爆炸危險場所電氣設計探討

李 慧, 鄒越華

[1.悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司, 江蘇 蘇州 215000;2.蘇州市吳江區建設審圖有限公司, 江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

我國自2014年10月1日起實施GB 50058—2014 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[1](簡稱《爆規》),對防止爆炸事故發生,起到了重要作用。

爆炸危險場所采用防爆電器的目的就是為了防止電弧外泄和高溫引起的爆炸事故,是目前最主要的電氣防爆措施,這是根本的防爆措施,適用于任何需要防爆的場所。

在三相設備較多的防爆場所(如礦井),采用三相IT系統;在無三相設備的防爆場所,采用單相IT系統,除了可以提高供電可靠性外,直接就可以防止電弧產生。在無三相設備的防爆場所,還可以在單相回路裝設故障電弧斷路器,以減少電弧存在時間,避免危險高溫產生。這些都是適當的輔助防爆措施。

筆者所在地區的爆炸危險項目都比較小,大部分都是無三相設備的,本文以無三相設備爆炸危險場所采用醫用單相隔離變壓器構成的IT系統為例,主要探討其合理性和可行性。

1 防爆場所特性

爆炸危險場所發生爆炸,有空氣、濃度和點燃源三個因素,缺一不可。

(1) 濃度:在爆炸性氣體環境中,存在可燃氣體、可燃液體的蒸氣或薄霧等爆炸性氣體混合物,且濃度在爆炸極限以內。在爆炸性粉塵環境中,存在爆炸性粉塵混合物,且濃度在爆炸極限以內。

(2) 點燃源:在爆炸性氣體環境中,存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫。在爆炸性粉塵環境中,存在足以點燃爆炸性粉塵混合物的火花、電弧、高溫 、靜電放電或能量輻射。

降低爆炸性混合物濃度的相關措施如下:

(1) 在爆炸性氣體環境中,應按照《爆規》第3.1.3條第2款,采取消除或減少可燃物質的釋放及積聚的措施;按照《爆規》第3.1.3條3款,采取防止爆炸性氣體混合物的形成或縮短爆炸性氣體混合物的滯留時間的措施。

(2) 在爆炸性粉塵環境中應按照《爆規》第4.1.4條第3款,采取消除或減少爆炸性粉塵混合物產生和積聚的措施。

電氣設備以及非電氣設備均存在著電磁輻射、光輻射、超聲波輻射、 機械火花和靜電、雷電、射頻電磁波、光輻射、電離輻射、絕熱壓縮、沖擊波、放熱化學反應、粉塵等的自燃放熱反應等多種點燃源。

爆炸危險場所的電弧和危險高溫是發生爆炸最主要的點燃源。

2 常見防爆場所特性

目前常見的防爆措施是在單相回路裝設故障電弧斷路器。在電弧故障災害中,以接地電弧故障導致災害的危險最大,因為電弧具有很大的阻抗和電壓降,限制了故障電流,使過電流防護電器不能動作或不能及時動作來切斷電源,幾個安培電弧的局部高溫可高達3 000～4 000 ℃,足以破壞具有防爆保護結構的電氣設備而引起爆炸。常見的電路保護裝置如剩余電流保護裝置、過載保護裝置、斷路器等,都無法對故障電弧進行有效保護。因此,在爆炸危險場所的單相末端電氣線路上裝設故障電弧斷路器來減少電弧存在時間,避免危險高溫產生,是有效的輔助防爆措施之一。

但畢竟是產生了電弧,故障電弧斷路器才能動作,一旦故障電弧斷路器失效,故障電弧仍然有存在的可能。有沒有比故障電弧斷路器更好的保護方式呢？筆者認為是存在的,那就是采用IT系統,對于無三相設備的爆炸危險場所采用隔離變壓器構成的IT系統是簡單易行的辦法,可以直接消除接地電弧故障。

需要指出的是:這種IT系統,只能消除危害最大的接地電弧故障,而無法消除接觸不良引起的電弧。接觸不良引起的電弧,還是只能依靠故障電弧斷路器動作來消除。

3 IT系統的特點和要求

對于IT系統,電源端的帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地,電氣裝置的外露可導電部分直接接地。IT系統示意圖如圖1所示。

圖1 IT系統示意圖

IT系統特點是:相導體與外露可導電部分(或地)之間的第一次絕緣故障時,故障電流非常小,所以系統的安全性、可靠性、連續性高。

一般情況下,有

RA·Id≤50 V

式中:RA——電氣裝置的外露可導電部分與大地間的電阻;

Id——相導體與外露可導電部分之間出現阻抗可以忽略的第一次故障時電流。

注意,Id的值要計及泄漏電流和電氣裝置總對地阻抗。

按照GB 50054—2011《低壓配電設計規范》[2]第5.2.20條和GB 14050—2008《系統接地的型式及安全技術要求》[3]第5.4.2條,為了在盡可能短的時間內發現并消除相導體與外露可導電部分(或地)之間的第一次故障,系統中必須裝設能發出聲或光信號的絕緣監視裝置。

按照《爆規》第5.5.1條,爆炸性環境中的IT型電源系統應設置絕緣監測裝置。

4 隔離變壓器構成的IT系統

IT系統可以通過隔離變壓器,由TT和TN系統轉換獲得,簡單易行。

根據變壓器的變比公式U1/U2=N1/N2、I1/I2=N2/N1,可以知道1∶1隔離變壓器一次側和二次側的電壓、電流是相同的。

隔離變壓器的主要作用:電氣隔離,隔離一次電源回路,二次回路對地浮空,把接地系統改為不接地系統;通過磁飽和原理,可消除過電壓。

以單相隔離變壓器為例,其特點是輸出端兩根導線均不接地,這兩根導線雖然都是帶電導體,但當發生第一根導線絕緣故障時,由于另一根導線未接地,而不構成回路,故障電流是系統對地電容電流(泄漏電流)。此電流非常小,不足以產生接地故障電弧。因此,只要在盡可能短的時間內發現并消除隔離變壓器第一根導線絕緣故障,就能防止接地故障電弧的產生。

隔離變壓器有廣泛的用途,適用于安全、隔離、剩余電流小、凈化電源、消除三次諧波及抑制共模干擾的場合,用于交流50～400 Hz、電壓1 000 V以下的電路中,廣泛用于照明、機床電器、機械電子設備、醫療設備、整流裝置等。利用其安全、可靠、連續性高的特點,目前隔離變壓器構成的IT系統與手術室、ICU/CCU 重癥監護室等重要的醫療2類場所關聯度較高,這類IT系統統稱為醫用IT系統。

同樣可以利用其發生第一次絕緣故障時,故障電流非常小的特點,隔離變壓器構成的IT系統適用于爆炸危險場所。

由于無三相設備爆炸危險場所的用電量比較小,一般只需要醫用單相隔離變壓器構成的IT系統。

在具體的項目設計中,可以按照絕緣監測點設置要求不同,采用以下兩種系統形式:

(1) 絕緣監測點僅設在隔離變壓器輸出端,適用于爆炸危險區域少或小的工程,絕緣監測點設在隔離變壓器輸出端如圖2所示。

圖2 絕緣監測點設在隔離變壓器輸出端

(2) 絕緣監測點同時設在隔離變壓器輸出端和出線回路上,可以對故障進行定位,適用于爆炸危險區域比較多或需要精確定位的工程。絕緣監測點同時設在隔離變壓器輸出端和分回路如圖3所示。

圖3 絕緣監測點同時設在隔離變壓器輸出端和分回路

當監測到發生第一次絕緣故障部位后,可自動或手動切斷電源,以便盡快更換有問題線纜。

采用帶通信接口的絕緣監視儀、絕緣故障定位儀和智能斷路器時,利用物聯網技術還可以用手機微信實時對多個爆炸危險場所絕緣故障定位進行遠程監測,報警信息推送至手機,并可通過手機實現遠程斷電、上電。

采用隔離變壓器構成的IT系統時,應注意如下事項:

(1) 采用電氣隔離保護方式的電氣設備外露可導電部分及外界可導電部分應嚴禁接地。

(2) 隔離變壓器二次側應全極裝設保護電器。

(3) 隔離變壓器二次側電壓過高和線路過長,都會降低絕緣水平,增大絕緣故障電流,因此必須限制電壓與長度,電壓與長度的乘積UL≤100 000 V·m。

(4) 等電位聯結。電氣隔離的等電位聯結如圖4所示。如果沒有等電位聯結線,當隔離回路中兩臺相距較近的設備發生不同相線的碰殼故障時,這兩臺設備的外殼將帶有不同的對地電壓。如果有人同時觸及這兩臺設備,則接觸電壓為線電壓,電擊危險性極大。因此,如隔離回路帶有多臺用電設備(或器具),則各臺設備(或器具)的金屬外殼應采取等電位聯結措施。這時所用插座應帶有等電位聯結的專用插孔。

圖4 電氣隔離的等電位聯結

5 結 語

在防爆場所宜優先采用IT系統。在無三相設備的防爆場所宜優先選用單相隔離變壓器構成的IT系統,同時單相末端回路宜采用故障電弧斷路器。采用這些措施后,防爆可靠性會大大提高。

值得思考的問題是:在無三相設備的防爆場所,采用了隔離變壓器構成的IT系統供電,同時單相末端回路采用故障電弧斷路器后,由于沒有對電氣設備防爆結構防護和線路保護管造成損害的因素,可否降低防爆電氣設備的防爆防護等級和線路安裝要求?這必須經過嚴格的測試和檢驗以后,才能得到結論,在正式結論出現之前,必須嚴格按照《爆規》執行。