爆炸危险场所电气设计探讨

李 慧, 邹越华

[1.悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司, 江苏 苏州 215000;2.苏州市吴江区建设审图有限公司, 江苏 苏州 215000]

0 引 言

我国自2014年10月1日起实施GB 50058—2014 《爆炸危险环境电力装置设计规范》[1](简称《爆规》),对防止爆炸事故发生,起到了重要作用。

爆炸危险场所采用防爆电器的目的就是为了防止电弧外泄和高温引起的爆炸事故,是目前最主要的电气防爆措施,这是根本的防爆措施,适用于任何需要防爆的场所。

在三相设备较多的防爆场所(如矿井),采用三相IT系统;在无三相设备的防爆场所,采用单相IT系统,除了可以提高供电可靠性外,直接就可以防止电弧产生。在无三相设备的防爆场所,还可以在单相回路装设故障电弧断路器,以减少电弧存在时间,避免危险高温产生。这些都是适当的辅助防爆措施。

笔者所在地区的爆炸危险项目都比较小,大部分都是无三相设备的,本文以无三相设备爆炸危险场所采用医用单相隔离变压器构成的IT系统为例,主要探讨其合理性和可行性。

1 防爆场所特性

爆炸危险场所发生爆炸,有空气、浓度和点燃源三个因素,缺一不可。

(1) 浓度:在爆炸性气体环境中,存在可燃气体、可燃液体的蒸气或薄雾等爆炸性气体混合物,且浓度在爆炸极限以内。在爆炸性粉尘环境中,存在爆炸性粉尘混合物,且浓度在爆炸极限以内。

(2) 点燃源:在爆炸性气体环境中,存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。在爆炸性粉尘环境中,存在足以点燃爆炸性粉尘混合物的火花、电弧、高温 、静电放电或能量辐射。

降低爆炸性混合物浓度的相关措施如下:

(1) 在爆炸性气体环境中,应按照《爆规》第3.1.3条第2款,采取消除或减少可燃物质的释放及积聚的措施;按照《爆规》第3.1.3条3款,采取防止爆炸性气体混合物的形成或缩短爆炸性气体混合物的滞留时间的措施。

(2) 在爆炸性粉尘环境中应按照《爆规》第4.1.4条第3款,采取消除或减少爆炸性粉尘混合物产生和积聚的措施。

电气设备以及非电气设备均存在着电磁辐射、光辐射、超声波辐射、 机械火花和静电、雷电、射频电磁波、光辐射、电离辐射、绝热压缩、冲击波、放热化学反应、粉尘等的自燃放热反应等多种点燃源。

爆炸危险场所的电弧和危险高温是发生爆炸最主要的点燃源。

2 常见防爆场所特性

目前常见的防爆措施是在单相回路装设故障电弧断路器。在电弧故障灾害中,以接地电弧故障导致灾害的危险最大,因为电弧具有很大的阻抗和电压降,限制了故障电流,使过电流防护电器不能动作或不能及时动作来切断电源,几个安培电弧的局部高温可高达3 000～4 000 ℃,足以破坏具有防爆保护结构的电气设备而引起爆炸。常见的电路保护装置如剩余电流保护装置、过载保护装置、断路器等,都无法对故障电弧进行有效保护。因此,在爆炸危险场所的单相末端电气线路上装设故障电弧断路器来减少电弧存在时间,避免危险高温产生,是有效的辅助防爆措施之一。

但毕竟是产生了电弧,故障电弧断路器才能动作,一旦故障电弧断路器失效,故障电弧仍然有存在的可能。有没有比故障电弧断路器更好的保护方式呢？笔者认为是存在的,那就是采用IT系统,对于无三相设备的爆炸危险场所采用隔离变压器构成的IT系统是简单易行的办法,可以直接消除接地电弧故障。

需要指出的是:这种IT系统,只能消除危害最大的接地电弧故障,而无法消除接触不良引起的电弧。接触不良引起的电弧,还是只能依靠故障电弧断路器动作来消除。

3 IT系统的特点和要求

对于IT系统,电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地,电气装置的外露可导电部分直接接地。IT系统示意图如图1所示。

图1 IT系统示意图

IT系统特点是:相导体与外露可导电部分(或地)之间的第一次绝缘故障时,故障电流非常小,所以系统的安全性、可靠性、连续性高。

一般情况下,有

RA·Id≤50 V

式中:RA——电气装置的外露可导电部分与大地间的电阻;

Id——相导体与外露可导电部分之间出现阻抗可以忽略的第一次故障时电流。

注意,Id的值要计及泄漏电流和电气装置总对地阻抗。

按照GB 50054—2011《低压配电设计规范》[2]第5.2.20条和GB 14050—2008《系统接地的型式及安全技术要求》[3]第5.4.2条,为了在尽可能短的时间内发现并消除相导体与外露可导电部分(或地)之间的第一次故障,系统中必须装设能发出声或光信号的绝缘监视装置。

按照《爆规》第5.5.1条,爆炸性环境中的IT型电源系统应设置绝缘监测装置。

4 隔离变压器构成的IT系统

IT系统可以通过隔离变压器,由TT和TN系统转换获得,简单易行。

根据变压器的变比公式U1/U2=N1/N2、I1/I2=N2/N1,可以知道1∶1隔离变压器一次侧和二次侧的电压、电流是相同的。

隔离变压器的主要作用:电气隔离,隔离一次电源回路,二次回路对地浮空,把接地系统改为不接地系统;通过磁饱和原理,可消除过电压。

以单相隔离变压器为例,其特点是输出端两根导线均不接地,这两根导线虽然都是带电导体,但当发生第一根导线绝缘故障时,由于另一根导线未接地,而不构成回路,故障电流是系统对地电容电流(泄漏电流)。此电流非常小,不足以产生接地故障电弧。因此,只要在尽可能短的时间内发现并消除隔离变压器第一根导线绝缘故障,就能防止接地故障电弧的产生。

隔离变压器有广泛的用途,适用于安全、隔离、剩余电流小、净化电源、消除三次谐波及抑制共模干扰的场合,用于交流50～400 Hz、电压1 000 V以下的电路中,广泛用于照明、机床电器、机械电子设备、医疗设备、整流装置等。利用其安全、可靠、连续性高的特点,目前隔离变压器构成的IT系统与手术室、ICU/CCU 重症监护室等重要的医疗2类场所关联度较高,这类IT系统统称为医用IT系统。

同样可以利用其发生第一次绝缘故障时,故障电流非常小的特点,隔离变压器构成的IT系统适用于爆炸危险场所。

由于无三相设备爆炸危险场所的用电量比较小,一般只需要医用单相隔离变压器构成的IT系统。

在具体的项目设计中,可以按照绝缘监测点设置要求不同,采用以下两种系统形式:

(1) 绝缘监测点仅设在隔离变压器输出端,适用于爆炸危险区域少或小的工程,绝缘监测点设在隔离变压器输出端如图2所示。

图2 绝缘监测点设在隔离变压器输出端

(2) 绝缘监测点同时设在隔离变压器输出端和出线回路上,可以对故障进行定位,适用于爆炸危险区域比较多或需要精确定位的工程。绝缘监测点同时设在隔离变压器输出端和分回路如图3所示。

图3 绝缘监测点同时设在隔离变压器输出端和分回路

当监测到发生第一次绝缘故障部位后,可自动或手动切断电源,以便尽快更换有问题线缆。

采用带通信接口的绝缘监视仪、绝缘故障定位仪和智能断路器时,利用物联网技术还可以用手机微信实时对多个爆炸危险场所绝缘故障定位进行远程监测,报警信息推送至手机,并可通过手机实现远程断电、上电。

采用隔离变压器构成的IT系统时,应注意如下事项:

(1) 采用电气隔离保护方式的电气设备外露可导电部分及外界可导电部分应严禁接地。

(2) 隔离变压器二次侧应全极装设保护电器。

(3) 隔离变压器二次侧电压过高和线路过长,都会降低绝缘水平,增大绝缘故障电流,因此必须限制电压与长度,电压与长度的乘积UL≤100 000 V·m。

(4) 等电位联结。电气隔离的等电位联结如图4所示。如果没有等电位联结线,当隔离回路中两台相距较近的设备发生不同相线的碰壳故障时,这两台设备的外壳将带有不同的对地电压。如果有人同时触及这两台设备,则接触电压为线电压,电击危险性极大。因此,如隔离回路带有多台用电设备(或器具),则各台设备(或器具)的金属外壳应采取等电位联结措施。这时所用插座应带有等电位联结的专用插孔。

图4 电气隔离的等电位联结

5 结 语

在防爆场所宜优先采用IT系统。在无三相设备的防爆场所宜优先选用单相隔离变压器构成的IT系统,同时单相末端回路宜采用故障电弧断路器。采用这些措施后,防爆可靠性会大大提高。

值得思考的问题是:在无三相设备的防爆场所,采用了隔离变压器构成的IT系统供电,同时单相末端回路采用故障电弧断路器后,由于没有对电气设备防爆结构防护和线路保护管造成损害的因素,可否降低防爆电气设备的防爆防护等级和线路安装要求?这必须经过严格的测试和检验以后,才能得到结论,在正式结论出现之前,必须严格按照《爆规》执行。