复合防爆电机技术探讨

王少景，贺玉民，赵东芝

(湘电股份上海研究院，上海　200437)

复合防爆电机技术探讨

王少景，贺玉民，赵东芝

(湘电股份上海研究院，上海200437)

摘要：简要介绍了几种防爆电机的防爆原理、结构特点、适用场所区域。对已经问世的复合防爆电机的特点和常见的几种复合防爆电机的例子进行了阐述、分析，提出了复合防爆电机设计、制造过程中应注意的区域选择、温度与级别、送审取证等几个问题。

关键词：隔爆型；增安型；正压外壳型；无火花型；粉尘防爆型；复合防爆电机

0引言

随着我国国民经济的飞速发展，石油、化工、化肥、煤炭、天然气等行业对防爆电机的需求量与日俱增，对防爆电机的安全性与可靠性要求愈来愈高。在强劲的市场需求与激烈的市场竞争的双重压力下，电机供应商紧紧依靠科技进步，在研制与完善隔爆型、增安型、正压外壳型等各类型防爆电机的同时，陆续推出了复合防爆电机，在满足市场需求，提高产品可靠性与安全性，增强市场竞争力等方面迈出了坚实的步伐。

1防爆电机技术特点

在探讨复合防爆电机的技术特点之前，先对爆炸性危险场所的划分、常用的防爆电机类型进行扼要的介绍，如图1所示。

图1　防爆电机爆炸性场所的划分及电机类型

1.1隔爆型“d”电机

隔爆型电机的特点是：能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播的电机。隔爆型电机可以使用在Ⅰ类、Ⅱ类电气设备上，1区、2区的爆炸危险场所区域。

隔爆型电机设计制造的难点是：设计承受更大爆炸压力的隔爆外壳以及接线盒外壳有困难。由于使用环境的需要，需设计更大容量、更高电压的隔爆电机，以及为保证安全性、可靠性而进行的电机隔爆外壳的动、静压型式试验，这些设计与制造的难度制约着隔爆型电机的发展。目前，国内厂家的最大制造能力是: 电机中心高900，容量5 000 kW，电压10 kV, 冷却方式为IC511;国外公司的最大制造能力是：电机中心高900，容量5 000 kW，电压13.8 kV, 冷却方式为IC511。

隔爆型电机设计制造的另一个难点是：设计与制造ⅡC级电机的轴贯通结构，由于强制性标准GB 3836.2—2010的规定，ⅡC级电机不允许使用滑动轴承。这样，在石油化工行业，有氢气存在的场所，不能使用采用滑动轴承的隔爆电机。

1.2增安型“e”电机

增安型电机是指在正常运行条件下不会产生火花、电弧或可能点燃爆炸性混合物的电机结构上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和认可的过载条件下(包括在电动机堵转运行时)出现这些现象的电机。按照文献[1]的规定，只有配置有合适热保护装置的“e”型低压异步电动机能使用在1区，中大型高压增安型电机只能使用在Ⅱ类2区爆炸危险场所。

目前，国内研制的增安型同步电动机的最大容量 ：10 MW，电压10 kV,定子冲片外径φ3 250 mm，冷却方式为IC81W；增安型异步电动机的最大容量为8 500 kW,10 kV, 冷却方式为IC81W。

按照新国标GB 3836.3—2010版，增安型电动机在设计与制造方面除了原有的电气间隙、爬电距离、旋转件的间隙与材料的规定外，尚有如下特点：

1.2.1有tE时间的要求，并且tE≥5 s，这就要求电动机(无论是同步电机或异步电机)的电磁负荷是偏低的，否则，在堵转状态时保护装置无法切断电源。

1.2.2定子绕组绝缘系统需经过在爆炸试验混合物环境(ⅡC级为21%氢气与空气的混合物)中的1.5倍额定电压(有效值)对地耐压试验3 min，以及3倍额定电压(峰值)匝间冲击试验10次，以试验期间没有发生爆炸为合格。在目前，国内高压电机大量采用的少胶绝缘体系、两级或三级防电晕结构，自GB 3836.3—2010版实施以来，迄今极少见到10 kV定子绝缘系统顺利通过爆炸试验的报道。

1.2.3转子结构需通过气隙火花危险评价，包括老化试验以及爆炸试验混合物环境(ⅡC级为21%氢气与空气的混合物)中的10次满压空载启动或10次堵转试验，以试验期间没有发生爆炸为合格。限于目前的试验条件，目前，只能使用电机启动前换气吹扫或在电机内部安装的防爆气体检测装置来保证。

1.3正压外壳型“p”电机

正压外壳型电机原理是：在电机的外壳内通入一定压力的新鲜空气或惰性气体，使电机内部的最大负压区域，具有比电机外部大气压高50 Pa,使周围的可燃性气体不能进入电机内部，从而阻止点燃源与爆炸性气体接触，达到防止爆炸的目的。目前，国内制造商研制的最大容量为：30 MW,10 kV,冷却方式为IC86W。

正压外壳型电机有如下特点：

1.3.1可以使用在Ⅰ、Ⅱ类电气设备，1区、2区的爆炸危险场所，适用范围广泛。

1.3.2没有中心高、转速、容量、电压的限制，没有tE时间的要求，即可以做到与普通封闭式电机(最低防护等级：IP3X)同样高的电磁负荷，容量可以做得相当大。

1.3.3在保持电机内部正压的方式上，既有泄露补偿型(LC),又有持续吹扫型(CF，与管道通风型相当)。

正压外壳型电机的不足之处是要求电机外部不太远的地方有新鲜空气或惰性气体;当输气管道有故障时，电机需要停机检修。

1.4粉尘防爆“DIP”电机

粉尘防爆电机的特点是：限制电机外壳最高表面温度和采用“尘密”或“防尘”外壳以防止灰尘进入的电机。目前，粉尘防爆电机的最大容量为1 800kW,10kV，冷却方式：IC511。

1.5无火花型“n”电机

无火花型电机从实质上看就是：没有tE时间要求的增安型电机，其余各项要求都与增安型电机要求一致。无火花型电机可以使用在2区爆炸危险场所。目前，无火花型电机的最大容量为2 500 kW,6 kV,冷却方式：IC611。

2复合防爆电机特点

有这样一些特殊的电气设备，由于结构与环境要求比较复杂，仅仅采用某一种防爆型式不能达到防爆安全的要求，在工艺上也较难实现，或者根本没有实现的可能性，或者即使勉强能够实现，但成本太高，没有市场竞争力。于是，人们就开始寻求采用两种乃至多种防爆型式制造复合防爆电机，以适应爆炸性环境场所的要求。

以下就是目前较常见的几种复合防爆电机的例子。

2.1隔爆+增安型电机

由于电气间隙、爬电距离的要求，隔爆型电机的接线盒空腔大,体积笨重，尤其是在设计制造ⅡC级电机产品时，所有隔爆面必须为圆筒隔爆面，体积庞大笨重，电机主体虽然不大，但接线盒容积却很大，为解决这个问题，设计师们采用了隔爆型的电机主体加上增安型接线盒，构成了复合防爆电机，即隔爆型+增安型电机，防爆标志为ExdeⅡ。按照文献[1]，这种电机可以使用在1区爆炸危险场所。

2.2正压外壳型+增安型电机

在采用正压外壳型电机主体时，为了实现电机主体与接线盒内部正压，需要加长内部风路，以保证电机主、副接线盒内部正压。为了改进风路，同时也保证接线盒的防爆性能，一些制造商采用了正压外壳型电机主体+增安型接线盒的结构，构成正压外壳型+增安型电机，防爆标志为ExpxeⅡ或ExpzeⅡ。按照文献[1]，这种电机可以使用在1区或2区爆炸危险场所。

2.3正压外壳型+隔爆型+增安型电机

还有一些多重复合防爆电机的例子，如驱动石油钻机用的复合防爆直流电机或复合防爆变频调速异步电动机，主机采用正压外壳型(持续吹扫型)，出风口采用火花和颗粒隔板，以防止火花进入爆炸危险区域；鼓风机由隔爆型电机驱动，主接线盒采用增安型或正压外壳型，该类型电机的防爆标志为：ExpxdeⅡT3或ExpzdeⅡT3。这种电机可以使用在1区或2区爆炸危险场所。

在天然气输气管线上运行的高速变频无刷励磁同步电动机，也是这种类型的复合防爆电机，该电机主机采用正压外壳型(泄露补偿型)，主接线盒与辅助接线盒分别采用隔爆型、增安型或正压外壳型，冷却方式为：由隔爆型电动机驱动风机强迫通风水冷却即IC86W，该类型电机的防爆标志为：ExpxdeⅡT3或ExpzdeⅡT3。这种电机可以使用在1区或2区爆炸危险场所。

2.4隔爆型/粉尘防爆型电机

为适应煤化工产业的发展，文献[2]介绍了一种复合防爆电机，分别具有隔爆型和粉尘防爆型两种电机技术特点的YBFB系列复合防爆电机。适用于工厂有温度组别T1～T4组存在有爆炸性气体与可燃性粉尘混合物共同存在的爆炸性危险性环境。

这种复合防爆电机的防爆结构中不仅有隔爆外壳专用的隔爆接合面和尘密外壳专用的防爆接合面，而且还设计有防爆与隔爆公用的接合面。这种电机的轴贯通结构，外盖部分一般设计为金属型尘密外壳曲路，内盖部分一般设计为迷宫式隔爆曲路。这种电机的防爆送审，须取得隔爆型电机及粉尘防爆型电机两种证书，防爆标志为: ExdⅡB/DIPB20 TB，冷却方式为IC411或IC511,主体防护等级为IP65。该类型复合防爆电机可以使用在1区爆炸性气体危险场所与由20区可燃性粉尘环境两种环境叠加共存的场所。

与本文第2.1～2.3条的各类电机不同的是，隔爆型/粉尘防爆型电机，既可以作为隔爆型电机单独运行，亦可作为粉尘防爆型电机单独运行。

2.5正压外壳型/增安型电机

由于中大型增安型电机启动前需要换气吹扫，一般在起车前需进行约30 min 的换气吹扫，不便于突发事件的随时切换，而正压外壳型电机在外部管线故障时，需要停机检修。为了兼顾两种防爆电机的使用条件，文献[3]介绍了一种新研发的正压外壳型/增安型电机——TZYW/TAW系列复合防爆电机，这种复合防爆电机，既符合正压外壳型电机的各项要求，又能够满足增安型电机的具有tE时间，满足定子绝缘系统耐压试验等等要求，可以使用于石油化工、煤化工等2区爆炸危险场所。

这种复合型防爆电机需通过两套(增安型与正压外壳型)的防爆试验与检验，取得两个防爆合格证书，既具有增安型电机无火花、无电弧、零部件运行温度低等优点，又具备正压外壳型内部无爆炸危险气体的优点，从而实现了正压外壳型与增安型电机的有机融合，是一种颇具市场潜力的新型复合防爆电机。

这种复合防爆电机的防爆标志是：ExpzⅡT3/eⅡT3, 该类型复合防爆电机可以使用在2区爆炸危险场所。与本文第2.4条介绍的电机相类似，正压外壳型/增安型电机，既可以作为增安型电机单独运行，亦可作为正压外壳型电机单独运行。

3复合防爆电机设计制造应注意的几个问题

通过上述的介绍，我们知道，复合型防爆电机的选型、设计制造、运行与维护等等与环境密不可分，与电机的温度组别，防爆级别息息相关，与现行的国际标准、国家标准、行业标准的规定紧密相连。

3.1区域选择原则

防爆电机的选型与使用环境密切相关，危险场所类别，分区，防爆级别，温度组别等等。根据防爆电机的防爆安全水平进行选型，我们知道，爆炸性气体环境的0区内严禁使用电机，1区可以使用隔爆型“d”，正压外壳型“p”，以及增安型的接线盒，2区内使用增安型“e”，无火花型电机“n”。可燃性粉尘环境中只能使用粉尘防爆电机”。此外，根据文献[1]，安装有在运行中不产生火花、不产生电弧以及危险温度的“e”型接线盒或接线箱，其主体为“d”型，“p”型时，仍然可以使用在1区。即d+e型、p+e型或p+d+e型等等均可以使用在1区爆炸危险场所。

能够使用在1区的防爆电机也可以使用在2区，反过来，只能使用在2区的防爆电机不能用在1区场所。

3.2温度与级别原则

3.2.1温度组别

按照T1，T2，T3，T4，T5，T6顺序，后者可以替代前者。

3.2.2防爆级别

1) 按照ⅡA，ⅡB，ⅡC顺序，后者可以替代前者。

2) 正压外壳型，按照px，py，pz顺序，px可以替代py，pz。

3.3接地与电位平衡的原则

1) 在复合防爆电机结构设计时，设计接地装置，即保护性接地，主要是为了防止当电气绝缘被破坏时设备外壳带电而伤害人体或引发其他事故，同时也可以防止由于电机外壳带电，可能引发的爆炸性环境的点燃危险。

2) 等电位连接的设计也是非常关键的，为了消除因电位差可能引起的点燃危险，在复合防爆电机的各个防爆元件之间，所有的金属部件必须处在同一电位上，尤其是在正压外壳型与增安型、隔爆型等等防爆型式复合的防爆电机，由于正压外壳电机的各个结构面均由耐高温、耐油、弹性好的材料密封，等电位的连接尤为关键。

3.4送审取证原则

复合防爆电机由于采用多种防爆型式，因此，各类防爆型式的电气设备均须经过防爆电气产品检验试验机构的审查与试验，且必须合格并取得“防爆合格证”。在中国大陆，应取得由国家授权的防爆电气产品检验机构如：CQST认证；在国外，应取得不以赢利为目的第三方检验机构认证：如北美地区，应取得UL认证；欧洲地区，应取得ATEX,PTB等等机构认证。

4结语

为了降低工艺难度，降低制造成本，可以灵活运用防爆电气理论，制造满足复杂气体、可燃性粉尘环境中使用的复合防爆电机，可以使用如隔爆型、正压外壳型、增安型、粉尘防爆型等等的原理设计制造并加以复合，但必须满足所在环境的区域(1区、2区、可燃性粉尘区域等)需要，设置一定的温度限值，合理的设计接地与等电位装置，并按照规定送国家授权的防爆电气检验测试机构进行防爆审查与样机试验合格后，方可投入生产与使用。

参考文献

[1] 全国防爆电气设备标准化技术委员会.GB 3836.15—2000，中国标准出版社，爆炸性气体环境用电气设备 第15部分：危险场所电气安装(煤矿除外)[S].

[2] 耿治起，李梦林，张新春.YBFB系列复合防爆型电动机开发与应用 [J].《电气防爆》2007.2 45～49.

[3] 陈兴卫 无刷励磁同步电动机的防爆技术特点[J] 《防爆电机》2014.3 24～26.

·信息点滴·

联合国建议非洲国家大力发展清洁能源

据埃通社报道，联合国非洲经济委员会气候政策中心主任法蒂玛(Fatima)近日表示，非洲国家应大力学习埃塞发展清洁能源的战略以积极应对气候变化，埃塞积极实施清洁能源，对本国和区域生态系统发展带来很大帮助。

埃塞与非洲很多国家获取电力的渠道都不同，主要依靠可再生能源，埃塞还计划通过目前的战略实现2030年无碳经济的排放目标，非洲各国应向埃塞学习，积极开展合作，促进绿色发展;埃塞的经验应该在2015年底召开的巴黎气候变化大会上进行推广。

20150401