淺談爆炸性環(huán)境中的電氣設(shè)計

孫雅靜

（天津市化工設(shè)計院，天津 300193）

石油化工企業(yè)多是屬于爆炸危險環(huán)境,其生產(chǎn)工藝及控制要求較復(fù)雜,且多是連續(xù)化生產(chǎn),對電氣設(shè)備的要求較高。國標GB50058－92《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第2.1.1條規(guī)定：對于生產(chǎn)、加工、處理、轉(zhuǎn)運或貯存過程中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物環(huán)境時應(yīng)進行爆炸性氣體環(huán)境的電力設(shè)計。本文現(xiàn)就易燃易爆危險環(huán)境中的電氣設(shè)計的相關(guān)問題作簡要的討論。

1 爆炸危險區(qū)域的范圍劃分

搞好易燃易爆環(huán)境電氣設(shè)計的首要任務(wù)就是對生產(chǎn)場所正確地進行爆炸危險區(qū)域劃分。這一點直接影響到下面的一系列設(shè)計工作,如：主要電氣設(shè)備的選型、電線電纜的選擇與敷設(shè)、安裝標準等,直接涉及生產(chǎn)和人身安全,應(yīng)當根據(jù)釋放源的級別和位置、易燃物質(zhì)的性質(zhì)、通風條件、障礙物及生產(chǎn)條件、運行經(jīng)驗等因素,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后綜合確定。氣體爆炸危險區(qū)域的范圍劃分。

1.1 建筑物內(nèi)部釋放源

a、封閉廠房通風不良時,以廠房為界,廠房內(nèi)劃為1區(qū)。當易燃物質(zhì)重于空氣時,如釋放源距離建筑物外墻小于12m時,以釋放源為中心,半徑為15m,高度為7.5m的范圍內(nèi)(廠房外)劃為2區(qū)。如釋放源距離建筑物外墻大于等于12m時,通向露天的門、窗外3m以內(nèi)的空間,在自然通風良好的條件下也劃為2區(qū)。

當易燃物質(zhì)輕于空氣時,如釋放源距離建筑物外墻小于1.5m時,以釋放源為中心,半徑為4.5m,高度為7.5m的范圍內(nèi)(廠房外)劃為2區(qū)。如釋放源距離建筑物外墻大于等于1.5m時,通向露天的門、窗外3m以內(nèi)的空間,在自然通風良好的條件下也劃為2區(qū)。b、封閉廠房通風良好時,以廠房為界劃為2區(qū)。其它爆炸危險區(qū)域的范圍同通風不良時。一般生產(chǎn)車間均屬于封閉式廠房。在爆炸危險區(qū)域內(nèi)如若采用了機械通風,通?？烧J為是通風良好的狀態(tài)。

1.2 生產(chǎn)裝置區(qū)的釋放源

當易燃物質(zhì)重于空氣時,以釋放源為中心,半徑為15m的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。當易燃物質(zhì)輕于空氣時,以釋放源為中心,半徑為4.5m的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。

1.3 重于空氣的易燃物質(zhì)貯罐

a、固定式貯罐,在罐體內(nèi)部未充隋性氣體的液體表面以上的空間劃為0區(qū)。以放空口為中心,半徑為1.5m的空間和爆炸危險區(qū)域內(nèi)的地坪下的坑、溝劃為1區(qū)。貯罐無堤時,距離貯罐的外壁和頂部3m的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。

當貯罐周圍設(shè)圍堤時,貯罐外壁至圍堤,其高度為堤頂高度的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。如貯罐外壁至圍堤距離小于3m時,爆炸危險區(qū)域應(yīng)劃出圍堤外。b、浮頂式貯罐,在浮頂移動范圍內(nèi)的空間劃為1區(qū)。貯罐無堤時,距離貯罐的外壁和頂部3m的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。貯罐在堤內(nèi),如貯罐外壁至圍堤距離大于等于3m時,其水平距離從貯罐外壁延伸至圍堤的范圍內(nèi)劃為2區(qū);否則應(yīng)距貯罐外壁3m范圍內(nèi)都劃為2區(qū)。

1.4 非爆炸危險區(qū)域。

爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)的車間采用正壓或連續(xù)通風稀釋措施后,車間可降為非爆炸危險環(huán)境。在生產(chǎn)過程中使用明火的設(shè)備附近,或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內(nèi)易燃物質(zhì)引燃溫度的設(shè)備附近,以及在生產(chǎn)裝置區(qū)外,露天或開敞設(shè)置的輸送易燃物質(zhì)的架空管道地帶(但其閥門處按具體情況定),可劃分為非爆炸危險區(qū)域。

2 易燃易爆環(huán)境中的配電設(shè)計

2.1 負荷分級

關(guān)于負荷分級，我們不僅要參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計規(guī)范》，更要根據(jù)實際的易燃易爆環(huán)境的生產(chǎn)工藝及安全要求對負荷進行分級。正常情況下，這類負荷大都劃分為一、二類負荷，但標準中特別強調(diào)在一級負荷中，當中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負荷以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷應(yīng)為特別重要的負荷。如，在工業(yè)生產(chǎn)中關(guān)斷正常電源來處理安全停產(chǎn)所必須的應(yīng)急照明、通信系統(tǒng)和保證安全停產(chǎn)的自動控制裝置等。

2.2 供電電源的設(shè)計

針對化工、石化行業(yè)較多的一級負荷情況，配電設(shè)計應(yīng)由兩個獨立電源供電，當一個電源發(fā)生故障時，另一個電源應(yīng)不致同時受到損壞，以保持繼續(xù)供電。對于一級負荷中特別重要的負荷，還必須增設(shè)應(yīng)急電源。

常用的應(yīng)急電源有發(fā)電機組、干電池、蓄電池以及專用的饋電線路等，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝允許的中斷供電的時間來選擇：

（1）蓄電池（UPS）適用于毫秒級負荷；

（2）帶有自動投入裝置的專用饋電線路，適用于中斷時間1.5s或0.6s的應(yīng)急電源；

（3）快速自啟動的發(fā)電機組，適用于中斷時間15s以上的負荷。

在實際的設(shè)計中，亦可根據(jù)實際情況略作變動。

2.3 廠區(qū)（車間）變配電所的布置

對于易燃易爆環(huán)境，除了符合正常規(guī)范的要求外，還要注意以下幾點：

（1）不應(yīng)設(shè)在有爆炸危險的區(qū)域內(nèi)，當配電室為正壓室時可布置在1區(qū)、2區(qū)內(nèi)。對于易燃物質(zhì)比空氣重（化工行業(yè)的產(chǎn)品、介質(zhì)大部分都比空氣重）的爆炸性氣體環(huán)境，位于1區(qū)、2區(qū)附近的變配電所的室內(nèi)地面，應(yīng)高出室外地面0.6m；

（2）不應(yīng)設(shè)在有火災(zāi)危險區(qū)域的正上面或正下面；

（3）變配電所如果與火災(zāi)危險區(qū)域的建筑物毗連時，應(yīng)符合下列要求：

a.電壓為1～10kV配電所可通過走廊或套間與火災(zāi)危險環(huán)境的建筑物相通，通向走廊或套間的門應(yīng)為難燃燒體；

b.變配電所與火災(zāi)危險環(huán)境建筑物共用的隔墻應(yīng)是密封的非燃燒體。管道和溝道穿過墻和樓板處，應(yīng)采用非燃燒性材料嚴密堵塞；

c.變壓器室的門窗應(yīng)通向無火災(zāi)危險的環(huán)境。

2.4 防爆電氣設(shè)備的選擇

應(yīng)根據(jù)具體場所的危險等級及工作環(huán)境選擇合適的防爆電氣設(shè)備類型。同時根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)要求選用參數(shù)相匹配的設(shè)備，既要避免造成資源浪費，也要避免容量太小引起發(fā)熱燒毀設(shè)備，甚至引發(fā)燃爆等其它惡性事故。

2.4.1 電線電纜的選擇

國標GB50058-92《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中指出,在爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)、2區(qū)內(nèi),絕緣導(dǎo)線和電纜截面的選擇,應(yīng)符合下列要求：

a.導(dǎo)體允許載流量,不應(yīng)小于熔斷器熔體額定電流的1.25倍,和自動開關(guān)長延時過電流脫扣器整定電流的1.25倍。

b.引向電壓為1000V以下鼠籠型感應(yīng)電動機支線的長期允許載流量,不應(yīng)小于電動機額定電流的1.25倍。

c.在1區(qū)內(nèi),銅芯控制電纜的最小截面為2.5mm2,而在2區(qū)內(nèi),銅芯控制電纜的最小截面為1.5mm2。

另外,在此規(guī)范前提下,還應(yīng)按經(jīng)濟電流選擇電纜截面。一般來講,經(jīng)濟電流截面比允許載流量截面要放大1～2級,但也有偏小的情況。所以,按經(jīng)濟電流選擇電纜截面時,要用允許載流量進行校核,然后選擇截面較大者,以首先保證安全的運行。

另外,這種情況是在單根電纜敷設(shè)的條件下。實際上,我們在選擇電纜時應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境溫度、敷設(shè)方式等因素用適當?shù)南禂?shù)將載流量加以調(diào)整,那么我們選擇的電纜截面將會放大 (選擇電纜時應(yīng)適當放大),既滿足了防爆電氣設(shè)計規(guī)范,又縮小了與經(jīng)濟截面的差距。

其它注意要點：

a.低壓電力、照明線路用的絕緣導(dǎo)線和電纜的額定電壓,必須不低于工作電壓,且不應(yīng)低于500V。工作中性線的絕緣的額定電壓應(yīng)與相線電壓相等，并應(yīng)在同一護套或管子內(nèi)敷設(shè)。

b.在爆炸危險環(huán)境中，在TN-S系統(tǒng)中的單相回路中需要安裝兩極開關(guān)，在分斷相線時必須把N線分斷(即相線與N線同時分斷)。這僅僅是指在供電系統(tǒng)正常運行的情況下，避免觸及帶電的N線而受到電擊危險或N線產(chǎn)生電火花引起爆炸或火災(zāi)危險，這只是安全用電的措施之一，而不能解決所有安全用電的問題。

c.10kV及以下架空線路,嚴禁跨越爆炸性氣體環(huán)境。架空線路與爆炸性氣體環(huán)境的水平距離,不應(yīng)小于桿塔高度的1.5倍。

2.4.2 防爆電氣設(shè)備的選擇

選用防爆電氣設(shè)備的防爆類型、級別及溫度組別應(yīng)按防爆區(qū)域等級及防爆介質(zhì)等級劃定,其形式有兩種：

a.接線口為螺紋式。國外防爆電機大多屬于這種形式，國內(nèi)也有不少廠家已開始生產(chǎn)。這種形式，鋼管可直接與防爆撓性管進行連接。防爆撓性管上應(yīng)配套連接件，與鋼管是螺紋連接,否則撓性管上應(yīng)加裝防爆活接頭。在引入非密封的防爆電氣設(shè)備前，在防爆撓性管與電氣設(shè)備接線口處應(yīng)裝設(shè)隔離密封裝置。

電纜引入時加防爆密封接頭，電線引入時加防爆隔離密封盒。當電氣設(shè)備的接線盒自帶密封裝置時,可不必另加隔離密封裝置。防爆電氣設(shè)備直接與防爆撓性管配套連接，既便于安裝，又安全、美觀，但電動機造價高一些。

b.接線口為卡套式。目前,國內(nèi)大部分防爆電機都屬此類。接線時電纜從鋼管中裸露引出直接接到用電設(shè)備接線口處。接線口及管口處必須用填料(密封膠泥)密封。這種做法雖然造價低,但不易安裝、不美觀、安全性低，碰到不負責任的或資質(zhì)不夠的施工隊伍，其安全性就大打折扣，將給安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。通常運用的處理方法為：拆掉卡套口送到防爆電器加工廠重新加工絲扣，與防爆撓性管相配套，既安全、美觀，又降低了造價。

2.4.3 電線電纜和電氣設(shè)備的安裝

根據(jù)規(guī)范要求和經(jīng)驗，化工行業(yè)易燃易爆環(huán)境車間內(nèi)的配電線路設(shè)計一般都以電纜橋架為主，鋼管與電纜溝的敷設(shè)為輔。

正常情況下，在±0.000m平面，先由室外橋架引入，進入室內(nèi)后至用電設(shè)備附近沿墻或柱引下至電纜溝(敷設(shè)完畢后封死,以防白蟻和進水),然后穿管在地面下暗敷設(shè)至電動機旁,再用防爆撓性連接管接至電機接線口處。而在其它高于±0.000m上的平面,電氣線路基本上都是由橋架架空引入,然后由橋架穿管架空敷設(shè)至電動機旁,再由防爆撓性連接管引入電機接線口。

在爆炸危險環(huán)境明敷電纜過墻或穿出地面時應(yīng)穿鋼管,并需增設(shè)相應(yīng)的防爆隔離密封(如在穿墻套管內(nèi)填充不燃纖維作堵料,管口加密封膠泥)。當采用非密閉性電纜溝時,應(yīng)在溝中充沙,并使電纜上、下各有100mm厚的細沙。

另外,架空橋架敷設(shè)時宜選用阻燃電纜,在1區(qū)、2區(qū)內(nèi)電纜線路不應(yīng)有中間接頭。不準明敷絕緣導(dǎo)線,必須采用鋼管配線工程。穿線鋼管應(yīng)采用低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管。

3 照明系統(tǒng)部分設(shè)計

由于目前化工生產(chǎn)的控制趨向大規(guī)模計算機集成控制系統(tǒng)，所有電氣設(shè)備的操作亦都由DCS在控制室控制，現(xiàn)場無人操作，故廠房照明系統(tǒng)一般采用集控方式，照明箱和控制開關(guān)設(shè)在控制室的方式方便可行。

關(guān)于照明燈具的選擇，根據(jù)經(jīng)驗，提出以下幾點建議。

1）防爆日光燈特別是抽出式燈管（多數(shù)是這樣），由于長度較長、重量重、占空間較大等特點，如果選擇、安裝不當，維修燈管時必須拆卸燈具才能換燈管，故建議設(shè)計時選用易更換型燈管；

2）其他防爆燈具。一般情況下化工行業(yè)的廠房較高，提倡選用易換型燈泡（卡扣式），其安裝方式、高度都不受限制且易維修，但必須注意，由于化工企業(yè)的大型電機多，起動頻繁導(dǎo)致線路電壓短時下降太多，故選擇燈具時應(yīng)盡量選用帶鎮(zhèn)流器的。否則，一方面燈泡易壞，另一方面出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象亦不安全。

4 防爆電氣設(shè)備的接地

在爆炸危險環(huán)境內(nèi),所有電氣設(shè)備都必須進行可靠接地,以確保運行的安全可靠。對于電氣設(shè)備的金屬外殼和鎧裝電纜的接線盒,都必須具有外接地螺栓,并標出接地符號。對攜帶式和移動式電氣設(shè)備,可不設(shè)外接地螺栓,但必須采用有接地芯線的電纜。

電氣設(shè)備接線盒內(nèi)部(當采用直接引入方式時,則在主空腔內(nèi)部)必須設(shè)有專用的內(nèi)接地螺栓,并標出接地符號。但電機車上的電氣設(shè)備和電壓不高于36V的電氣設(shè)備除外。對沒有必要接地或不允許接地的電氣設(shè)備,可不設(shè)內(nèi)、外接地螺栓。Ⅱ類本質(zhì)安全型的電氣設(shè)備可只設(shè)專用外接地螺栓。

5 有爆炸危險的露天封閉鋼罐的防雷

露天裝設(shè)有爆炸危險的封閉鋼罐和工藝裝置(石油、化工類鋼罐除外),當其壁厚不小于4mm時,一般可不裝接閃器,但應(yīng)接地,且接地點不應(yīng)少于2處,兩接地點間距離不宜大于30m。當采用接閃器保護時,其外表面的2區(qū)爆炸危險環(huán)境可不在保護范圍內(nèi)。對浮頂罐應(yīng)將浮頂與罐體用兩根截面積不小于2.5mm2的軟銅線作良好的電氣連接。引入、引出罐體的金屬管道應(yīng)在法蘭等接頭處做好電氣連接。

總之，本文主要談?wù)剬ΡㄎｋU環(huán)境中的電氣設(shè)計的一些個人觀點。由于水平有限,難免有錯誤和不妥當之處，一切應(yīng)以現(xiàn)行規(guī)范和標準圖集為準。