淺析爆炸氣體環境中的電氣設計

鄭庚然

（唐山三友化工股份有限公司設計公司）

唐山三友集團是一所大型的化工集團。隨著生產規模的擴大及經營品種的增多，易燃、易爆物料介質也越來越多，嚴重威脅著生產的安全。如有機硅的107膠車間、石灰窯的液氧系統、股份公司氨庫、天然氣站等均屬于爆炸危險環境。在這些環境中，電氣設備的火花常常是引起爆炸事故的主要原因之一。因此正確分析爆炸危險場所環境因素，嚴格細致確定爆炸危險區域，經濟合理選用防爆電氣設備等，以防止爆炸條件的形成和減輕爆炸危險的程度，是我們電氣設計的重點。

1 爆炸危險產生的原因

爆炸是物質的一種非常急劇的物理－化學變化，一種在限制狀態下系統潛能突然釋放并轉化為動能而對周圍介質發生作用的現象。

當可燃性氣體與空氣混合成一定比例，形成爆炸性混合物時，如果此時遇見電器開關在分合過程中產生的電弧以及電機或燈具表面積累熱量形成的高溫，或其它情況引起的電火花等，這就構成了爆炸發生的三要素（即釋放源、爆炸濃度極限、點燃源），從而造成爆炸事故。

爆炸發生的三要素，缺一不可。因此，防爆設計必須以這三個方面作為設計基礎，使其同時出現的可能性降到最低。

2 電氣防爆設計

在易燃、易爆化學工廠內，密閉容器和通道本身不視為釋放源。當事故情況或在正常操作過程中產生易爆可燃物質外泄，如果此時再遇到電氣設備由于過電流或過電壓而引起的火花、電弧或高溫，就極易造成爆炸事故。電氣防爆設計的主要作用就是避免電氣設備或線路成為點燃源。

2.1 正確劃分爆炸區域

劃分爆炸區域是防爆電氣選型、選擇電線電纜及敷設方式、廠房設備防雷接地的前提條件，應當根據釋放源的級別和位置、易燃物質的性質、通風條件、障礙物及生產條件、運行經驗等方面來綜合確定。下面就我公司的蒸吸、濾過廠房舉例說明。

圖中R1401A、B，R1402A、B、C為蒸吸、濾過廠房的母液吸氨器，生產過程中會釋放氨氣氣體危險爆炸介質，氨氣的理性特性見表1。

表1 氨氣的理性特性

由表1可知，氨氣屬于輕于空氣的易燃易爆危險性氣體，但由于本廠房通風良好，根據《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》的要求，確定母液吸氨器為第二級釋放源，與空氣混合的爆炸性氣體混合物分級分組為ⅡA級T1組，其爆炸危險區域的范圍劃分為其水平方向周邊4.5m范圍內，垂直方向7.5m范圍內為氣體爆炸危險環境2區。

圖1 蒸吸、濾過廠房爆炸危險區域劃分

2.2 爆炸環境中電氣設備的選擇

防爆電氣設備區別于普通設備的重要一點，就是能有效的防止電火花外泄。其根據結構類型分為隔爆型d、增安型e、正壓型p、無火花型n、充油型o、本質安全型i等。

一般來講，防爆電氣設備首先要確定的就是防爆等級。蒸吸、濾過廠房防爆區域內，根據氨氣的物理特性及防爆區域劃分，其設備防爆等級不應低于ExdIIAT1。根據防爆等級來確定防爆設備的結構類型。

對于電氣防爆設備選型，雖然按爆炸區域分區，我集團爆炸環境大部分為2區，但為了安全起見，一般選用安全等級較高的隔爆型電氣設備，但隔爆型設備體積大、成本高、安裝和維修困難。為了降低成本，對于處于2區的設備我們正在嘗試增安型的。但增安型電機外殼不具備隔爆外殼的保護特性，其保護還應引入t E時間（在最高環境溫度下達到額定運行最終穩定溫度后的電機繞組，從開始通入最初啟動電流時計起直至繞組溫度上升到極限溫度的時間）保護概念，即配備過載反時限保護裝置，保證電機堵轉時在電機銘牌規定的時間內斷開電源。

在防爆廠房內盡量不使用攜帶式或移動式設備。因為設備外殼之間的碰撞、摩擦以及放在水泥地面時均可能產生火花成為點燃源。設備選型也要配套，如果電機是隔爆型的，而控制設備是增安型的，就極易產生電火花，引起爆炸事故。

除此，防爆設備選型要嚴格按照設計參數來選擇，避免容量過大造成資源浪費或容量太小引起發熱燒毀設備、甚至引發爆炸等惡性事故。

2.3 配電中需注意的問題

根據《供配電設計規范》，我公司的負荷等級一般為二級負荷，由兩個獨立電源供電，當一個電源發生故障時，另一電源能保持持續供電，以保證我公司正常生產、運行。

對于配電所的位置，一般設在遠離爆炸環境的區域。當配電室為正壓室時可布置在1區、2區內，對于易燃物質比空氣重的變配電室的地面，應高出室外地面0.6m，且不應設在有火災爆炸危險區域的正上方或正下方，其門窗應通向無火災危險的環境。

進入爆炸危險場所的電源應采用TN－S接地系統，即三相五線制；如果是三相四線制，則應在安全場所首先轉化為三相五線制，即TN－C－S系統。保證電氣設備有專用的接地線。

2.4 爆炸氣體環境下的線路敷設

對于電氣線路的敷設，我們以蒸吸、濾過廠房的配電和有機硅107硅膠車間來說明。蒸吸、濾過廠房爆炸釋放源氣體為氨氣，屬于介質比空氣輕的氣體，所以其敷設路徑不能架空敷設，應從下方樓板穿管引上至本層的電氣設備，電纜均應采用阻燃型的，外套管采用鍍鋅焊接鋼管。而對于有機硅107硅膠車間，其釋放源為乙醇的揮發物，屬于介質比空氣重的氣體，電纜敷設方式選擇橋架架空敷設，電纜同樣選擇阻燃型的。電纜敷設的原則就是遠離釋放源。

一般環境下，當管線穿墻引入時，其孔洞應做防火封堵。但在易燃易爆環境下還應考慮其管線的隔離密封設計，即在不同環境之間、導體引入裝有開關、繼電器、熔斷器等可能產生電弧或火花的電氣設備外殼的接頭部件處前都加裝隔離密封盒，隔離密封盒應盡量靠近隔墻。

2.5 防雷與接地

根據《建筑物防雷設計規范》，我集團的有機硅107膠車間、石灰窯的液氧系統、股份公司氨庫、天然氣站等爆炸危險場所均屬于二類防雷建筑。對于其防雷，除考慮構筑物及設備本身的防雷外，還應考慮其排放爆炸危險氣體的放散管、呼吸閥、排風管等管口外分以下空間是否處于接閃器保護范圍內：當有管帽時，應按表2確定；當無管帽時，應為管口上方半徑5m的半球體。接閃器與雷閃的接觸點要在上述空間之外。

相對密度小于或等于0.75的爆炸性氣體規定為輕于空氣的氣體，大于0.75的爆炸性氣體規定為重于空氣的氣體。

在爆炸性氣體環境中，當發生短路、泄漏電流增大、雷電感應過電壓或產生靜電時，為抑制危險電壓及過電流，極為有效的防護措施就是接地。

表2 有管帽的管口外處于接閃器保護范圍內的空間

①在廠房爆炸區域內，電氣設備的外殼都必須可靠接地，且其接地端子應與電纜中專門配置的地線相連。

②由于在爆炸危險廠房內，金屬容器、管道、構架及操作平臺很多，且大多工藝管道及電氣管線多為明敷，長短不一，極易形成不同的感應電位造成靜電荷聚積，引起靜電而產生火花。為消除靜電，所有廠房內金屬構件及管道進入建筑物時均應做等電位連接，以消除電位差。圖2為蒸吸、濾過廠房爆炸區域內的防靜電接地圖。圖中，除了母液洗氨塔應可靠接地、等電位連接外，其管道也應可靠接地，并且其閥門和儀表兩端均應用專用軟銅線RVS－1＊6 mm2進行跨接。

圖2 蒸吸、濾過廠房爆炸區域內的防靜電接地

3 結 語

在爆炸危險環境內，防爆是電氣設計必須做到的，還需要綜合考慮工藝、土建、通風、設備等各專業的相互配合，優化爆炸區域附近安全場所的建筑布置，合理實施工藝流程，在綜合防爆的理念下，安全、經濟的確定防爆方案，杜絕爆炸事故的發生。

［1］ GB 50058—1992爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范［S］

［2］ 王純.爆炸性氣體環境設計要點［J］.電氣防爆，2008（4）