正壓外殼型電機的防爆技術特點

(佳木斯防爆電機研究所， 黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

近年來，正壓外殼型防爆技術開始逐步應用于大型防爆電機的制造，相比隔爆型、增安型和粉塵外殼保護型這幾種常見的防爆型式，其具有一定的優勢。正壓外殼型電機不僅制造成本較低，而且應用范圍非常廣，包括煤礦井下、工廠爆炸性氣體的1區、2區和粉塵爆炸等危險性場所。

正壓外殼型電機的技術特點：一方面保護氣體的壓力和流量的檢測控制屬于弱電檢測保護領域；另一方面正壓外殼型防爆標準中也存在一些需要在設計、檢驗過程中來明確的關鍵技術內容。根據其技術特點，解決實際生產過程中的技術難點是技術人員面臨的一項重要任務。本文將對正壓外殼型電機的防爆原理及結構特點進行如下闡述。

1 基本原理和特點

正壓外殼型電機，也稱通風充氣型電機，是在普通電機上增加可通風充氣裝置，向電機外殼內流通保護氣體(不含有爆炸性混合物)，在電機內部形成一個比大氣壓力稍高的規定正壓，用于阻止外部的爆炸性混合物進入電機外殼內部，從而達到防爆目的。因此，正壓外殼型電機除了配有一整套通風充氣裝置外，還必須配有維持電機內部規定的正壓的繼電保護和連鎖裝置，這樣才能確保安全使用。

正壓外殼型電機采用的保護氣體一般為純凈的空氣，也可以是惰性氣體或其它適宜的氣體。這種正壓保護形式應用于電機，操作方法一般有兩種：一種是保護氣體的出口常開，通過保護氣體連續在外殼內流動維持必要的過壓，標準上稱這種方法為稀釋氣流正壓技術；另一種是保護氣體的出口關閉，保護氣體以持續小流量或斷續補償的形式彌補外殼內氣體的泄漏損失，標準上稱為泄漏補償正壓技術。無論哪種保護方法，都要求殼體內的壓力和外部壓力相比，正壓值至少為50Pa(對于PZ為25 Pa)，屬于微壓環境。

兩種正壓保護形式都需要一個電機啟動前的換氣過程，過去稱為啟動前吹掃，現在標準定義為換氣。換氣量的多少通過型式試驗確定，同時按5倍內腔容積換算，兩者取高值。整個過程為啟動前大流量換氣，內腔環境安全后，進入上述的兩種保護形式之一，維持正壓。

兩種正壓保護形式在實際應用中，通常采用第二種保護形式，即泄漏補償正壓技術。因為該方法的運行費用較低。據資料統計，連續稀釋所用保護氣體的數量約為泄漏補償的40倍。因此，除非內部元件產生大量熱損耗，保護氣體不僅保證防爆安全而且必須依賴其通風散熱時，采用連續氣體稀釋維持正壓才是合理的。

2 執行標準

正壓外殼型“p”是依據《爆炸性氣體環境用電氣設備 第5部分：正壓外殼型“p”》(GB 3836.5—2004)，應用于爆炸性氣體危險環境。尤其適用于不能制成其它防爆型式的體積極大，而且形狀復雜的設備，如大型防爆開關、控制柜體等。近幾年，國內的電機制造廠已將這種防爆型式應用于大型高壓電機的防爆保護。

應用于爆炸性粉塵環境的防爆標準也有這種保護形式，稱為正壓保護型“pD”，其標準為《可燃性粉塵環境用電氣設備 第7部分：正壓保護型“pD” 》(GB 12476.7—2010)，等同于2001年的IEC 61241—4標準。粉塵標準頒布較晚，粉塵危險環境中的防爆產品其生產制造也一直沒有形成規模，目前未見有采用此種正壓保護型“pD”的粉塵防爆電機。

從國外看，2014年，IEC標準《Explosive atmospheres-Part 2:Equipment protection by pressurized enclosure“p”》(IEC 60079—2)修訂為第6版，該標準同時代替了粉塵環境的IEC 61241—4：2001標準，將氣體和粉塵兩種保護形式合并處理，采用一種標志，即正壓外殼型“p”。

對于粉塵環境應用正壓保護，國外曾有這樣的觀點，即正壓保護型“pD”是否適用粉塵環境還須慎重。考慮的最主要問題是，正壓外殼并不要求外殼塵密處理，內部不可避免會透入可燃性粉塵，而換氣和連續氣流通風時，如果沒有將出風管道通到安全場所，現場在設備上出風出塵，或者是設備泄漏量比較大，進出風管道密封不嚴，導致粉塵透出外殼在設備周邊旋起懸浮，形成粉塵危險環境，反而達不到預期的防爆目的。

IEC 61241—4：2001和IEC 60079—2：2014標準在粉塵環境應用的技術要求部分并沒有明顯的額外考慮上述狀況，新版IEC 60079—2：2014標準只是增加了一項電源重啟前的外殼內殘留粉塵的清洗過程要求，具體是只在危險場所開蓋后要求，采取何種方式清洗移除，有待于進一步理解。

3 邏輯控制保護

正壓外殼型保護有一套邏輯動作關系，常用的泄漏補償正壓外殼的簡單邏輯程序為：通風吹掃裝置啟動-狀態檢查(如壓力值低于設定值)-開始換氣-待排氣口端的流量計檢測到流量大于最小流速時開始計時-計時結束(換氣結束)-換氣與電機啟動的互鎖動作-電機啟動(同時進入泄漏補償程序，這時可以連續小流量補償，也可根據壓力變化斷續補償)。如果壓力低于中間設定值需要補氣，壓力恢復后停止補氣。過程中如遇壓力低于報警或最低動作值，發生氣源斷氣，吹掃裝置失電等，控制主電源斷電，通風吹掃裝置歸零，回到初始狀態。

實際的邏輯控制保護還要復雜些，例如包括外殼達到所能承受的最高壓力限定值時主電源斷電等。泄漏補償換氣控制系統的真值見表1，泄漏補償換氣控制系統的狀態見圖1。

表1 泄漏補償換氣控制系統的真值表

圖1 泄漏補償換氣控制系統的狀態圖

設備的狀態分4種，S0、S1、S2和S3。分別代表S0初始狀態、S1開始換氣臨界狀態、S2換氣狀態和S3換氣結束，可以送電了。這4種狀態由4個監測信號組成邏輯關系來轉換或判斷是否成立，這4個監測信號分別為MOP、XOP、PELO和PTIM，分別代表過壓>50Pa(對于PZ型25Pa)、超過最高過壓值、換氣流量>最小和換氣時間結束。均為開關量信號，用真值表示為1和0，4個信號有16種組合，表1中均列出。序號1、6、9、12這4種組合不可能存在，表1中也列出，但不影響狀態的轉換。

舉例說明，如果序號13一行的狀態為壓力值在最低和最高之間，換氣流量還未到最小值，無法計時，也就是換氣還未開始。這時如果換氣量達到了最小值，也就是PELO為1，則進入序號14一行的狀態，開始換氣了。換氣計時結束，PTIM為1，壓力值在最低和最高之間，意味著換氣過程結束，可以給設備主電源送電了。

4 技術難點

正壓外殼技術復雜在于需要一套保護控制系統。外殼的密封，保護性氣體的流量穩定控制及精準測量都具備一定難度，因此，正壓外殼型電機在現階段的制造和檢驗過程中有3個技術難點需要解決。

4.1 外殼內最低正壓點的正壓值的檢測和傳感器的設置。從圖2和圖3中，我們可以了解，外殼內的壓力值隨著外殼幾何形狀，通風口位置、接合面密封位置和密封狀況等因素影響是變化的，內外部有旋轉風扇的電機還可能會產生負壓點(圖中B點)，即由于風扇的作用，在殼體部件上產生負壓，而且造成外部環境侵入氣體的危險。型式試驗的目的就是幫助制造廠找到最低點，設置一個或幾個微壓計用于監視、報警或動作。必要時找到負壓點，改進結構，包括改變風扇位置，加強風扇附近的接合面密封性等。

圖2 保護氣體排氣口無火花和顆粒擋板

圖3 具有泄漏補償的正壓外殼，旋轉電動機具有內冷風扇

4.2 對于可應用于1區環境的px保護型式，《爆炸性氣體環境用電氣設備 第5部分：正壓外殼型“p”》(GB 3836.5—2004)標準7.7 c)要求，在換氣階段須由正壓外殼排氣口處監測換氣實際流速，不允許推斷，即不允許從排氣口外殼壓力和規定的開口推斷。這就要求須在排氣口處設置的是流量計，而不是壓力計或簡單的機械膜片，來確定換氣過程是否符合要求。

流量監測在正壓控制系統設計中是個難點，不易處理。原因如下：流量儀表本身是電氣元件，在設備的排氣口處安裝，必要時還需進行防爆處理。排氣口處的壓力不會很高，流量計除了電磁流量計外，壓力損失都比較大。電磁流量計測量的流體必須導電，保護氣體又不導電。

4.3 保護氣體的泄漏試驗作為一項例行試驗，是每臺設備出廠均要求做的。制造廠如何給出這一限制值，來判斷每一臺設備外殼的密封性是否達標，目前還沒有可靠的依據，防爆標準中也未明確。因為樣機經過型式試驗中的泄漏試驗得到了最大泄漏流速，對待這個實測值，出廠時是放大還是縮小，放大多少可以接受，無從參考。

5 現有正壓外殼型電機結構特點

國內現有的正壓外殼型電機，有同步機也有異步機。多數為簡單的購進集成正壓通風裝置，配置在電機主體外殼外，管路接入工作氣源，通風裝置的輸出用導管引入電機主腔，在電機主腔底部展開一根氣管，若干出氣孔，通氣吹掃方向與電機旋轉方向一致，排氣口設在在電機冷卻器上端。

此種結構的電機對電機制造廠很實用，省去了通風裝置的設計和制造，但也受到外購集成正壓通風裝置的的限制，使用上有一定局限性，主要涉及3個方面。

5.1 管徑尺寸固定，換氣流量不夠充沛，對接線盒、同步機的多腔體結構，容易造成吹掃死角，導致目前高壓正壓外殼型電機的接線盒仍采用增安型結構。而增安型的接線盒內密閉空腔，在電機主體經過換氣階段后，其內部是否還是2區危險環境，值得商榷。

5.2 個別集成正壓通風裝置還沒有解決上述4.2的問題，不能應用在1區危險場所，還不能取得px等級的防爆認證。

5.3 個別基本型集成正壓通風裝置還只能實現1點壓力值的采樣監測，對于多腔體、復雜結構，帶內外風扇的電機結構，滿足不了要求。

6 對正壓外殼型電機技術改進的建議

6.1 正壓外殼型電機的最大正壓值，要考慮進口壓力完全放在調節器出口處的這種故障模式，以驗證泄放裝置限制內部壓力的快速反應和可靠性，對于壓縮氣體供氣，目前還是取690kPa值比較適合。

6.2 考慮增大接線盒與電機主腔的貫通面積，提高換氣流量的設置，電機整體制成正壓外殼型結構。

6.3 對于有內或外風扇的旋轉電機，最低正壓試驗要增加電機最大額定轉速下的運行試驗，以獲得最低正壓點的位置，電機外殼內的壓力傳感器的布置應不止1個。

6.4 考慮研制高功率密度，大流量稀釋氣流正壓外殼型電機，取消電機內外風扇，完全依靠稀釋氣流通風散熱。但這種結構勢必會增加供氣的電能損耗，還需用戶的認可。

6.5 對于粉塵保護型“pD”，排氣口不宜設在設備上，需通過管道連到安全場所出風出塵。

7 結語

正壓外殼型電機將迎來一個快速發展的時期，因此加大對此類電機的技術改進將對其發展起著重要作用。本文僅從正壓外殼型電機的防爆角度，分析了其技術特點以及目前需解決的技術難點，對設計制造者提供一些有益的建議和線索，供大家參考。

[1] GB/T 3836.5—2017 爆炸性環境 第5部分: 由正壓外殼“p”保護的設備.

[2] IEC 61241—4可燃性粉塵環境用電氣設備 第4部分：正壓保護型“pD”.

[3] IEC 60079—2:2014 Explosive atmospheres-Part 2: Equipment protection by pressurized enclosure “p”.