EPL Gc級高壓增安型電機關鍵防爆技術研究*

張 剛， 高玉華

(1. 南陽防爆電氣研究所，河南 南陽 473008； 2. 南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473010)

0 引 言

隨著石油、化工行業的快速發展，高壓增安型電機在爆炸性氣體危險場所2區的應用得到了廣泛認同。我國增安型電氣設備依據的專用防爆標準GB 3836.3—2010[1]與國際標準接軌，等同采用IEC 60079-7： 2006[2]，適用于爆炸性氣體危險場所1區用增安型電氣設備。

目前,國內外還沒有針對2區用增安型電氣設備的相應技術規范，我國用于爆炸危險場所2區的高壓增安型電機仍以標準GB 3836.3—2010作為設計、制造依據。由于該標準技術要求較高，對于2區爆炸危險場所大量需求的高壓增安型電動機，制造成本顯著提高,資源消耗較大,且難于實現成為制約高壓增安型電機行業發展的瓶頸。研究爆炸危險場所2區用高壓增安型電機(對應EPL Gc級)的關鍵防爆技術顯得十分迫切。

1 高壓增安型電機的主要使用區域和保護級別

1.1 高壓增安型電機所處的危險作業區域

涉及爆炸性氣體、易燃性液體的蒸汽或薄霧與空氣混合形成爆炸性環境的場所，按其危險程度分為0區、1區和2區3個危險區域等級。

增安型作為電機防爆的一種常用防爆型式，主要采取一些附加措施提高電機安全程度，防止電機在正常運行或規定的異常條件下產生危險溫度、電弧和火花。國內石油、化工場所選用的高壓增安型電機絕大多數處于2區作業環境，即在正常情況下，該區不可能出現爆炸性氣體混合物。

1.2 爆炸危險場所2區用高壓增安型電機的保護級別及運行條件

防爆電氣設備的設備保護級別(Equipment Protection Level, EPL)是根據設備成為點燃源的可能性和爆炸性氣體環境所具有的不同特征而對設備規定的保護級別。國家標準GB 3836.1—2010和國際標準IEC 60079-0： 2011[3]對此要求一致。對于Ⅱ類爆炸性氣體環境，設備保護級別按運行條件及保護水平從高到低分為EPL Ga、Gb和Gc 3個等級。

設備的不同EPL反映了不同危險區域的安全要求。Gc級別是保證設備在正常運行條件下必要的防爆保護級別，要求設備在正常運行條件下不會成為點燃源，或在預期點燃源可能出現的情況下，通過預先采取附加保護措施保證其不會被有效點燃，其設計應使之能按照制造商設定的運行參數發揮功能，保護水平“一般”，適用于2區環境。高壓增安型電機常用的2區環境對應適用EPL Gc級。當然，較高級別的EPL Ga級和EPL Gb級設備也適用于2區，只是經濟、技術成本要增加很多。

EPL Gc級所要求的“正常運行條件”是指電機符合制造商設計和使用規范的額定滿載穩定條件。對于S1連續工作制和S2短時工作制的電機，其起動過程在此不被看作是“正常”運行,重新起動前電動機應冷卻至室溫；而S3到S10工作制由于起動頻繁，其起動過程被看作是電機的“正常”狀態，需考慮高壓電機起動時轉子引起的火花風險。在起動過程中，小型鼠籠鑄造轉子電機幾乎不會出現點燃危險,大型高壓電機在起動瞬間易出現危險的氣隙火花。因此，要使EPL Gc級高壓電機在正常運行條件下不會成為點燃源，就不允許“起動”和“爆炸性氣體環境出現”這兩個事件同時發生。否則，就需要增加附加安全措施,如用非易燃性氣體進行內部通風吹掃、安裝固定式易燃氣體探測器等。

2 新舊標準對高壓增安型電機關鍵試驗項目要求的比對及行業現狀

增安型電機依據的現行標準GB 3836.3—2010(IEC 60079-7： 2006，IDT)與舊版標準GB 3836.3—2000(IEC 60079-7： 1990+A1+A2，MOD)差異較大。符合現行標準GB 3836.3—2010的設備可達到EPL Gb級，即符合該標準的設備適用于爆炸危險環境1區或2區。在舊版標準體系下，按選型、安裝標準GB 3836.15—2000[4]的規定，高壓增安型電機僅適用于爆炸危險場所2區。新版的現行標準還增加了對可能產生氣隙火花的轉子結構評價、對高壓電機結構評定和試驗要求，以及針對高壓電機關鍵性項目的附加試驗等。

在型式檢查和試驗方面，現行新版標準GB 3836.3—2010規定了增安型電機應進行的試驗項目和要求,包括增安型電機起動電流比IA/IN和tE時間確定等。其中，根據額定電壓等級(>1kV)，對定子繞組絕緣系統及其連接電纜需進行兩項附加試驗： 爆炸性氣體混合物中進行的正弦交流耐電壓試驗；及爆炸性氣體混合物中進行的電脈沖沖擊試驗。試驗期間均不應有爆炸發生。

在試驗和經驗基礎上，根據各種特性因素評價結果，標準還給出了對鼠籠轉子潛在氣隙火花點燃風險因數評價辦法，及潛在的定子繞組放電點燃危險系數評價辦法。

根據由電機制造商、用戶或檢驗機構對鼠籠轉子點燃風險因素的評價結果，如果所得點燃風險因數值總和>6，則應對鼠籠轉子做老化處理和附加點燃試驗： 鼠籠轉子在經過至少5次轉子堵轉老化試驗后，電機在爆炸性氣體混合物中進行10次滿壓空載起動或10次轉子堵轉試驗(≥1s)，并確認沒有爆炸發生。

根據由電機最終用戶、制造商或檢驗機構對定子繞組點燃風險因素的評價結果，如果所得點燃風險系數值總和>6，則還需考慮增加起動前用非易燃性氣體或潔凈空氣通風吹掃，或設置固定式易燃氣體報警器等輔助安保措施。

舊標準GB 3836.3—2000規定的型式試驗關鍵項目和要求，主要是在黑暗環境下通過肉眼或儀器觀看電機起動時是否有火花，以及在黑暗環境下觀察正弦交流耐電壓試驗過程中是否有明顯火花和電暈，以此判定是否合格，沒有要求應在爆炸性環境中進行試驗。顯然，舊標準規定的方法有較大局限性，在過去的技術水平下，加上其他附加安全措施，基本滿足2區使用條件。基于該情況，在新標準GB 3836.3—2010的起草過程中，部分企業希望能盡快提高增安型電機行業的技術水平，提出應與國際先進水平接軌，但當時未涉及EPL Gc級的設備問題。

目前，市場上按照標準GB 3836.3—2010生產的EPL Gb級高壓增安型電機仍然很少(國外少數大公司有一些產品，但價格高昂)，而對用于危險程度較低的2區環境的EPL Gc級高壓增安型電機，目前尚無相應技術指南。增安型電機的安全性與其設計、制造、工藝、材料、檢驗、使用和維護等均有關系。對南陽、佳木斯、上海、蘇州、無錫等地國內主要高壓增安型電機制造商實地調查，并與上海石化、燕山石化等主要設備終端用戶部門專題研討發現： 自標準GB 3836.3—2010實施以來，電機制造商按石化用戶要求研制適用于2區的增安型電機，因無EPL Gc級高壓增安型防爆技術指南而不得不按GB 3836.3—2010要求的EPL Gb級進行。由于定子繞組要在爆炸性氣體混合物中進行正弦交流耐電壓和電脈沖沖擊等試驗，需要采取加強絕緣和放大間隙等措施，故使電機容量降低很多，技術難度加大，成本上升，市場競爭力銳減。尤其是在爆炸性氣體混合物中進行的電脈沖沖擊試驗，通過率很低。目前，這種情況導致我國增安型高壓電機的制造基本陷入停滯狀態。市場有需求而產品難于通過試驗的現狀，嚴重制約著增安型高壓電機行業的發展。

3 國內外其他2區用高壓防爆電機產品情況

現有適應于2區危險環境用電機的防爆型式主要是“nA”型(無火花型電機)，對應EPL Gc級設備。“nA”型電機在正常運行條件下不產生電弧或火花，也不產生能夠點燃周圍爆炸性混合物的表面高溫或灼熱點，且一般不會發生有點燃危險的故障。“n”型電氣設備的國家標準GB 3836.8—2003[5]沒有對大型高壓電機提出特殊要求 ，該標準采用IEC 60079-15： 2001已被IEC 60079-15： 2010[6]版本所替代。最新國際標準IEC 60079-15： 2010規定了2區用“nA”型大型或高壓電機的型式試驗主要要求： 對于額定輸出>100kW的非S1或非S2工作制的“nA”型電機，如果評價的鼠籠轉子潛在氣隙火花點燃風險因數的總和>6，則要求電機鼠籠轉子采取適當措施，確保在起動時外殼內不含爆炸性氣體；對于降壓起動的電機，限制起動電流比IA/IN<3；也可做鼠籠轉子老化處理和點燃的附加試驗： 鼠籠轉子在經過至少5次轉子堵轉老化試驗后，電機在爆炸性氣體混合物中進行10次滿壓空載起動或10次轉子堵轉試驗(≥1s)，試驗期間應沒有爆炸發生。

另外，根據額定電壓等級(>1kV，其中對于ⅡA類模繞定子則為6.6kV)，對“nA”型電機定子繞組絕緣系統及其連接電纜，要求在爆炸性氣體混合物中進行正弦交流耐電壓的附加試驗，并應確認沒有爆炸發生。

4 EPL Gc級高壓增安型電機關鍵防爆技術分析

由于高壓電機額定電壓高于絕緣結構的局部放電起始電壓，無論何種供電類型，其絕緣結構表面都會發生易燃性局部放電[7]，尤其當轉子端部繞組被污物污染時，更是如此。因此，在設計制造時需考慮電機局部放電對整個絕緣結構的影響，及局部放電可能對潛在爆炸性氣體環境引燃的影響(經驗表明，額定電壓相-相之間 4160V 以下的電動機，如果維護良好，一般不會由于繞組表面放電而產生不可接受的點燃危險)。

在正弦或脈沖電壓作用下，絕緣介質失效特征不同。正弦電壓下絕緣介質失效時間與頻率成線性關系[8]，過電壓較高時可起暈。而脈沖電壓則不同，隨著脈沖頻率增加放電空間電場強度減弱；電壓幅值增加和電壓上升時間減小導致反向電場作用增強，局部放電起始電壓降低；絕緣層數增加導致空間電荷累積增加。在脈沖電壓作用下絕緣老化還會出現“放電叢”現象[9]，并可造成電磁線表面針孔狀損傷或大面積炭化[8]。這些因素威脅著電機的運行及防爆安全，當放電能量超過周圍爆炸性氣體的引燃能量時，可能導致周圍危險氣體爆炸。

針對2區EPL Gc級增安型高壓電機，承受正常額定電壓及其合理短時過電壓均屬正常狀態，而由過電壓引起的電暈放電可能成為潛在的連續點燃源。故在電動機正常運行時必需考慮這種影響，其考核的有效方式是在爆炸性氣體環境承受正弦交流耐電壓試驗。對于1區EPL Gb級增安型高壓電機，根據EPL Gb級增安型設備的定義要求，除需考慮電暈放電外，還應考慮負載切換、雷擊等狀態時電機感性負載引起的瞬時高壓擾動脈沖影響，需進行在爆炸性氣體環境中的正弦交流耐電壓試驗，及在爆炸性氣體環境中的電脈沖沖擊試驗等。

從以上國內外關于EPL Gb級1區增安型電機與EPL Gc級2區用“nA”型電機型式試驗項目及要求的對比中可看出，對EPL Gb級增安型高壓電機，要求在爆炸性氣體混合物中進行正弦交流耐電壓、電脈沖沖擊及鼠籠轉子老化處理和點燃試驗；而EPL Gc級的“nA”型高壓電機進行型式試驗僅是其可選方案之一，且其型式試驗方案僅是在有條件的情況下要求做爆炸性氣體混合物中的正弦交流耐電壓和鼠籠轉子老化處理及點燃試驗，不做電脈沖沖擊試驗。

綜合上述對危險場所劃分、EPL Gb級的1區增安型電機和EPL Gc級的2區用“nA”型電機防爆技術特性，可得出：(1) EPL Gb級高壓增安型防爆電機，應執行GB 3836.3—2010要求，適用于爆炸危險場所1區。(2) EPL Gc級高壓增安型防爆電機，應執行GB 3836.3—2010要求，但可不做其中的電脈沖沖擊試驗。

針對EPL Gc級高壓增安型防爆電機，在滿足2區用“nA”型設備安全水平不降低的同時，又保留了對電機起動電流比IA/IN和時間tE等增安型電機的基本安全要素控制。基于以上結論的EPL Gc級高壓增安型電機的防爆試驗要求不僅滿足2區用“nA”型電氣設備的技術要求，而且還高于n型電機的要求。

一定條件下，EPL Gc級高壓增安型防爆電機將不再必須進行爆炸性氣體環境中的電脈沖沖擊試驗，這將大大增加試驗通過率。如果征得最終用戶部門和檢驗機構的同意，制造商還可根據電機額定功率和額定電壓、工作制式、使用條件等技術參數，參照“e”型要求，借鑒“n”型要求，在不降低2區Gc級安全水平的條件下，針對EPL Gc級電機，探討采取更為靈活的可行措施。

5 高壓增安型電機關鍵試驗研究及試制

增安型高壓電機運行局部放電問題是防爆措施的難點(本文不論述溫升問題)，其產生的放電能量很容易超過爆炸性氣體的引燃能量從而引起爆炸。故在充分分析可能產生局部放電部位的基礎上，針對高壓絕緣系統在爆炸性氣體環境中局部放電關鍵技術進行了大量的試驗研究，驗證并確認了防局部放電的措施。

可能產生局部放電的部位主要有[10-12]：

(1) 繞組端子。常發生在電機繞組端部并頭連接處。

(2) 高、低阻搭接處及高阻區末端。主要由表面電阻率、高阻非線性系數和高阻區分段長及總長不匹配造成的高電場或殘余電壓引起。

(3) 線槽。定子絕緣表面和鐵心之間的氣隙中放電；槽中主絕緣和槽壁之間的氣隙中放電；繞組在靠近通風槽口處由于存在尖銳邊緣，形成較強的畸變電場放電。

(4) 導體和絕緣體之間。如銅導體與對地絕緣的氣隙放電；繞組端部相鄰線圈氣隙中、固定線圈用支撐環與繞組接觸處氣隙、端箍支架和支撐環間的氣隙放電。

根據高壓增安型電機型式試驗要求和高壓電動機結構、工藝特點，研制了適合在爆炸性環境中開展正弦交流耐電壓強度的試驗裝置系統和電脈沖試驗裝置系統[13]，設計、試制了代表性典型樣品進行型式試驗測試研究，包括： (1) 若干單組線圈；(2) 一個10kV 1/8定子模擬試驗樣品；(3) 一個10kV 1/4定子模擬試驗樣品；(4) 一臺6kV增安型電機定子模擬樣機；(5) 一臺6kV增安型電機模擬樣機；(6) 一 臺10kV增安型電機模擬樣機。

研究與試制中，利用Ansys有限元技術對預前結構和電磁分析，采用最小渦流損耗設計、高品質硅鋼疊片材料和線圈自動化成型制造工藝等獲得符合EPL Gc級要求的高壓電機綜合性局部放電防護措施。

試驗研究的主要對象還有： 基本絕緣結構以環氧云母作為對地絕緣，外包高、低阻帶作為防電暈措施[14]，防暈半導體材料選用 0.9 ～1.1非線性高阻材料，表面電阻率取109Ω數量級，低阻區的電阻率取104Ω數量級；線圈成型真空浸漬，不同部位選用不同的絕緣介質作為防電暈措施，鐵心槽內用低阻防暈漆，定子線圈的直線部分采用低阻防暈帶，線圈端部采用高阻防暈帶[15]；適當設置凸、凹槽以增加電氣間隙和爬電距離，凸筋的高度≥2.5mm，厚度應與絕緣件機械強度相適應，≥1mm；凹槽的深度與寬度都≥2.5mm；電機外殼及接線盒防護等級不低于IP54；軸承密封和軸密封方面，滾動軸承固定部分和旋轉部件之間非摩擦密封或曲路密封的最小徑向間隙或軸向間隙≥0.05mm；摩擦密封采用低摩擦系數PTFE材料制成；在旋轉電機靜止時，定子和轉子之間最小徑向單邊氣隙(mm)不小于用算式(1)計算所得值。

(1)

式中：D——轉子直徑，取75～750mm；

n——最大額定轉速，最小值取1000r/min；

b——軸承系數，滾動軸承取1.0，滑動軸承取1.5。

初始起動電流與額定電流之比IA/IN<10，交流轉子或定子繞組在最高環境溫度下達到額定運行溫度后，從開始通過起動電流IA起至溫度上升到極限溫度所需的時間tE>5s，并采用起動前潔凈通風吹掃及可燃氣體報警等輔助安全措施。

根據設備不同類別，選擇最易點燃濃度(體積比)的試驗用氣體與空氣混合物： ⅡC類用(21±5)%氫氣；ⅡB類用(7.8±1)%乙烯；ⅡA類用(5.25±0.5)%丙烷。本試驗選用(21±5)%的氫氣作為試驗用爆炸性氣體，針對設計生產的不同電壓等級(6、10kV)的EPL Gc級高壓增安型電機樣機進行正弦交流耐電壓和防點燃等試驗。試驗過程未出現引燃現象，樣品在滿足2區安全要求的同時，其成本相對于同規格EPL Gb級高壓增安型電機節省近40%，且體積大大減小(接近一個機座號的減小幅度)，研究結論得到了試驗驗證。

6 結 語

本文研究結果給出了針對危險環境2區用EPL Gc級高壓增安型防爆電機可行的技術理論指南： EPL Gc級高壓增安型防爆電機，應執行GB 3836.3—2010要求，其中可不做電脈沖試驗。通過樣品試制和試驗研究也驗證了其安全性、可行性和經濟性。以該研究結論作為提案，在2012年11在全國防爆電氣設備標準化技術委員會(SAC/TC9)第五屆三次全體會議上，通過了在GB 3836.3—2010的下一次修訂中增加針對EPL Gc級高壓增安型電機可不做電脈沖試驗的技術決議，為國家制訂相關高壓增安型電機技術指南提供了技術支撐。

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