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电气防火限流式保护器在可燃性粉尘危险场所的应用

发布时间:2022-10-11 点击量:54

摘要:文章阐述了可燃性粉尘的特点及可燃性粉尘环境粉尘爆炸的危害性,结合国家现行的电气产品规范的要求,通过一个提取车间内部粉尘爆炸危险区域的电气设计实例,系统阐述了可燃性粉尘危险环境的分区原则、电气设备选型、线路短路灭弧保护设计、防雷防静电设计等,结尾提出不断利用新技术新产品提高可燃性粉尘危险场所的设计水平的要求。

关键词:可燃性粉尘;电气设备;高表面温度;防雷防静电设计;电气防火限流式保护器;

  1. 概述
    所谓的可燃性粉尘环境,是指在大气环境的条件下,粉尘或纤维状的可燃性物质与空气的混合物点燃后,燃烧将传至全部未燃烧混合物的环境。随着现代工业技术的发展,可燃性粉尘的危险场所在不断增多,其危害变得不可避免,相应的粉尘爆炸事故也时有发生。1987年3月15日我国哈尔滨亚麻纺织厂发生的特大型亚麻粉尘爆炸事故,造成了巨大的人身伤亡和财产损失。因此,在这可燃性粉尘环境下的电气设计,不仅要严格按照国家设计标准、规范要求,正确选用粉尘防爆电气设备,还可以结合时下较新技术,采用针对线路电弧保护的新产品,其中电气防火限流式保护器就是比较合理的线路短路灭弧产品。

  2. 相关标准和规范
    在可燃性粉尘危险环境的电气设计中,可以参考的国家规范和行业规范有:
    (1)《可燃性粉尘环境用电气设备(第①部分):用外壳和限制表面温度保护的电气设备》(GB 12476.1-2000)第①节:电气设备的技术要求。
    (2)《可燃性粉尘环境用电气设备(第2部分):选型和安装》(GB 12476.2-2010)。
    (3)《粉尘防爆安全规程》(GB 15577-2007)。
    (4)安全生产行业规范《危险场所电气防爆安全规范》(AQ 3009-2007)。
    (5)设计规范《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB 50058-92)。
    经研究可以发现:现行规范GB 12476.1-2000与现行国家设计规范GB 50058-92相比较起来,在电气设备的型式、外壳的防护类型、粉尘危险区域的划分、可燃性粉尘引燃温度分组等多方面有着很多不一致。鉴于目前市场上大部分防爆电气厂家的产品均按新产品规范GB 12476.1-2000设计、制造和检验,并且,在可燃性粉尘危险环境用电气设备选型及粉尘危险区域划分等方面上,GB 12476与国际标准IEC 61241、行业标准AQ 3009-2007是一致的,本次设计中电气设备的选型将按照产品规范GB 12476.1-2000进行。

  3. 电气设备选型
    根据国家规范GB 12476及行业规范AQ3009-2007第4.2.2.3条,按照可燃性粉尘/空气混合物出现的频率和持续时间及粉尘层的厚度,可将可燃性粉尘危险环境分成20区、21区和22区三个区域等级。每个区的特性如下:20区在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现,其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和较厚的粉尘层的场所及容器内部。21区为粉尘爆炸危险环境分区,21区在正常运行中,可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区的场所。该区域包括:与充入或排放粉尘点直接相邻的场所、出现粉尘层和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物的场所。22区在异常条件下,可燃性粉尘偶尔出现并且只是短时间存在或可燃性粉尘偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。如果不能保证排除可燃性粉尘堆积或粉尘层时,则应划分为21区。
    可燃性粉尘环境的分区的程序及举例可参考GB 12476.3-2007/IEC 61241-10:2004的附录A或者AQ 3009-2007的附录C。
    对于电气设计人员来说,选择合理的粉尘防爆隔爆电器是消灭由电气设备引起的电火花火源的可靠方法。
    Ⅱ类电气设备的表面温度可分为T1-T6共6个组别:T1表面温度450℃,T2表面温度300℃,T3表面温度200℃,T4表面温度135℃,T5表面温度100℃,T6表面温度85℃。
    目前IEC标准中有关粉尘外壳存在着A、B两种设计型式,分别代表了欧洲和北美两种标准体系。虽然这两种设计型式对于设备的选型/安装要求不同,但是具有相同的保护水平,是可以通用的。目前国内市场上的防爆电气厂商大多按照A型设计、制造。
    对于A型电气设备,其高表面温度应不超过相关粉尘云低点燃温度的2/3,即Tmax≤2/3Tcl。当存在粉尘层厚度至5mm时,其表面温度不应超过相关粉尘层厚度为5mm的点燃温度减去75K,即Tmax≤T5mm-75K,取两者的小值。对于B型电气设备,其表面温度应不超过相关粉尘云低点燃温度的2/3,即Tmax≤2/3Tcl。当存在粉尘层厚度至12.5mm时,其高表面温度不应超过相关粉尘层厚度为12.5mm的低点燃温度减去25K,即Tmax≤T12.5mm-25K,取两者的较小值。
    综上所述,我们可以得出,A型电气设备和B型电气设备的选型要求在仅存在相关粉尘云的环境中是*一致的,两者只有在粉尘层厚度超过一定数量的时候,选型要求才会有所差别。
    具体到设计工程中,本工程中建筑采用全现浇框架结构,生产类别为丙类,耐火等级为①级。建筑面积为10871m2,建筑主体为二层,建筑高度为19.3m。车间工艺主要通过微生物发酵液经过离心喷雾干燥、混合包装得到恩拉霉素成品。干菌丝气力输送设备分别占据了建筑物一、二层的一个房间。根据工艺条件,我们把这两个房间划分为可燃性粉尘爆炸危险环境。
    依据以上原则,我们可以分析出本次提取车间内部可燃性粉尘危险区域所需要选用电气设备的防爆等级。由于提取车间内部干菌丝气力输送系统只有在异常的条件下,可燃性粉尘才会偶尔出现并且产生可燃性粉尘空气混合物,因此可以将干菌丝气力输送系统所在的房间划分为粉尘防爆22区。
    而干菌丝作为化工饲料,其在高温时,粉尘云低点燃温度为130℃。由于电气设备距离粉尘释放源有一定的距离,现场又采取了除尘措施,从而可以排除粉尘层堆积厚度达到5mm或12.5mm的情况。
    Tmax≤2/3Tcl=86.7℃
    可知选择的可燃性粉尘环境用电气设备(包括灯具、电机、现场操作柱等)只需要高于以下标准:DIP A22 TA 85℃(或TA,T6)IP6X,即可满足提取车间可燃性粉尘危险环境的电气设计要求。

  4. 防雷设计
    依据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)第3.0.3条的第7点:具有2区或22区爆炸危险场所的建筑物,应划为第②类防雷建筑物。本提取车间的干菌丝气力输送系统所占房间应划分为第②类防雷建筑物部分。
    又根据本规范的第4.5.1条第3点,当一、二类防雷建筑物部分的面积之和小于建筑物总面积的30%,且不可能遭直接雷击时,该建筑物可确定为第三类防雷建筑物。由于可燃性粉尘危险区域面积并未达到提取车间的30%,提取车间可划分为第三类防雷建筑物,防直击雷的措施按照第三类防雷建筑物标准进行设计,但对可燃性粉尘危险区域的第②类防雷建筑物部分,防闪电感应和防闪电涌侵入措施,应采取第②类防雷建筑物的保护措施进行 设计。

  5. 防静电接地设计
    对可燃性粉尘危险环境内可能产生静电危险的设备和管道,均应采取防静电接地。所有的金属设备、装置外壳、金属管道、支架、构件、部件等,一般应采用防静电直接接地;不便或工艺不允许直接接地的,可通过导静电材料或制品间接接地。
    具体设计中,可燃性粉尘危险环境内环形接地干线采用25×4热镀锌扁钢距地0.3m沿墙或钢平台明装,过门及过道处接地干线则埋地暗敷。连接设备的接地支线采用25×4镀锌扁钢埋地暗敷至设备。

  6. 线路短路灭弧保护设计

电气防火限流式保护器专门用于低压配电线路中短路灭弧保护和过载保护,可以合理克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大,以及使用寿命短等弊端,当发生短路故障时,能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护,可显著减少电气火灾事故,保障使用场所人员和财产的安全。

本工程设计选用了安科瑞ASCP系列的电气防火限流式保护器,其产品具有功能丰富,型号多样等特点,具体如下表所示:



本设计中根据不同末端回路的电流规格的不同,共选用了较大额定电流为20A的ASCP200-20D型产品67只,较大额定电流为40A的ASCP200-40D型产品46只,以及较大额定电流为63A的产品35只。

为提高监控的智能化,本设计中将所有限流式保护器通过其自带的RS485通讯组网后,连接到安科瑞的Acrel-6000/B电气火灾监控主机上,并将主机设置在电工值班室内,实现对所有限流式保护器监测数据的远程监控。

7 设计中注意点

(1)由于对可燃性粉尘防爆缺乏充分的认识,某些电气设计工程师不管是气体爆炸危险场所还是可燃性粉尘危险场所,都选用气体防爆电气设备。这种做法是错误的,可燃性粉尘危险环境电气设备与气体防爆电气设备的外壳防护要求*不同,气体防爆电气设备在可燃性粉尘危险场所是*没有作用的,反之亦然。因此,两者不能互换使用。

(2)可燃性粉尘危险环境电气设备根据外壳等级可分为防尘型和尘密型,但并不意味着该电气设备具备了防水的功能,绝大多数的可燃性粉尘危险环境用电气设备不能阻止水进入其内部,因此不能将这些设备直接安装在户外露天场所,也不能用水冲洗其外壳。如果想让可燃性粉尘危险场所用电气设备具备以上功能,须在设计中指出设备须满足IPX5以上的外壳防护等级要求。

(3)电气防火限流式保护器在设计时应注意其额定电流应与其前级的断路器的额定电流保持一致。另外,由于其内部采用了固态开关作为开关器件,使用过程中会产生热量,因此在安装时应该注意保障其良好的通风散热条件,不建议安装在密闭的配电箱内。

8 结语

在实际的设计过程中,要全方面、完善地做好一个可燃性粉尘危险环境工程的设计,需要工艺、通风、建筑等多个协调和配合,每个专业在各自的设计领域内都有相应的设计要求,缺一不可。

同时也要求我们电气设计人员不断了解新技术和新产品,针对这种可燃性粉尘危险环境工程的设计,可以尝试采用短路灭弧产品来减少由于线路老化、绝缘损失等原因造成的线路短路而引起的电弧光,这对于减少现场电气火灾事故具有较好的效果。希望通过设计人员的协同努力,并随着国家新技术新产品的不断出现和应用,可燃性粉尘危险环境的设计水平一定能迈上一个新的台阶。

参考文献

[1] 马中飞.工业通风与防尘[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2] 可燃性粉尘环境用电气设备(第①部分):用外壳和限制表面温度保护的电气设备(GB 12476.1-2000)[S].

[3] 可燃性粉尘环境用电气设备(第②部分):选型和安装(GB 12476.2-2010)[S].  

[4]ASCP系列电气防火限流式保护器.安科瑞电气股份有限公司产品样本202109