)消除。

3 IT系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求

對(duì)于IT系統(tǒng),電源端的帶電部分不接地或有一點(diǎn)通過(guò)阻抗接地,電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地。IT系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 IT系統(tǒng)示意圖

IT系統(tǒng)特點(diǎn)是:相導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分(或地)之間的第一次絕緣故障時(shí),故障電流非常小,所以系統(tǒng)的安全性、可靠性、連續(xù)性高。

一般情況下,有

RA·Id≤50 V

式中:RA——電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與大地間的電阻;

Id——相導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分之間出現(xiàn)阻抗可以忽略的第一次故障時(shí)電流。

注意,Id的值要計(jì)及泄漏電流和電氣裝置總對(duì)地阻抗。

按照GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第5.2.20條和GB 14050—2008《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》[3]第5.4.2條,為了在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并消除相導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分(或地)之間的第一次故障,系統(tǒng)中必須裝設(shè)能發(fā)出聲或光信號(hào)的絕緣監(jiān)視裝置。

按照《爆規(guī)》第5.5.1條,爆炸性環(huán)境中的IT型電源系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置。

4 隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)

IT系統(tǒng)可以通過(guò)隔離變壓器,由TT和TN系統(tǒng)轉(zhuǎn)換獲得,簡(jiǎn)單易行。

根據(jù)變壓器的變比公式U1/U2=N1/N2、I1/I2=N2/N1,可以知道1∶1隔離變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓、電流是相同的。

隔離變壓器的主要作用:電氣隔離,隔離一次電源回路,二次回路對(duì)地浮空,把接地系統(tǒng)改為不接地系統(tǒng);通過(guò)磁飽和原理,可消除過(guò)電壓。

以單相隔離變壓器為例,其特點(diǎn)是輸出端兩根導(dǎo)線均不接地,這兩根導(dǎo)線雖然都是帶電導(dǎo)體,但當(dāng)發(fā)生第一根導(dǎo)線絕緣故障時(shí),由于另一根導(dǎo)線未接地,而不構(gòu)成回路,故障電流是系統(tǒng)對(duì)地電容電流(泄漏電流)。此電流非常小,不足以產(chǎn)生接地故障電弧。因此,只要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并消除隔離變壓器第一根導(dǎo)線絕緣故障,就能防止接地故障電弧的產(chǎn)生。

隔離變壓器有廣泛的用途,適用于安全、隔離、剩余電流小、凈化電源、消除三次諧波及抑制共模干擾的場(chǎng)合,用于交流50～400 Hz、電壓1 000 V以下的電路中,廣泛用于照明、機(jī)床電器、機(jī)械電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、整流裝置等。利用其安全、可靠、連續(xù)性高的特點(diǎn),目前隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)與手術(shù)室、ICU/CCU 重癥監(jiān)護(hù)室等重要的醫(yī)療2類場(chǎng)所關(guān)聯(lián)度較高,這類IT系統(tǒng)統(tǒng)稱為醫(yī)用IT系統(tǒng)。

同樣可以利用其發(fā)生第一次絕緣故障時(shí),故障電流非常小的特點(diǎn),隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)適用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所。

由于無(wú)三相設(shè)備爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的用電量比較小,一般只需要醫(yī)用單相隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)。

在具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,可以按照絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置要求不同,采用以下兩種系統(tǒng)形式:

(1) 絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅設(shè)在隔離變壓器輸出端,適用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域少或小的工程,絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在隔離變壓器輸出端如圖2所示。

圖2 絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在隔離變壓器輸出端

(2) 絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)設(shè)在隔離變壓器輸出端和出線回路上,可以對(duì)故障進(jìn)行定位,適用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域比較多或需要精確定位的工程。絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)設(shè)在隔離變壓器輸出端和分回路如圖3所示。

圖3 絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)設(shè)在隔離變壓器輸出端和分回路

當(dāng)監(jiān)測(cè)到發(fā)生第一次絕緣故障部位后,可自動(dòng)或手動(dòng)切斷電源,以便盡快更換有問(wèn)題線纜。

采用帶通信接口的絕緣監(jiān)視儀、絕緣故障定位儀和智能斷路器時(shí),利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以用手機(jī)微信實(shí)時(shí)對(duì)多個(gè)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所絕緣故障定位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),報(bào)警信息推送至手機(jī),并可通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程斷電、上電。

采用隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)時(shí),應(yīng)注意如下事項(xiàng):

(1) 采用電氣隔離保護(hù)方式的電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分及外界可導(dǎo)電部分應(yīng)嚴(yán)禁接地。

(2) 隔離變壓器二次側(cè)應(yīng)全極裝設(shè)保護(hù)電器。

(3) 隔離變壓器二次側(cè)電壓過(guò)高和線路過(guò)長(zhǎng),都會(huì)降低絕緣水平,增大絕緣故障電流,因此必須限制電壓與長(zhǎng)度,電壓與長(zhǎng)度的乘積UL≤100 000 V·m。

(4) 等電位聯(lián)結(jié)。電氣隔離的等電位聯(lián)結(jié)如圖4所示。如果沒(méi)有等電位聯(lián)結(jié)線,當(dāng)隔離回路中兩臺(tái)相距較近的設(shè)備發(fā)生不同相線的碰殼故障時(shí),這兩臺(tái)設(shè)備的外殼將帶有不同的對(duì)地電壓。如果有人同時(shí)觸及這兩臺(tái)設(shè)備,則接觸電壓為線電壓,電擊危險(xiǎn)性極大。因此,如隔離回路帶有多臺(tái)用電設(shè)備(或器具),則各臺(tái)設(shè)備(或器具)的金屬外殼應(yīng)采取等電位聯(lián)結(jié)措施。這時(shí)所用插座應(yīng)帶有等電位聯(lián)結(jié)的專用插孔。

圖4 電氣隔離的等電位聯(lián)結(jié)

5 結(jié) 語(yǔ)

在防爆場(chǎng)所宜優(yōu)先采用IT系統(tǒng)。在無(wú)三相設(shè)備的防爆場(chǎng)所宜優(yōu)先選用單相隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng),同時(shí)單相末端回路宜采用故障電弧斷路器。采用這些措施后,防爆可靠性會(huì)大大提高。

值得思考的問(wèn)題是:在無(wú)三相設(shè)備的防爆場(chǎng)所,采用了隔離變壓器構(gòu)成的IT系統(tǒng)供電,同時(shí)單相末端回路采用故障電弧斷路器后,由于沒(méi)有對(duì)電氣設(shè)備防爆結(jié)構(gòu)防護(hù)和線路保護(hù)管造成損害的因素,可否降低防爆電氣設(shè)備的防爆防護(hù)等級(jí)和線路安裝要求?這必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和檢驗(yàn)以后,才能得到結(jié)論,在正式結(jié)論出現(xiàn)之前,必須嚴(yán)格按照《爆規(guī)》執(zhí)行。