Электрооборудование, в котором применены те или иные средства взрывозащиты, называется, в отличие от общепромышленного, взрывозащищенным.
Средства взрывозащиты – это конструктивные и (или) схемные решения взрывозащиты электрооборудования (электротехнических установок), позволяющие исключить или свести к минимуму возможность взрыва окружающей взрывоопасной среды.
Средства взрывозащиты можно разделить на три группы:
1) локализация взрыва внутри оболочки, в которую заключено электрооборудование;
2) исключение контактирования окружающей среды с электрическими частями, способными вызвать ее воспламенение;
3) исключение опасных нагревов или искрений в электрооборудовании, способных воспламенить окружающую взрывоопасную среду.
Каждая из указанных групп предусматривает один или несколько конкретных способов взрывозащиты, именуемых в технической литературе исполнениями, или, в ряде стандартов, видом взрывозащиты.
Под видом взрывозащиты понимается совокупность средств взрывозащиты электрооборудования, установленная нормативными документами.
Рассмотрим кратко исполнения (виды взрывозащиты) наиболее характерные для указанных групп.
1. Локализация взрыва осуществляется прочной оболочкой, способной выдержать давление взрыва внутри оболочки, и такими параметрами мест сопряжения отдельных частей оболочки (длина и ширина щели между сопрягаемыми деталями), при которых выходящее из оболочки пламя и продукты взрыва остывали до безопасной температуры, при которой самовоспламенение окружающей взрывоопасной среды становится невозможным. Такое исполнение (вид взрывозащиты) называется взрывонепроницаемым. Следует еще раз подчеркнуть, что контроль параметров взрывозащиты (максимальная ширина и минимальная длина щели) производится только по чертежам средств взрывозащиты, имеющимся в эксплуатационной и ремонтной документации, но ни в коем случае не по величине БЭМЗ или критического зазора.
2. Данная группа средств взрывозащиты может быть представлена четырьмя исполнениями (видами взрывозащиты):
маслонаполненным, при котором токоведущие части электрооборудования погружаются в масло или другую жидкость с высокой диэлектрической прочностью;
кварцевое заполнение оболочки, в котором токоведущие части засыпаются мелкодисперсным наполнителем, например, кварцевым песком;
продуваемым или заполненным под избыточным давлением, при котором токоведущие части заключены в оболочку, содержащую чистый воздух или инертный газ под давлением, исключающим проникновение взрывоопасной смеси внутрь этой оболочки;
специальным, в котором токоведущие части заливаются термореактивным компаундом, герметиком или специальными поглотителями или флегматизаторами. Следует отметить, что согласно Публикации МЭК 79-0, специальным исполнением называется также такое, которое не соответствует требованиям МЭК, но признается безопасным национальной контролирующей организацией (оно должно маркироваться знаком “s”).
3. Данная группа средств взрывозащиты может быть представлена двумя исполнениями:
повышенная надежность против взрыва. Это исполнение обеспечивается применением высококачественных изоляционных материалов, увеличением по сравнению с общепромышленным электрооборудованием путей утечек по поверхности изоляционных деталей, и воздушных зазоров между токоведущими частями разных потенциалов, снижение токовых нагрузок на неподвижные контактные соединения и поддержание в них постоянных давлений, защита от внешних воздействий (в том числе и от механических повреждений) и т.п. Это исполнение пригодно только для частей (узлов) или электрооборудования в целом, у которого нет нормально искрящих или нагретых до опасной температуры частей. Характерным является для данного вида взрывозащиты отсутствие перегрузок электрооборудования, а в случае, когда такие перегрузки вероятны, например, электродвигатели, они должны эксплуатироваться с соответственно настроенной электрической и тепловой защитой.
Искробезопасная цепь (искробезопасное электрооборудование) предусматривает предотвращение опасного искрения за счет уменьшения длительности разряда или уменьшения мощности, которую электрическая цепь может отдавать в разрядный промежуток, образующийся при обрыве или коротком замыкании в цепи. Поэтому принимаются меры по ограничению токов и напряжений, а также отделение электрических цепей электрооборудования от сильноточных, экранизации их от внешних наводок, атмосферных разрядов и т.п.
Электрооборудование может быть выполнено как с одним видом взрывозащиты, так и с несколькими в различных комбинациях.
Взрывозащищенное электрооборудование классифицируется по средствам взрывозащиты и областям применения и соответствующим образом маркируется.
Назначение классификации – обеспечение в конкретных условиях максимально возможной безопасности, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию электрооборудования, унификация конструктивных требований и методов испытаний и т.п.
Маркировка указывает на то, что электрооборудование является взрывозащищенным, кроме того, по ней определяется область его конкретного применения.
Следует отметить, если маркировка отсутствует, то такое электрооборудование не является взрывозащищенным.
В международной практике принято в маркировке оборудования указывать уровень или степень взрывозащиты.
Под уровнем (степенью) взрывозащиты понимается совокупность мероприятий, проведенных в электрооборудовании, исключающих воспламенение окружающей взрывоопасной среды с заданной вероятностью или, что то же самое, обеспечивающих соответствующий коэффициент безопасности при различных режимах работы электрооборудования.
Причем, если в состав взрывозащищенного электрооборудования входят элементы с различным уровнем взрывозащиты, то общий уровень взрывозащиты электрооборудования должен устанавливаться по элементу, имеющему наиболее низкий уровень.
Учитывая, что указанные выше виды взрывозащиты (исполнения) получили распространение в широкой международной практике, ниже приводится их более подробный анализ.
Взрывонепроницаемое исполнение
Взрывонепроницаемое исполнение является наиболее надежным исполнением взрывозащищенного электрооборудования. Электрооборудование во взрывонепроницаемом исполнении на сегодняшний день самое распространенное во взрывоопасных производствах.
Взрывонепроницаемость электрооборудования основана на принципе охлаждения продуктов взрыва и ограничении пламени при помощи зазоров до такой температуры, при которой исключается воспламенение взрывоопасной смеси, находящейся вне оболочки оборудования. Это возможно при условии, что сопряжения отдельных частей оболочки, заполненной взрывоопасной смесью и внутри которой находится источник воспламенения (электрическая искра, нагретое тело, пламя), имеют зазоры определенных размеров. Из-за того, что в основу обеспечения взрывонепроницаемости оболочек электрооборудования положен принцип теплоотдачи в стенки фланцев, большим уровнем безопасности обладает оболочка с соединениями, имеющими меньшие зазоры при сравнительно большой их длине. При одном и том же зазоре более надежно соединение, имеющее более сложный профиль (лабиринт) пути выхода продуктов взрыва из оболочки наружу.
Кроме того, оболочка взрывонепроницаемого электрооборудования должна обладать высокой взрывоустойчивостью, т.е. в результате повышения давления при взрыве она не должна иметь остаточную деформацию, приводящую к нарушению ее взрывозащитных свойств (вот почему на чертежах взрывозащиты обязательно указывать не только геометрические размеры, но и материал сопрягающихся деталей). На величину давления при взрыве внутри оболочки влияют объем и форма оболочки, местоположение, состав и концентрация взрывоопасной смеси, а также величина удельного сечения отверстий в оболочке. Под удельным сечением отверстий принято считать суммарную площадь зазоров или сквозных отверстий, отнесенную к единице объема оболочки.
Сопряжения между отдельными частями оболочки могут быть плоские, лабиринтные, резьбовые, цилиндрические, конические или комбинации из этих соединений. Таким образом, взрывонепроницаемая щель характеризуется конфигурацией, параметрами взрывозащиты: шириной (зазором) и длиной щели и шероховатостью взрывозащищенных поверхностей.
Взрывозащитные поверхности – поверхности которые образуют взрывонепроницаемую щель.
Ширина взрывонепроницаемой щели – наибольшее расстояние между плоскими или цилиндрическими взрывозащитными поверхностями частей оболочки, образующими взрывонепроницаемую щель, при нормальных условиях, или, во втором варианте, при максимальном эксцентрическом их расположении.
Длина взрывонепроницаемой щели – кратчайший путь по взрывозащитной поверхности из оболочки в окружающую среду. Если во взрывонепроницаемом соединении применена прокладка, утопленная в канавку, то ширина канавки при подсчете полной длины щели не учитывается.
Взрывонепроницаемость оболочек в значительной мере зависит от характера поджигания ВЗОС.
Различают два источника поджигания: маломощный – результат нормального искрения элементов в условиях работы, нагретое тело, пламя или электрическая искра без образования раскаленных частиц; дугообразование в результате короткого замыкания силовых цепей, обрыва одной фазы, замыкания на землю. Более жесткие требования обусловлены учетом второго источника поджигания (ПУЭ, ПИВРЭ), хотя ряд зарубежных стран в своих стандартах учитывает действие первого источника поджигания.
Исполнение повышенной надежности
В большинстве стран мира в исполнении повышенной надежности против взрыва разрабатываются только те части, узлы или электрооборудование в целом, которые не имеют нормально искрящих элементов и не подвержены опасному нагреву. К ним относятся обмотки электрических машин и трансформаторов, катушки аппаратов и приборов, коробки и вводные устройства с контактными зажимами, светильники и т.п.
Искрящиеся же части или узлы, подверженные в условиях работы опасному и незащищенному, неконтролируемому нагреву выполняются с другим видом взрывозащиты, например, взрывонепроницаемым, маслонаполненным и др.
Кроме рассмотренного выше использования улучшенных материалов и других конструктивных решений в данном виде взрывозащиты вводится контроль (оценка) характеристик состояния электрооборудования:
Предельная температура Тп – максимально допустимая температура для оборудования и его отдельных частей. Она определяется температурой воспламенения взрывоопасной среды и тепловой устойчивостью использованных материалов. Меньшее значение принимается за предельную температуру.
Пусковой ток Ia – самое высокое действующее значение тока, который протекает в статорной обмотке заторможенного двигателя с к.з. ротором или в электромагните переменного тока с притянутым якорем после прекращения переходных процессов при
питании оборудования номинальным напряжением и номинальной частоте. Характерной величиной является также отношение пускового тока Ia к номинальному Iн, т.е. Ia / Iн.
Время te – время, в течении которого обмотки при протекании по ним пускового тока Ia нагреваются от температуры установившегося режима до предельной температуры при номинальной температуре окружающей среды. За номинальную температуру окружающей среды принимается в расчетах и испытаниях 40°С.
Предельный тепловой ток Iтеп – действующее значение тока, который за время своего действия в течении 1c нагревает проводники до предельной температуры.
Предельный динамический ток Iдин. – амплитудное значение такого тока, динамическое действие которого электрооборудование может выдержать без разрушения.
При проектировании и изготовлении электрооборудования с повышенной надежностью против взрыва, как указывалось, применяется комплекс конструктивных мер, а также защитные устройства, делающие маловероятным появление опасных искр и нагревов.
Особые требования предъявляются стандартами к светильникам в исполнении “е”. Нередко требуется, чтобы контакты в патронах для ламп имели взрывонепроницаемое исполнение, т.к. не исключена возможность смены ламп под напряжением. Все светильники снабжаются предупреждающей надписью, чтобы смена ламп производилась только после снятия напряжения.
Особые требования предъявляются также к допустимой температуре нагрева поверхности лампы и колпака светильника, а также к его механической прочности. Сюда следует отнести и требования пыленепроницаемости, например, вводных коробок электродвигателей.
Повышенная надежность электрооборудования оценивается результатами контрольной проверки качества изготовления и испытаний по указанным выше характеристикам. Кроме того, большое значение имеет правильное устройство (расчет, выбор, наладка) электрических и тепловых защит силового электрооборудования, в частности, электродвигателей.
Маслонаполненное исполнение
В этом исполнении основным средством защиты является масло или другой жидкий диэлектрик, в который погружены нормально искрящие и неискрящие части электрооборудования, находящиеся под напряжением.
Основным параметром взрывозащиты, кроме естественно регламентированных требований к маслу, является минимально допустимый уровень масла над нормально искрящими элементами и неискрящими неизолированными токоведущими частями. В тех странах, где допускается такой вид взрывозащиты для передвижных установок, регламентируется надежная защита от расплескивания масла.
Кроме того, стандартами регламентируется максимально допустимая температура верхнего слоя масла, которая не должна превышать 80-100 С. Уровень масла принимается таким, чтобы возникающие искры электрической дуги не достигали поверхности масла, а образовавшиеся при этом от разложения масла газы интенсивно охлаждались, исключая таким образом воспламенения окружающей взрывоопасной среды.
Взрывозащита электрооборудования с масляным заполнением оценивается результатами испытаний по определению допустимых нагрузок по току и минимального уровня защитного слоя масла. Кроме того, как правило, определяется эффективность действия различных защитных устройств.
Кварценаполненное исполнение
Заполнение оболочки взрывозащищенного электрооборудования кварцевым песком определенного зернового состава выполняется таким образом, что аварийная электрическая дуга, возникшая внутри оболочки, не может вызвать воспламенения наружной взрывоопасной среды ни от пламени дуги, ни от чрезмерного нагрева стенок оболочки.
Электрооборудование с данным видом взрывозащиты не имеет подвижных или нормально искрящих контактов (трансформаторы, резисторы). Параметры взрывозащиты выбираются из условия возможного дугового короткого замыкания на токоведущих частях.
Надежность взрывозащиты обеспечивается регламентированным слоем (толщиной) кварцевого заполнения, включая резервный слой, над электрическими частями электрооборудования. При этом регламентируются физико-химические и механические свойства кварцевого песка, а также его диэлектрические характеристики.
Если необходимо обеспечить оперативное переключение в схеме внутренних соединений, то, предназначенные для этого зажимы заключаются в оболочку с другим видом взрывозащиты, т.к. любое удаление заполнителя не допускается.
Оценка взрывозащищенности электрооборудования с кварцевым заполнением проводится на основании результатов проверки правильности изготовления в соответствии с требованиями стандарта, а также тепловых испытаний.
Вид взрывозащиты – продуваемое под избыточным давлением
По специфике обеспечения взрывозащищенности оборудование, продуваемое под избыточным давлением чистым воздухом, или инертным газом, аналогично электрооборудованию, находящемуся под избыточным давлением.
Основным параметром взрывозащиты оболочки является в данном исполнении избыточное давление воздуха или инертного газа, которое согласно большинству стандартов принимается не менее 100-150 Па в любом месте воздуховодов, оболочки и т.п.
Электрооборудование, заполненное или продуваемое под избыточным давлением, отличается простотой взрывозащиты. Уровень его взрывозащиты обеспечивается надежностью работы системы вентиляции и блокировочных устройств. Кроме того,
система продувки обеспечивает дополнительно работоспособность электрооборудования в смысле теплового режима.
Оценка взрывозащищенности электрооборудования с видом взрывозащиты “заполненное или продувка оболочки под избыточным давлением” производится на основании результатов проверки правильности изготовления в соответствии с требованиями стандартов, тепловых и вентиляционных испытаний, включая работу блокировочных устройств, а при необходимости, эффективность резервной вентиляции.
Вид взрывозащиты: “Искробезопасная электрическая цепь”
При этом виде защиты электрические цепи рассчитаны так, что искры и нагревы, которые могут возникать при нормальной работе электрооборудования, например, на контактах реле, переключателей и т.п. или при повреждениях (короткое замыкание, обрыв проводников, замыкание на корпус, на землю и т.д.), не воспламеняют взрывоопасную среду.
Электрооборудование с указанным видом взрывозащиты является наиболее экономичным из всех видов взрывозащищенного электрооборудования и в то же время оно обладает наиболее высоким уровнем взрывобезопасности. Следует отметить, что выпускаемое искробезопасное электрооборудование в разных странах значительно отличается как по конструктивному исполнению, так и уровнем безопасности. Однако, благодаря разработке и принятию многими странами рекомендаций МЭК в этой области, стало возможным получить большую унификацию в части требований к конструкции электрооборудования и методам их испытаний.
Искробезопасность электрооборудования во многом зависит от параметров его электрических цепей (индуктивность, емкость, напряжение, ток, частота, сопротивление и т.д.), а также режима работы, качества изготовления и состояния самого электрооборудования.
Отличительной особенностью искробезопасного электрооборудования является то, что оно не имеет громоздких защитных оболочек, а по принципу работы оно полностью основано на общепромышленном электрооборудовании, либо отличается от него очень незначительно.
Важными характеристиками искробезопасности являются ток воспламенения (для безиндуктивной и индуктивной цепей) и напряжение воспламенения (для емкостных цепей) при вероятности воспламенения 10-3.
Стандартами регламентируется также целый комплекс мер (требований), обеспечивающий искробезопасность.
Искробезопасные электрические цепи подразделяются на уровни (три или два в различных стандартах).
