Искробезопасные двигатели и генераторы

Искробезопасность

Синхронные и индукционные двигатели и генераторы с гарантированной искробезопасной эксплуатацией
ГЁРАН ПАУЛССОН, ЙОХАН КАРЛССОН, ЮССИ РАУТЭЭ - Электрические двигатели и генераторы - основа нашей промышленности, самый необходимый элемент для приводных компрессоров и насосов, а также для выработки электроэнергии. Поскольку, это - электрические устройства, они представляют существенный риск при эксплуатации во взрывоопасной среде, например, в нефтегазовой промышленности. Искра, горячая поверхность или высокое электрическое поле, например, электрическая корона (жужжащий звук, который иногда можно услышать под высоковольтной линией) - всё это является потенциальной угрозой безопасности в среде, насыщенной взрывоопасными газами. Крупные синхронные и индукционные двигатели, разработанные концерном АББ, сертифицированы в соответствии с последними требованиями к безопасности, международным стандартам МЭК, гарантирующим искробезопасную эксплуатацию.

Конструкция и сертификация высоковольтных синхронных и индукционных двигателей АББ сокращает время на запуск и снижает требования к обслуживанию.

Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовление электродвигателя весом 80 тонн по-прежнему требует огромного ручного труда.

В течение многих лет концерн АББ предпринимал шаги в области проектирования и производства, направленные на превышение официальных стандартов качества и безопасности, являющихся первостепенными для заказчиков. В 2010 году все крупные синхронные двигатели и генераторы концерна были сертифицированы в соответствии с самыми строгими международными стандартами (МЭК 6007915:2010 и МЭК 60079-7:2006); сегодня вся линейка низко- и высоковольтных двигателей и генераторов концерна АББ сертифицирована для эксплуатации на опасных участках рис. 1.
Заказчики, применяющие не протестированное или не сертифицированное оборудование, обычно оснащают двигатель вытеснительной системой подачи топлива, что приводит к большим расходам на воздушные компрессоры большой ёмкости, монтаж трубопровода и блок управления вентиляцией. Проводя испытания и сертификацию своих двигателей, АББ помогает своим покупателям рационализировать процессы оценки производственных рисков.
Преимущества подхода АББ к этой проблеме включают снижение капитальных затрат, уменьшение эксплуатационных расходов и ускоренный запуск двигателя. Кроме того, благодаря отсутствию дополнительно требуемых компонентов повышается надёжность. Сертификация также может существенно снизить издержки. Например, на нефтеперерабатывающем заводе вентилирование двигателя в течение всего лишь получаса вызовет существенные расходы из-за простоя и невыпущенной продукции.
Разработка стандартов МЭК 60079 началась после нескольких серьёзных происшествий - взрывов из-за искрения двигателей, работающих во взрывоопасных условиях нефтяных и газовых платформ в Северном море, случившихся в 1980-е и 1990-е годы рис. 2. Совместно с Национальным физико-техническим институтом Германии (Physikalisch- Technischen Bundesanstalt, PTB) и компанией Shell, концерн АББ представил доклад [1] на расширенной европейской конференции IEEE PCIC 1 в 2008 г. Стандарты, представленные в данной работе, были разработаны Международной Электротехнической Комиссией (МЭК), организацией, ведущей свою деятельность на протяжении свыше ста лет и занимающейся преимущественно вопросами международных правил и стандартов рис. 3. В течение долгих лет, стандарты и
Примечание
1 IEEE PCIC - Институт инженеров по электротехнике и электронике и Комитет по нефтяной и химической промышленности

испытания, сформулированные этой организацией, стали для отрасли, производящей электродвигатели, чем-то вроде лицензии на изготовление и продажу безопасных и эффективных в эксплуатации электродвигателей.

1. Принципы взрывозащиты

Окружающая среда в химической, нефтяной и газовой отраслях подразделяется на опасную и безопасную. В опасной окружающей среде содержатся потенциально взрывоопасные составляющие, такие как газы, пары, дымка или пыль. Такие среды подразделяются по степени риска на основе наличия и концентрации взрывоопасных веществ:

1. Зона 0 - Постоянная взрывоопасность.
2. Зона 1 - Взрывоопасность среды в период порядка 1000 часов в год.
3. Зона 2 - Взрывоопасность среды в период порядка 10 часов в год.

Для машины, размещённой в опасной среде, необходимы различные типы защиты для предотвращения возгорания любого возможного взрывоопасного вещества. Международные стандарты определяют типы защиты, обеспечивающие промышленную деятельность в двух зонах, 1 и 2. Целью такой защиты является предотвращение потенциальных источников взрывной опасности, в число которых входят, как правило, горячие поверхности и искры.

Особое внимание при размещении катушек внутри статора должно быть уделено обеспечению достаточного расстояния во избежание коронных разрядов.

АББ и стандарты
Концерн АББ выпускает два типа электрических двигателей высокого напряжения - синхронный и индукционный - на заводах в Швеции, Финляндии, Италии, Южной Африке, Китае и Индии. Синхронный электродвигатель - это двигатель переменного тока, который отличает скорость вращения, пропорциональная частоте источника переменного тока; т.е., двигатель работает синхронно. Намагничивание ротора обычно производится внешним устройством. Эти двигатели могут проектироваться для постоянной работы в среде 2 зоны опасности, и классифицируются как «Ex nA, искробезопасные машины».

5 Обмотанный и пропитанный статор, готовый к дальнейшей сборке

1. Поперечное сечение изолированной высоковольтной катушки

2 Типы защиты «п» и «е»

Стандарт МЭК 60079-15:2010 определяет требования, предъявляемые к строительству, испытаниям и нанесению отметок для электрооборудования Группы II с типом защиты «п» (искробезопасная), предназначенного для применения в среде с наличием взрывоопасных газов в зоне 2. Данный стандарт применяется к электрооборудованию, номинальное напряжение которого не превышает 15 кВ среднеквадратичного значения переменного или постоянного тока. Стандарт МЭК 60079-7:2006 определяет требования, предъявляемые к строительству, испытаниям и нанесению отметок для электрооборудования Группы II с типом защиты «е» (усиленная безопасность), предназначенного для применения в среде с наличием взрывоопасных газов в зонах 1 и 2. Данный стандарт применяется к электрооборудованию, номинальное напряжение которого не превышает 11 кВ среднеквадратичного значения переменного или постоянного тока.

1. Стандарты МЭК

15 сентября 1904 года делегаты Международного Электрического Конгресса в Сент-Луисе, штат Миссури, США, приняли доклад, в который было включено следующее предложение: «Должны быть предприняты шаги с тем, чтобы обеспечить сотрудничество технических кругов всего мира посредством создания представительной комиссии для рассмотрения вопроса стандартизации номенклатуры и номинальных характеристик электрических устройств и машин».
В соответствии с этим решением в июне 1906 в Лондоне и была основана МЭК. С тех пор МЭК занимается разработкой стандартов, правил безопасности, испытаниями и спецификациями комплектующих для электротехнических отраслей промышленности всего мира. В задачи группы входит всё - от конденсаторов, резисторов, полупроводников, приборов радиосвязи и электрического оборудования до электродвигателей.
В 1930 году МЭК способствовала установлению, в том числе, герца (Гц) в качестве единицы частоты, гаусса (G) в качестве единицы плотности магнитного потока и гильберта (Gi) в качестве единицы магнитодвижущей силы.
В 2005 МЭК опубликовала многоязычный словарь электротехнических терминов на 13 языках.

Индукционный или асинхронный двигатель - это двигатель переменного тока, в котором ротор намагничивается посредством электромагнитной индукции, но скорость его вращения немного ниже синхронной скорости; т.е. двигатель работает асинхронно. Эти двигатели могут проектироваться для постоянной работы в среде 1 зоны опасности, и они также известны как «Ex e, машины с повышенной безопасностью».
28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК для оборудования, помещённого во взрывоопасную среду. Основываясь на предыдущих разработках и испытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхронных и индукционных двигателей высокого напряжения и генераторов была приведена в соответствие с этими стандартами. Остальное оборудование было приведено в соответствие в течение 2010 г.
Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовление электродвигателя весом 80 тонн по- прежнему требует огромного ручного труда. Например, на заводе АББ в городе Вестерос (Vasteras) в Швеции, приблизительно 200 двигателей и генераторов в год производятся на заказ в точном соответствии с техническими заданиями покупателей. На этом предприятии рабочие с помощью специального станка кропотливо сгибают полосы изолированной миканитом меди размером с указательный палец, чтобы придать необходимую точную форму рис. 4. На следующем этапе готовые катушки изолируются дополнительным слоем миканита до помещения в статор.

1. Испытания

Испытания на соответствие стандарту МЭК 60079-15:2010 в части искробезопасности двигателей и генераторов требуют трёхминутного теста статора во взрывоопасной газообразной окружающей среде. Тест является обязательным для двигателей с номинальным напряжением свыше 1 кВ, эксплуатируемых в среде с присутствием, например, водорода, этилена или ацетилена, и свыше 6,6 кВ для двигателей, эксплуатируемых в среде со следами пропана, дизельного топлива, ацетона, этана, аммиака и доброй дюжины других взрывоопасных газов и паров.

Во время теста обмотка статора покрывается слоем пластика, который затем наполняется взрывоопасным газом, таким как смесь водорода с воздухом, как показано на рисунке справа. Затем статор подвергается изменению и увеличению напряжения (синусоидального) до определённого испытательного уровня. Если произойдёт взрыв газа, вызванный слабой искрой в обмотке статора, то пластик сломается и даст выход волне давления. Определённое для испытаний напряжение в полтора раза превосходит номинальное. Чтобы результаты испытаний были признаны успешными, не должно произойти возгорания взрывоопасной газовой смеси.
В соответствии с испытаниями, проведёнными Национальным физико-техническим институтом Германии (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, PTB) в 2004 и 2009 гг., статоры производства АББ искробезопасны до 13,8 кВ включительно для водорода (представляющего группу газов IIC) и 15 кВ для этилена и пропана (представляющих группы газов IIB и IIA).
Для индукционного двигателя с ротором типа «беличья клетка», ротор также испытывается во взрывоопасной газообразной среде на возможное возгорание от стержней ротора. Такой тест на возгорание ротора не представляется необходимым для синхронного ротора из-за различий в конструкции.
В этом же стандарте, МЭК 60079, определены соответствующие испытания индукционных двигателей с улучшенной защитой от возгорания.

Физика электрических двигателей является относительно несложной и хорошо понятна многим; тонкости проявляются в том, что касается изоляции медных катушек, которые вворачиваются в статор и связываются друг с другом стекловолоконным тросом. Затем весь статор пропитывается эпоксидной смолой; этот процесс называется пропиткой под вакуумным давлением (VPI). После пропитки статор сушится в печи, чтобы приобрести свои окончательные электрические и механические свойства рис. 5.
Такая система изоляции Micadur®- Compact Industry (MCI) гарантирует герметичную и однородную изоляцию, приводящую к низким диэлектрическим потерям, высокой электрической и механической прочности и отличной теплопередаче в самом статоре. Тогда как такая изоляция является опробованной и зарекомендовавшей себя с наилучшей стороны, особое внимание при размещении катушек внутри статора должно уделяться обеспечению достаточного расстояния во избежание коронных разрядов. Если катушки расположены чрезмерно близко друг к другу, существует риск возникновения электрической короны. Наличие достаточного объёма воздуха между катушками и оптимизация их расположения позволяет установке работать с максимальной эффективностью. Использование материалов, подавляющих электрическую корону, также представляется весьма существенным. Дизайн и сертификация крупных синхронных и индукционных двигателей АББ высокого напряжения сокращают время запуска и снижают требования к обслуживанию. В то время как меньший период окупаемости и уменьшенные затраты на обслуживание, безусловно, выгодны, более существенным является то, что безопасность эксплуатации сертифицированных двигателей АББ была подтверждена на практике, поскольку испытания являются единственным путём проверить безопасность работы оборудования де-факто рис. 6.

28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК. Основываясь на предыдущих разработках и испытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхронных и индукционных двигателей высокого напряжения и генераторов была приведена в соответствие с этими стандартами.

Гёран Паулссон Йохан Карлссон
АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения, механизмы, Вестерос, Швеция goran.paulsson@se.abb.com johan.e.karlsson@se.abb.com
Юсси Раутээ
АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения, Ноттинг Хилл, Австралия jussi.rautee@au.abb.com
Литература

1. Rautee, J., Lienesch, F, Liew, T (2008). Усовершенствование искробезопасных двигателей повышенной безопасности. Европейская конференция нефтяной и газовой промышленности - применения электрооборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, Веймар, Германия.

Заглавный рисунок
Нефтяные и газовые платформы предъявляют особые требования к предотвращению искрения. Эксплуатируемые на них двигатели подвергаются самой строгой сертификации.

Источник: AББ