正壓外殼型防爆變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)項(xiàng)目

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(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安710000)

0 引言

隨著石油鉆井行業(yè)和電力電子器件的日益發(fā)展，以及國家對(duì)節(jié)能和石油鉆井行業(yè)安全的重視，適用于2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場所的鉆機(jī)配套主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安全性要求也愈來愈高。采用防爆電機(jī)作為鉆機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)成為一種基本要求，而正壓外殼型強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻防爆電機(jī)相對(duì)于其它型式的防爆電機(jī)應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域正變得愈來愈重要。根據(jù)行業(yè)的發(fā)展需求，我們開發(fā)出不同功率等級(jí)的應(yīng)用于該行業(yè)的正壓外殼型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)(防爆標(biāo)志Ex d e pz ⅡB T3 Gc)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

1 電氣設(shè)備的原理及分類

1.1 電氣設(shè)備(包括電機(jī))分類和溫度組別

爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。

Ⅰ類：電氣設(shè)備用于煤礦瓦斯氣體環(huán)境。

Ⅱ類：電氣設(shè)備用于除煤礦瓦斯氣體之外的其他爆炸性氣體環(huán)境。Ⅱ類電氣設(shè)備按照其擬使用的爆炸性環(huán)境的種類可進(jìn)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(shè)備的最高表面溫度分組

Ⅲ類：電氣設(shè)備用于除煤礦以外的爆炸性粉塵環(huán)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(jī)，就是將具有一定壓力的保護(hù)性氣體充入電機(jī)正壓外殼內(nèi)，使其對(duì)電機(jī)外殼內(nèi)部可能產(chǎn)生火花、電弧和危險(xiǎn)溫度的電氣元器件進(jìn)行保護(hù)，這樣，這些元器件就不會(huì)發(fā)生點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的危險(xiǎn)。

按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規(guī)定，正壓保護(hù)依據(jù)外部的爆炸性環(huán)境(Ⅰ類，1區(qū)和2區(qū))、是否有內(nèi)釋放，以及正壓外殼內(nèi)的電氣設(shè)備是否有點(diǎn)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(jī)主驅(qū)動(dòng)正壓外殼型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)為pz型(設(shè)備保護(hù)級(jí)別為Gc)。

表2 正壓防爆形式分類

2 正壓外殼型防爆電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 電磁設(shè)計(jì)

正壓外殼型防爆電機(jī)相比于增安型防爆電機(jī)，對(duì)電機(jī)溫升要求沒有那么苛刻，pz 型正壓防爆電機(jī)僅考核正壓外殼外表面的最高表面溫度，通過合理設(shè)計(jì)選取定、轉(zhuǎn)子槽配合；電磁設(shè)計(jì)時(shí)選取較小的發(fā)熱因數(shù)和定子電密；優(yōu)化電機(jī)定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，通過在定子與機(jī)座間的通風(fēng)道內(nèi)增加環(huán)筋，改變風(fēng)路，降低定、轉(zhuǎn)子溫升。我公司開發(fā)的油田鉆井正壓外殼型防爆電機(jī)為2區(qū)Ⅱ類電氣設(shè)備，溫度組別為T3(最高表面溫度200℃)，電機(jī)絕緣等級(jí)為200級(jí)的允許溫升值均能滿足正壓防爆要求。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 正壓外殼風(fēng)道設(shè)計(jì)。我公司正壓外殼型防爆電機(jī)冷卻方式為強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即持續(xù)的以規(guī)定的速率將保護(hù)性氣體(從安全區(qū)取潔凈的空氣)送入電機(jī)內(nèi)部，以將電機(jī)內(nèi)部的可能含有的爆炸性氣體的濃度在任何潛在的點(diǎn)燃源附近均稀釋到爆炸限值之外，因此將電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)成滿足電機(jī)冷卻所需的結(jié)構(gòu)，合理分配各風(fēng)道的風(fēng)量，既能滿足電機(jī)自身冷卻的風(fēng)量要求，又能符合正壓外殼型防爆的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 正壓外殼機(jī)械強(qiáng)度。按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規(guī)定，正壓外殼管道和它們的連接部件應(yīng)承受電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，所有排氣孔封閉狀態(tài)下最大正壓的1.5倍壓力，而不會(huì)產(chǎn)生任何使防爆性能失效的永久性變形。公司現(xiàn)有電機(jī)設(shè)計(jì)的外殼均采用Q235系列鋼板加工或者焊接而成，機(jī)械強(qiáng)度均能滿足正壓防爆認(rèn)證要求。

2.2.3 正壓外殼的防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)。按照GB 3836.5—2004《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第5部分：正壓外殼型“P” 》的規(guī)定，對(duì)于強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的正壓外殼型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，其最低為IP4X。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷正壓外殼型防爆電機(jī)，只需要在電機(jī)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、兩端軸承單元和電機(jī)定子三相引出線等四個(gè)部位考慮防護(hù)等級(jí)要求設(shè)計(jì)。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口采用“人”字型外加擋板濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足正壓防護(hù)等級(jí)要求；定子三相引出線為銅排直接引出硬連線結(jié)構(gòu)，并且引出銅排用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板固定，并用進(jìn)口硅橡膠密封；電機(jī)傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端軸承單元采用多層迷宮結(jié)構(gòu)。通過以上設(shè)計(jì)，使得我公司多功率級(jí)正壓外殼型防爆電機(jī)整機(jī)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP44，滿足正壓防爆要求。

2.2.4 正壓外殼門和蓋的設(shè)計(jì)。對(duì)于應(yīng)用于2區(qū)的Ⅱ類正壓外殼型防爆電機(jī)，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(shè)有“嚴(yán)禁在電機(jī)運(yùn)行和危險(xiǎn)場所時(shí)打開”的警告標(biāo)識(shí)。

3 正壓外殼型防爆電機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目

公司正壓外殼型防爆電機(jī)，防爆型式為pz,保護(hù)性氣體為純潔的空氣，正壓防爆主要通過以下試驗(yàn)項(xiàng)目。

3.1 外殼試驗(yàn)

正壓外殼型防爆電機(jī)外殼試驗(yàn)包括抗沖擊試驗(yàn)、耐熱試驗(yàn)、耐寒試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》。

3.2 防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)

依據(jù)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》規(guī)定，對(duì)整機(jī)進(jìn)行IP44防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)；對(duì)接線盒部分進(jìn)行IP55防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)。

3.3 最高正壓試驗(yàn)

最高正壓試驗(yàn)也可叫外殼強(qiáng)度試驗(yàn)，主要驗(yàn)證的是正壓防爆電機(jī)外殼強(qiáng)度、連接管道應(yīng)無斷裂、無永久性變形、密封墊無擠出、錯(cuò)位等現(xiàn)象。試驗(yàn)開始時(shí)，電機(jī)不通電，關(guān)閉正壓外殼的全部泄壓口，并充入壓縮空氣達(dá)到規(guī)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(jié)束后檢查電機(jī)各部位有無永久性變形。

3.4 最低正壓試驗(yàn)

正壓外殼型防爆電機(jī)試驗(yàn)中，此項(xiàng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證正壓外殼型防爆電機(jī)是否能持續(xù)保持電機(jī)正壓外殼內(nèi)部比周圍大氣壓高，以防止可燃性氣體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部造成危險(xiǎn)。在電機(jī)靜止和額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，出風(fēng)口位置檢測風(fēng)壓(對(duì)于pz型，不低于25Pa)。

3.5 泄漏試驗(yàn)

正壓電機(jī)外殼內(nèi)的壓力應(yīng)調(diào)整到規(guī)定的正常運(yùn)行時(shí)的最大壓力，然后封閉各個(gè)進(jìn)、排氣口，待壓力穩(wěn)定后，在進(jìn)氣口測定泄漏流速。所測得的流速應(yīng)不大于規(guī)定的最大泄漏流速。

3.6 換氣和稀釋試驗(yàn)

本試驗(yàn)是正壓防爆電機(jī)試驗(yàn)中比較關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容，是正壓外殼型防爆電機(jī)起動(dòng)前必須進(jìn)行的程序。試驗(yàn)時(shí)，在防爆電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口外殼設(shè)置4～6個(gè)小孔，小孔位置大致如圖1所示。

圖1 換氣和稀釋試驗(yàn)的小孔位置圖

試驗(yàn)時(shí)，所選用的試驗(yàn)氣體一般應(yīng)該是非可燃性的和無毒的。在正壓外殼型防爆電機(jī)要求包括所有的可燃性氣體時(shí)，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(yàn)分兩次進(jìn)行。將電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口封閉，用連接軟管從預(yù)留口向電機(jī)內(nèi)部通入氦氣(濃度99.99%)，檢測進(jìn)風(fēng)室、接線盒、出風(fēng)罩內(nèi)部氦氣濃度≥70%時(shí)，拆除電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口小孔封閉物，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)同時(shí)開始計(jì)時(shí)，測量進(jìn)風(fēng)室、接線盒、出風(fēng)罩部位氦氣濃度≤1%時(shí)所用的時(shí)間，即為換氣時(shí)間。第二次試驗(yàn)，將電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口封閉，用連接軟管從預(yù)留口向電機(jī)內(nèi)部通入二氧化碳?xì)怏w(濃度99.99%)，檢測進(jìn)風(fēng)室、接線盒、出風(fēng)罩內(nèi)部氦氣濃度≥70%時(shí)，拆除電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口小孔封閉物，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)同時(shí)開始計(jì)時(shí)，測量進(jìn)風(fēng)室、接線盒、出風(fēng)罩內(nèi)部二氧化碳濃度≤0.25%時(shí)所用的時(shí)間，即為換氣時(shí)間。兩次試驗(yàn)中測得的較長換氣時(shí)間要小于公司規(guī)定的最短換氣持續(xù)時(shí)間。

換氣量計(jì)算W方法

W=Q×tp

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

3.7 原理圖

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

圖2 正壓外殼型防爆電機(jī)氣路原理圖

圖3 正壓外殼型防爆電機(jī)控制原理圖

4 結(jié)語

根據(jù)油田鉆井行業(yè)的特殊工作場所，我們了解到了爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備的分類，正壓外殼型防爆變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的防爆原理和防爆型式分類。這讓更多的設(shè)計(jì)者了解此類電機(jī)的防爆重點(diǎn)，在以后的工作中設(shè)計(jì)出更適合此類危險(xiǎn)場所應(yīng)用的電機(jī)。