电信设计之四 爆炸性环境用防爆电气设备的选型及电气线路设计 第 10 页 共 10 页
爆炸性环境用防爆电气设备选型及电气线路的设计 第 1 页 共 10 页
爆炸性环境用
防爆电气设备选型及电气线路的设计
唐海洋 张剑 杨承山 刘磊
( 东华工程科技股份有限公司 合肥 230024 )
[关键词] 爆炸性气体环境; 爆炸性粉尘环境,设备选型及电气线路的设计
[摘 要] 本文阐介了爆炸性环境、爆炸性气体环境危险区域的范围划定、防爆电气设备的标志、防爆电气设备的选型及爆炸性环境电气线路的设计。
在石油、化工等装置内,存在着各种可燃/有毒气体(蒸气) 和爆炸性粉尘环境。这些气体、粉尘一旦泄漏并积聚在周围环境中,很容易引起燃烧和爆炸。对国内现行多个
标准
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规范的深入学习,结合多年的设计实践,整理编写出以下的爆炸性环境用防爆电气设备的选型及电气线路设计资料,供同行们参考。
1 爆炸性环境
1.1. 爆炸性气体环境分区(GB3836.14—2000)
表
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1.1 爆炸性气体环境分区
分 区
含 义
0区(Zone 0)
爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。
1区(Zone 1)
在正常运行时,可能出现爆炸性气体环境的场所。
2区(Zone 2)
在正常运行时,不可能再现爆炸性气体环境,如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。通常情况下,“短时间”是指持续时间不多于2个小时。
1.2. 爆炸性气体释放源等级(GB3836.14—2000)
表1.2 爆炸性气体释放源分级
释放源分级
含 义
连续级释放源
连续释放或预计长期释放的释放源。
1级释放源
在正常运行时,预计可能周期性或偶尔释放的释放源。
2级释放源
在正常运行时,预计不可能释放,如果释放也仅是偶尔和短期释放的释放源。
通常连续级、1级、2级释放源,分别对应形成0区、1区、2区爆炸性气体环境。
1.3. 爆炸性粉尘环境分区(GB12476.1—2000)
表1.3 爆炸性粉尘环境分区
分 区
含 义
20区(Zone2 0)
在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现,其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。
21区(Zone 21)
在正常运行过程中,可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区的场所。
该区域包括,与充入或排放粉尘点直接相邻的场所、出现粉尘层和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物场所。
22区(Zone 22)
在异常条件下,可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时间存在、或可燃性粉尘云偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。如果不能保证排除可燃性粉尘堆积或粉尘层时,则应划为21区。
原GB 50058-1992规定的10区现细分为20、21区,11区对应22区。
1.4. 爆炸性粉尘释放源等级
表1.4 爆炸性粉尘释放源分级
释放源分级
含 义
连续释放级
粉尘云持续存在或预计长期或短期经常出现的场所。
释放1级
在正常运行时,预计可能周期性或偶尔释放的释放源。
释放2级
在正常运行时,预计不可能释放,如果释放也仅是偶尔和短期释放的释放源。
通常连续级、1级、2级释放源,对应形成20区、21区、22区爆炸性粉尘环境。
1.5. 爆炸性气体环境危险区域的范围划定
现行国标有《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058—1992)与《爆炸性气体环境用电设备第14部分:危险场所分类》(GB3836.14—2000)。但两个国标规范有很大的不同。
1)判断爆炸性气体比空气轻、重的相对密度不一,见表1.5
介 质
标 准
相对密度值
对应的密度值(kg/m3)
比空气轻
GB50058-1992
≤0.75
≤0.75×1.293≈0.97
GB3836.14-2000
<0.8
<1.03
比空气重
GB50058-1992
>0.75
>0.97
GB3836.14-2000
>1.2
>1.55
表1.5 密度值表(空气的密度值为 1.293 kg/m3)
相对密度值:在同样压力和温度下,气体或蒸汽的密度相对于空气的密度值(空气=1)。
2)危险区域的范围划分标准不一。GB3836.14—2000与GB50058—1992相比,充分考虑了通风对危险区域划分的影响。因此GB3836.14—2000范围的划分明显要比GB50058—1992要小很多。例如地面上的比空气重的释放源,GB50058规定,以释放源为中心地面上方7.5m,半径15m的空间为2区,半径15—30m圆环,高0.6m的空间,为附加2区。GB3836.14规定,以释放源为中心地面上方1m,半径3m的 空间为2区。地面下的坑沟,两国标规范均规定为1区。两标准均是现行的,造成了危险区域范围划分的严重混乱。
2 爆炸性气体环境防爆电气设备的标志
防爆电气设备的标志一般为: 字母Ex 防爆型式 类别 温度组别
2.1. 防爆型式
防爆型式是为防止电气设备引起周围爆炸性气体环境引燃而采取的特定措施。按照国标GB3836.1《爆炸性气体环境用电气设备 通用
要求
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》等规定,防爆型式有:
1)隔爆型“d” 具有隔爆外壳(能承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏,并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸气形成的爆炸性环境的点燃。)
相关标准见 GB3836.2—2000。
2)增安型“e” 在正常运行条件下,不会产生电弧或火花的电气设备,进一步采取措施,提高其安全程度,防止电气设备产生危险温度、电弧和火花可能性的防爆型式。
外壳的防护等级要求:内部仅装有绝缘带电部件不低于IP44,裸露带电部件的外壳不低于IP54。
相关标准见 GB3836.3—2000。
3)本质安全型(简称本安型)“i” 在规定的试验条件(包括正常工作和规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气设备。
本安型电气设备和关联设备(指与本安电气设备有电气连接并可能影响其本安性能的有关设备)按其使用场所和安全程度又分为“ia”和“ib”等级。ia级的安全程度要高于ib级。
外壳的防护等级:本安设备和关联设备的本安部分,原则上不需要外壳,因此,一般不低于IP20即可。Ⅰ类电气设备要求不低于IP54。
相关标准见 GB3836.4—2000。
4)正压外壳型“p” 具有正压外壳(保持内部保护气体(空气或惰性气体)的压力高于外部大气压力,以阻止外部爆炸性气体进入壳内)的电气设备。可细分为px、py、pz三种型式,见表2.1。
表2.1 正压型式及保护效果
正压型式
保 护 效 果
Px
将正压外壳内的危险分类从1区降为非危险
Py
将正压外壳内的危险分类从1区降至2区
Pz
将正压外壳内的危险分类从2区降为非危险
相关标准见 GB3836.5—2004。
5)油浸型“o” 将电气设备或电气设备的部件整个浸在保护液中,使设备不能够点燃液面上或外壳外面的爆炸性气体。
外壳防护等级最低为IP66。
相关标准见 GB3836.6—2004。
6)充沙型“q” 将能点燃爆炸性气体的导电部件固定在适当位置上,且完全埋入填充材料(石英或玻璃颗粒)中,以防止点燃外部爆炸性气体环境。
外壳的防护等级须不低于IP54。
相关标准见 GB3638.7—2004。
7)“n”型(原来叫无火花型) 在正常运行时和本部分规定的异常条件下(如有故障灯泡的灯具),不能点燃周围爆炸性气体环境的电气设备。
外壳的防护等级:装有绝缘带电部件的外壳为IP44;装有裸露带电部件的外壳为IP54。无火花型电气设备主要有旋转电机、通风系统设备、照明灯具、插头插座、单体电池和蓄电池、电流互感器、仪表等。
相关标准见 GB3638.8—2003。
8)浇封型“m” 整台设备或部分对可能产生点燃爆炸性气体的电弧、火花或高温部分浇封在浇封剂中,在正常运行和认可的过载或认可的故障下,不能点燃周围爆炸性气体的电气设备。
相关标准见 GB3836.9—200X。
2.2. 电气设备的类别
电气设备在爆炸性气体及粉尘环境使用可分为三类:
I类:煤矿用电气设备。
Ⅱ类:除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。
Ⅲ类:燃爆性粉尘、纤维环境用电气设备。
Ⅱ类电气设备中,隔爆型“d”和本质安全型“i” 按其适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙δmax(用于“d”型的划分)或最少点燃电流比MICR(用于“i”型的划分),可细分为ⅡA、ⅡB、ⅡC,见表2.2。其它防爆型式都是Ⅱ类设备,不再细分。
表2.2 爆炸性气体环境用电气设备分类
类 别
Ⅰ
ⅡA
ⅡB
ⅡC
最大试验安全间隙δmax
1.14
1.14>δmax>0.9
0.9≥δmax>0.5
δmax≤0.5mm
最小点燃电流比MICR
1.0
1.0 >MICR>0.8
0.8≥MICR>0.45
MICR≤0.45
设备安全程度
低 高
以前国标规定A、B、C为Ⅱ类电气设备的级别,新国标取消了级别的说法。
2.3. 温度组别
温度级别是按电气设备允许的最高表面温度来划分的,与燃爆性气体、粉尘的引燃温度分组相对应。
I类电气设备表面可能堆积粉尘时,允许最高表面温度为150℃,采取措施防尘时,为450℃。
所有防爆型式的Ⅱ类、Ⅲ类电气设备分为T1—T6组,见表2.3。
表2.3 电气设备的最高表面温度分组
温 度 组 别
T1
T2
T3
T4
T5
T6
允许最高表面温度(℃)
450
300
200
135
100
85
爆炸性气体引燃温度(℃)
>450
>300
>200
>135
>100
>85
设备安全程度
低 高
3 爆炸性气体环境用防爆电气设备的选型(GB3836.15-2000)
3.1. 防爆型式的选择
根据爆炸性气体环境分区来选择防爆型式,爆炸危险区域与可选用电气设备防爆型式的关系,见表3.1。
表3.1 爆炸危险区域与防爆型式的关系
爆炸危险区域
爆炸性气体环境
0 区
1 区
2 区
可选用的电气设备的防爆型式
ia
d 、e 、ib、 p、 o 、q 、m
n
用于0区的电气设备可用于1区,用于0区、1区的电气设备可用于2区。最常用的防爆型式是“d”、“i”。
3.2. 类别的选择
根据爆炸性气体环境的气体或蒸气的类别来选择电气设备的类别。
工厂的爆炸性气体环境用电气设备应是Ⅱ类设备,其中“d”、“i”型式又分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三档,其中ⅡC类安全度最高。可按表3.2来选型。
表3.2 气体、蒸汽分类与电气设备类别的关系
气体、蒸汽的类别
ⅡA
ⅡB
ⅡC
气体燃爆危险性
小 大
电气设备的类别
ⅡA 、ⅡB、ⅡC
ⅡB、ⅡC
ⅡC
3.3. 温度组别的选择
根据爆炸性气体环境的气体或蒸气的引燃温度来选择电气设备的温度组别,见表2.3。即电气设备的温度组别与相应爆炸性气体环境的气体或蒸气的引燃温度组别相对应,电气设备的允许最高表面温度应低于爆炸性气体环境的气体或蒸气的引燃温度。
总之,选用的防爆电气设备的类别和组别,不应低于该环境内爆炸性气体混合物的类别和组别。
4 爆炸性气体环境电气线路的设计、安装要求(GB3836.15-2000)
4.1电缆的选型
4.1.1. 0区的电气设备只能用“ia”,电缆也只能用本安电缆。本安电缆要求:
1) 电缆的电气参数Cc和Lc应满足要求。
2) 在爆炸危险区域使用的导线每根直径应不小于0.1mm,(含多股导线的每股导线)。
3) 导线耐压至少为交流500V。
4.1.2. 1区、2区电缆系统(GB3836.15-2000 9.3条)
1) 固定设备配线电缆型式:热塑护套、热固护套、合成橡胶护套或矿物绝缘金属护套电缆。
2) 可移动式设备用电缆:应使用含有加厚的氯丁橡胶或其他与之等效的合成橡胶护套电缆、含有加厚的坚韧橡胶护套电缆。
3) 软电缆应选用:普通/加厚橡胶护套软电缆、普通/加厚氯丁护套软电缆等。
4) 阻燃性能要求:固定布线电缆的阻燃性能要能满足GB/T 12666.2《电线电缆燃烧试验方法 第2部分:单根电线电缆垂直燃烧试验方法》的阻燃要求。但电缆直埋、在充沙管内穿放或采取其他防火焰传授措施时,电缆无阻燃要求。
4.2电线电缆的敷设
4.2.1. 总的要求:
1) 在危险场所安装要求作等电位连接。
2) 要防静电造成影响。
3) 要防雷电造成影响。
4) 要防电磁辐射影响。
5) 设置的电缆通道、导管、管道或电缆沟应采取措施,防止可燃气体、蒸气、液体的传播和聚集。即管道要密封,电缆沟要充沙。
6) 导管中可以采用无护套的绝缘单芯或多芯电缆,当穿放3根以上电缆时,导管的截面利用率不超过40%。
4.2.2. 对本安型“i”的附加要求:
1) 本安或非本安电路电缆为铠装、金属护套或屏蔽。
2) 本安电路导线与非本安电路导线不应为同一电缆。
3) 导线屏蔽应仅一点接地(通常在安全区域电缆终端处),接地线截面积不小于4mm2。
4) 绑扎在同一束本安导线与非本安导线间应用绝缘层或接地金属进行隔离。
5) 电缆铠装的接地,任何情况下,铠装与等电位系统应至少有一个电气连接。
6) 齐纳安全栅接地端子与等电位系统连接应尽量短,接地线用一根导体时,截面积最小为4mm2的铜线。用2根导体时,截面积至少每个为1.5mm2的铜导体。
4.2.3. 对隔爆型“d”的附加要求:
1) 接线盒可是隔爆型“d”、增安型“e”。
2) 导管:用焊接钢管,挠性金属管应有高或极高的机械强度。导管螺纹扣数至少有5扣。
4.2.4. 其它要求:
国标GB3836.15—2000,等效采用IEC60079—14:1996,是强制性国标,但不是设计规范,对设计的要求不细。因此在作爆炸性气体环境电气线路设计时,在本国标未指明的部分,须参考现行国标《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058—1992)及现行行标《石油化工仪表管道线路设计规范》(SH/T3019—2003)来进行设计。
5 爆炸性粉尘环境防爆电气设备标志
防爆电气设备的标志一般为: 字母DIP 设备类型 设备等级 温度组别
相关标准见 GB12476.1—2000 GB12476.2—200X。
防粉尘点燃公用标志: DIP
设备类型: “A”或“B”。
设备等级(表示设备可使用的粉尘环境区域): “20”、“21”、“22”。
温度组别标志 : T1至T6 ,见表 2.3。(GB 50058-1992规定为T11、T12、T13)
如 DIP A 21 T3,表示可用于21区的A型设备、温度组别为T3。
6 粉尘爆炸环境用电气设备的选型(GB 12476.2-200X)
表6粉尘爆炸环境电气设备的选型
防粉尘点燃
设备类型
粉尘类型
危险场所分区
20区或21区
22区
A
导电性
DIP A20或DIP A21
DIP A21(IP6X)
非导电性
DIP A20或DIP A21
DIP A22或DIP A21
B
导电性
DIP B20或DIP B21
DIP B21
非导电性
DIP B20或DIP B21
DIP B22或DIP B21
6.1. 设备类型的选择
欧洲和北美是左右IEC粉尘防爆标准化工作重要因素。标准规定的A、B两种设备实际上就是分别代表了各自的粉尘防爆思想,均可用于20、21、22区,两者具有同等安全程度,有着相同的保护作用。
A型设备(欧洲):防尘方法采取适宜的防尘等级,并在5mm厚粉尘层堆积的情况下确定设备表面温度。
B型设备(北美):采用类似于隔爆面的防尘设计方法,并在12.5mm粉尘层堆积的情况下确定设备表面温度。
6.2. 设备等级的选择
设备等级表示设备可使用的粉尘环境区域,设备等级应不低于使用环境的爆炸性粉尘环境的分区。如使用环境是21区,设备等级只能是21或20,不能用22。
6.3. 温度组别的选择
温度组别选择实际上是根据设备使用的粉尘环境内粉尘云层的厚度、点燃温度来限制设备最高允许表面温度(Tmax)。当粉尘层层厚增加时,点燃温度下降,而隔热性能增强,因此设备最高允许表面温度要扣除一个安全余量。
有粉尘云时的要求:Tmax≤2/3 Tcl ,式中Tcl为粉尘云的点燃温度。
A型设备的要求: Tmax≤T5mm – 75℃ ,式中T5mm为粉尘层5mm时的点燃温度。
B型设备的要求: Tmax≤T12.5mm – 25℃ ,式中T12.5mm为粉尘层12.5mm时的点燃温度。
6.4. 实验室试验
GB 12476.2-200X规定,下列情况,电气设备应进行实验室试验。
1) 20区。
2) A型设备如粉尘层厚度为5mm时的最小点燃温度低于250℃。
3) B型设备覆盖的粉尘层超过12.5mm。
4) A型和B型设备粉尘层厚度超过50mm。
这也说明了粉尘防爆设备的不成熟、不完善性。
7 爆炸性粉尘环境电气布线系统(GB 12476.2-200X)
7.1 电缆类型
电缆要有防机械损坏,且防止可燃性粉尘侵入。电缆类型可以是:
1) 聚氯乙稀、氯丁橡胶热塑性或弹性绝缘的屏蔽电缆、铠装电缆。
2) 有铠装或无铠装的无缝铝护套密封电缆。
3) 有绝缘或无绝缘的金属护套矿物绝缘电缆。
电缆穿螺纹管、无缝管、焊接管敷设,在机械损坏危险性较低的场所,可采用刚性塑料管及配件,但要防尘。
7.2防静电聚积
要采取措施,防止电缆表面上的静电聚积。
7. 3防粉尘聚积
电缆敷设应使其聚积粉尘量最小,且便于清理。当采用线槽、管道、管子、地沟敷设时,应防止粉尘聚积。
参考文献:
1 GB 50058-1992,爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
2 GB 3836.1~15 ,爆炸性气体环境用电气设备 系列国标
3 GB 12476.1-2000,可燃性粉尘环境用电气设备 第1部分:用外壳和限制表面温度保护的电气设备 第1节:电气设备的技术要求
4 GB 12476.2-200X,可燃性粉尘环境用电气设备 第1部分:用外壳和限制表面温度保护的电气设备 第2节:电气设备的选择、安装和维护
作者简介:唐海洋(1947- ),男,陕西子长人,1982年北京邮电大学载波专业毕业,从事电信专业工程设计工作,东华工程科技股份有限公司高级工程师,在专业期刊上发表
论文
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