正压外壳型防爆变频调速异步电动机设计及试验项目

2018-09-19，，

防爆电机 2018年5期

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(中车永济电机有限公司，陕西西安710000)

0 引言

随着石油钻井行业和电力电子器件的日益发展，以及国家对节能和石油钻井行业安全的重视，适用于2区爆炸危险场所的钻机配套主驱动电机的安全性要求也愈来愈高。采用防爆电机作为钻机主驱动电机成为一种基本要求，而正压外壳型强迫通风冷却防爆电机相对于其它型式的防爆电机应用于石油钻井领域正变得愈来愈重要。根据行业的发展需求，我们开发出不同功率等级的应用于该行业的正压外壳型变频调速异步电动机(防爆标志Ex d e pz ⅡB T3 Gc)，并得到了广泛的应用。

1 电气设备的原理及分类

1.1 电气设备(包括电机)分类和温度组别

爆炸性环境用电气设备分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。

Ⅰ类：电气设备用于煤矿瓦斯气体环境。

Ⅱ类：电气设备用于除煤矿瓦斯气体之外的其他爆炸性气体环境。Ⅱ类电气设备按照其拟使用的爆炸性环境的种类可进一步再分类。

ⅡA类：代表性气体是丙烷；ⅡB类：代表性气体是乙烯；ⅡC类：代表性气体是氢气。

表1 Ⅱ类电气设备的最高表面温度分组

Ⅲ类：电气设备用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境。

1.2 防爆原理及防爆形式分类

所谓正压外壳型防爆电机，就是将具有一定压力的保护性气体充入电机正压外壳内，使其对电机外壳内部可能产生火花、电弧和危险温度的电气元器件进行保护，这样，这些元器件就不会发生点燃爆炸性气体混合物的危险。

按照GB 3836.5—2004《爆炸性气体环境用防爆电气设备第5部分：正压外壳型“P” 》的规定，正压保护依据外部的爆炸性环境(Ⅰ类，1区和2区)、是否有内释放，以及正压外壳内的电气设备是否有点燃能力可以划分为px、py和pz三种型式，见表2。一般石油钻井钻机主驱动正压外壳型变频调速异步电动机为pz型(设备保护级别为Gc)。

表2 正压防爆形式分类

2 正压外壳型防爆电机设计要点

2.1 电磁设计

正压外壳型防爆电机相比于增安型防爆电机，对电机温升要求没有那么苛刻，pz 型正压防爆电机仅考核正压外壳外表面的最高表面温度，通过合理设计选取定、转子槽配合；电磁设计时选取较小的发热因数和定子电密；优化电机定、转子通风冷却结构，通过在定子与机座间的通风道内增加环筋，改变风路，降低定、转子温升。我公司开发的油田钻井正压外壳型防爆电机为2区Ⅱ类电气设备，温度组别为T3(最高表面温度200℃)，电机绝缘等级为200级的允许温升值均能满足正压防爆要求。

2.2 结构设计

2.2.1 正压外壳风道设计。我公司正压外壳型防爆电机冷却方式为强迫通风冷却，即持续的以规定的速率将保护性气体(从安全区取洁净的空气)送入电机内部，以将电机内部的可能含有的爆炸性气体的浓度在任何潜在的点燃源附近均稀释到爆炸限值之外，因此将电机风路设计成满足电机冷却所需的结构，合理分配各风道的风量，既能满足电机自身冷却的风量要求，又能符合正压外壳型防爆的标准。

2.2.2 正压外壳机械强度。按照GB 3836.5—2004《爆炸性气体环境用防爆电气设备第5部分：正压外壳型“P” 》的规定，正压外壳管道和它们的连接部件应承受电机正常运行时，所有排气孔封闭状态下最大正压的1.5倍压力，而不会产生任何使防爆性能失效的永久性变形。公司现有电机设计的外壳均采用Q235系列钢板加工或者焊接而成，机械强度均能满足正压防爆认证要求。

2.2.3 正压外壳的防护等级设计。按照GB 3836.5—2004《爆炸性气体环境用防爆电气设备第5部分：正压外壳型“P” 》的规定，对于强迫通风冷却的正压外壳型变频调速异步电动机，其最低为IP4X。对于强迫风冷正压外壳型防爆电机，只需要在电机进风口、出风口、两端轴承单元和电机定子三相引出线等四个部位考虑防护等级要求设计。进风口和出风口采用“人”字型外加挡板滤网结构，满足正压防护等级要求；定子三相引出线为铜排直接引出硬连线结构，并且引出铜排用环氧酚醛层压玻璃布板固定，并用进口硅橡胶密封；电机传动端和非传动端轴承单元采用多层迷宫结构。通过以上设计，使得我公司多功率级正压外壳型防爆电机整机防护等级达到IP44，满足正压防爆要求。

2.2.4 正压外壳门和盖的设计。对于应用于2区的Ⅱ类正压外壳型防爆电机，正压外壳的门和盖采用紧固螺栓固定，必须用专用工具才能打开。并且在表面设有“严禁在电机运行和危险场所时打开”的警告标识。

3 正压外壳型防爆电机试验项目

公司正压外壳型防爆电机，防爆型式为pz,保护性气体为纯洁的空气，正压防爆主要通过以下试验项目。

3.1 外壳试验

正压外壳型防爆电机外壳试验包括抗冲击试验、耐热试验、耐寒试验，试验依据GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》。

3.2 防护等级试验

依据GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》规定，对整机进行IP44防护等级试验；对接线盒部分进行IP55防护等级试验。

3.3 最高正压试验

最高正压试验也可叫外壳强度试验，主要验证的是正压防爆电机外壳强度、连接管道应无断裂、无永久性变形、密封垫无挤出、错位等现象。试验开始时，电机不通电，关闭正压外壳的全部泄压口，并充入压缩空气达到规定最大正压值1.5倍的压力或200Pa压力之中较大的压力值，保持2min。结束后检查电机各部位有无永久性变形。

3.4 最低正压试验

正压外壳型防爆电机试验中，此项试验的目的是验证正压外壳型防爆电机是否能持续保持电机正压外壳内部比周围大气压高，以防止可燃性气体进入电机内部造成危险。在电机静止和额定转速状态下，出风口位置检测风压(对于pz型，不低于25Pa)。

3.5 泄漏试验

正压电机外壳内的压力应调整到规定的正常运行时的最大压力，然后封闭各个进、排气口，待压力稳定后，在进气口测定泄漏流速。所测得的流速应不大于规定的最大泄漏流速。

3.6 换气和稀释试验

本试验是正压防爆电机试验中比较关键的一项内容，是正压外壳型防爆电机起动前必须进行的程序。试验时，在防爆电机进、出风口外壳设置4～6个小孔，小孔位置大致如图1所示。

图1 换气和稀释试验的小孔位置图

试验时，所选用的试验气体一般应该是非可燃性的和无毒的。在正压外壳型防爆电机要求包括所有的可燃性气体时，所有轻于空气的可燃性气体使用氦气，所有重于空气的可燃性气体使用氩气或者二氧化碳，试验分两次进行。将电机进、出风口封闭，用连接软管从预留口向电机内部通入氦气(浓度99.99%)，检测进风室、接线盒、出风罩内部氦气浓度≥70%时，拆除电机进、出风口小孔封闭物，启动风机同时开始计时，测量进风室、接线盒、出风罩部位氦气浓度≤1%时所用的时间，即为换气时间。第二次试验，将电机进、出风口封闭，用连接软管从预留口向电机内部通入二氧化碳气体(浓度99.99%)，检测进风室、接线盒、出风罩内部氦气浓度≥70%时，拆除电机进、出风口小孔封闭物，启动风机同时开始计时，测量进风室、接线盒、出风罩内部二氧化碳浓度≤0.25%时所用的时间，即为换气时间。两次试验中测得的较长换气时间要小于公司规定的最短换气持续时间。

换气量计算W方法

W=Q×tp

式中，W—最小换气量(m3)；Q—保护性气体的最小流量(m3/s)；tp—测量时间。