正壓外殼型防爆變頻調速異步電動機設計及試驗項目

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(中車永濟電機有限公司，陜西西安710000)

0 引言

隨著石油鉆井行業和電力電子器件的日益發展，以及國家對節能和石油鉆井行業安全的重視，適用于2區爆炸危險場所的鉆機配套主驅動電機的安全性要求也愈來愈高。采用防爆電機作為鉆機主驅動電機成為一種基本要求，而正壓外殼型強迫通風冷卻防爆電機相對于其它型式的防爆電機應用于石油鉆井領域正變得愈來愈重要。根據行業的發展需求，我們開發出不同功率等級的應用于該行業的正壓外殼型變頻調速異步電動機(防爆標志Ex d e pz ⅡB T3 Gc)，并得到了廣泛的應用。

1 電氣設備的原理及分類

1.1 電氣設備(包括電機)分類和溫度組別

爆炸性環境用電氣設備分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。

Ⅰ類：電氣設備用于煤礦瓦斯氣體環境。

Ⅱ類：電氣設備用于除煤礦瓦斯氣體之外的其他爆炸性氣體環境。Ⅱ類電氣設備按照其擬使用的爆炸性環境的種類可進一步再分類。

ⅡA類：代表性氣體是丙烷；ⅡB類：代表性氣體是乙烯；ⅡC類：代表性氣體是氫氣。

表1 Ⅱ類電氣設備的最高表面溫度分組

Ⅲ類：電氣設備用于除煤礦以外的爆炸性粉塵環境。

1.2 防爆原理及防爆形式分類

所謂正壓外殼型防爆電機，就是將具有一定壓力的保護性氣體充入電機正壓外殼內，使其對電機外殼內部可能產生火花、電弧和危險溫度的電氣元器件進行保護，這樣，這些元器件就不會發生點燃爆炸性氣體混合物的危險。

按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環境用防爆電氣設備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規定，正壓保護依據外部的爆炸性環境(Ⅰ類，1區和2區)、是否有內釋放，以及正壓外殼內的電氣設備是否有點燃能力可以劃分為px、py和pz三種型式，見表2。一般石油鉆井鉆機主驅動正壓外殼型變頻調速異步電動機為pz型(設備保護級別為Gc)。

表2 正壓防爆形式分類

2 正壓外殼型防爆電機設計要點

2.1 電磁設計

正壓外殼型防爆電機相比于增安型防爆電機，對電機溫升要求沒有那么苛刻，pz 型正壓防爆電機僅考核正壓外殼外表面的最高表面溫度，通過合理設計選取定、轉子槽配合；電磁設計時選取較小的發熱因數和定子電密；優化電機定、轉子通風冷卻結構，通過在定子與機座間的通風道內增加環筋，改變風路，降低定、轉子溫升。我公司開發的油田鉆井正壓外殼型防爆電機為2區Ⅱ類電氣設備，溫度組別為T3(最高表面溫度200℃)，電機絕緣等級為200級的允許溫升值均能滿足正壓防爆要求。

2.2 結構設計

2.2.1 正壓外殼風道設計。我公司正壓外殼型防爆電機冷卻方式為強迫通風冷卻，即持續的以規定的速率將保護性氣體(從安全區取潔凈的空氣)送入電機內部，以將電機內部的可能含有的爆炸性氣體的濃度在任何潛在的點燃源附近均稀釋到爆炸限值之外，因此將電機風路設計成滿足電機冷卻所需的結構，合理分配各風道的風量，既能滿足電機自身冷卻的風量要求，又能符合正壓外殼型防爆的標準。

2.2.2 正壓外殼機械強度。按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環境用防爆電氣設備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規定，正壓外殼管道和它們的連接部件應承受電機正常運行時，所有排氣孔封閉狀態下最大正壓的1.5倍壓力，而不會產生任何使防爆性能失效的永久性變形。公司現有電機設計的外殼均采用Q235系列鋼板加工或者焊接而成，機械強度均能滿足正壓防爆認證要求。

2.2.3 正壓外殼的防護等級設計。按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環境用防爆電氣設備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規定，對于強迫通風冷卻的正壓外殼型變頻調速異步電動機，其最低為IP4X。對于強迫風冷正壓外殼型防爆電機，只需要在電機進風口、出風口、兩端軸承單元和電機定子三相引出線等四個部位考慮防護等級要求設計。進風口和出風口采用“人”字型外加擋板濾網結構，滿足正壓防護等級要求；定子三相引出線為銅排直接引出硬連線結構，并且引出銅排用環氧酚醛層壓玻璃布板固定，并用進口硅橡膠密封；電機傳動端和非傳動端軸承單元采用多層迷宮結構。通過以上設計，使得我公司多功率級正壓外殼型防爆電機整機防護等級達到IP44，滿足正壓防爆要求。

2.2.4 正壓外殼門和蓋的設計。對于應用于2區的Ⅱ類正壓外殼型防爆電機，正壓外殼的門和蓋采用緊固螺栓固定，必須用專用工具才能打開。并且在表面設有“嚴禁在電機運行和危險場所時打開”的警告標識。

3 正壓外殼型防爆電機試驗項目

公司正壓外殼型防爆電機，防爆型式為pz,保護性氣體為純潔的空氣，正壓防爆主要通過以下試驗項目。

3.1 外殼試驗

正壓外殼型防爆電機外殼試驗包括抗沖擊試驗、耐熱試驗、耐寒試驗，試驗依據GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》。

3.2 防護等級試驗

依據GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》規定，對整機進行IP44防護等級試驗；對接線盒部分進行IP55防護等級試驗。

3.3 最高正壓試驗

最高正壓試驗也可叫外殼強度試驗，主要驗證的是正壓防爆電機外殼強度、連接管道應無斷裂、無永久性變形、密封墊無擠出、錯位等現象。試驗開始時，電機不通電，關閉正壓外殼的全部泄壓口，并充入壓縮空氣達到規定最大正壓值1.5倍的壓力或200Pa壓力之中較大的壓力值，保持2min。結束后檢查電機各部位有無永久性變形。

3.4 最低正壓試驗

正壓外殼型防爆電機試驗中，此項試驗的目的是驗證正壓外殼型防爆電機是否能持續保持電機正壓外殼內部比周圍大氣壓高，以防止可燃性氣體進入電機內部造成危險。在電機靜止和額定轉速狀態下，出風口位置檢測風壓(對于pz型，不低于25Pa)。

3.5 泄漏試驗

正壓電機外殼內的壓力應調整到規定的正常運行時的最大壓力，然后封閉各個進、排氣口，待壓力穩定后，在進氣口測定泄漏流速。所測得的流速應不大于規定的最大泄漏流速。

3.6 換氣和稀釋試驗

本試驗是正壓防爆電機試驗中比較關鍵的一項內容，是正壓外殼型防爆電機起動前必須進行的程序。試驗時，在防爆電機進、出風口外殼設置4～6個小孔，小孔位置大致如圖1所示。

圖1 換氣和稀釋試驗的小孔位置圖

試驗時，所選用的試驗氣體一般應該是非可燃性的和無毒的。在正壓外殼型防爆電機要求包括所有的可燃性氣體時，所有輕于空氣的可燃性氣體使用氦氣，所有重于空氣的可燃性氣體使用氬氣或者二氧化碳，試驗分兩次進行。將電機進、出風口封閉，用連接軟管從預留口向電機內部通入氦氣(濃度99.99%)，檢測進風室、接線盒、出風罩內部氦氣濃度≥70%時，拆除電機進、出風口小孔封閉物，啟動風機同時開始計時，測量進風室、接線盒、出風罩部位氦氣濃度≤1%時所用的時間，即為換氣時間。第二次試驗，將電機進、出風口封閉，用連接軟管從預留口向電機內部通入二氧化碳氣體(濃度99.99%)，檢測進風室、接線盒、出風罩內部氦氣濃度≥70%時，拆除電機進、出風口小孔封閉物，啟動風機同時開始計時，測量進風室、接線盒、出風罩內部二氧化碳濃度≤0.25%時所用的時間，即為換氣時間。兩次試驗中測得的較長換氣時間要小于公司規定的最短換氣持續時間。

換氣量計算W方法

W=Q×tp

式中，W—最小換氣量(m3)；Q—保護性氣體的最小流量(m3/s)；tp—測量時間。

3.7 原理圖

正壓外殼型防爆電機氣路原理圖如圖2所示，正壓外殼型防爆電機控制原理圖如圖3所示。

圖2 正壓外殼型防爆電機氣路原理圖

圖3 正壓外殼型防爆電機控制原理圖

4 結語

根據油田鉆井行業的特殊工作場所，我們了解到了爆炸性環境用電氣設備的分類，正壓外殼型防爆變頻調速異步電動機的防爆原理和防爆型式分類。這讓更多的設計者了解此類電機的防爆重點，在以后的工作中設計出更適合此類危險場所應用的電機。