爆炸性環境用變頻驅動系統防爆功能技術分析

李世光，伍小杰，于月森，夏晨陽，王新華

（1.中國礦業大學江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室，江蘇徐州 221116；2.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510760；3.國家防爆設備質量監督檢驗中心（廣東），廣東廣州 510760）

中國工程院《能源發展戰略2030—2050》中預測，截止2050 年，雖然煤炭占一次能源比重控制在50%以下，但仍需25～30 億t，煤炭資源對我國經濟建設和發展依然發揮著重要作用。為實現煤炭的高效安全與智能化開采，煤礦機電設備的應用有著巨大的需求，礦用防爆電動機的需求量保持在12 000 000～15 000 000 kW/a 左右，石油、天然氣和化工行業防爆電動機的需求量達到800～12 000 000 kW，其他制藥、化工建材、冶金、城市煤氣等其他相關行業到10 000 000～12 000 000 kW/a。隨著國家經濟從高速發展轉變成高質量發展的戰略要求，節約環保成為電氣傳動技術的改革發展動力[1-2]。

電動機和變頻器組成的變頻驅動系統是現代工業中不可或缺的動力源和工藝控制核心能源單元，隨著電力電子器件的迭代更新，變頻驅動系統的應用變得越來越廣泛。在煤礦、石化等現代工業生產中存在可燃性混合物形成廣泛的爆炸性環境，電氣驅動系統由于電火花和熱表面等潛在點燃源的存在可能引起爆炸，導致人員傷亡和重大損失。如2006年美國馬薩諸塞州丹佛斯市CAI/Arnel 制造工廠發生了爆炸造成10 人傷亡，調查報告顯示點燃源之一為加熱器散熱風機用電機[3]。深圳市光明新區精藝星五金加工廠“4·29”較大爆炸事故造成5 人死亡，5 人受傷，直接原因為采用非防爆型軸流風機電機在持續負載導致電機繞組高溫引燃的火花吹入矩形磚槽除塵風道引起粉塵爆炸[4]。2017 年貴州水城礦業大河邊煤礦“2·27”較大爆炸事故，造成9 人死亡，9 人受傷，事故調查發現機尾刮板輸送機電機內腔爆炸引起局部瓦斯爆炸[5]。

為保證變頻驅動系統在爆炸性環境下的安全運行，解決變頻驅動系統的防爆問題成為了不少學者的研究方向。鑒于此，總結爆炸性環境下變頻驅動系統安全技術的發展現狀，針對防爆變頻驅動系統存在的問題，提出未來發展方向，為爆炸性環境下變頻驅動系統防爆技術研究工作提供參考。

1 監管與技術法規

國際上大部分國家對防爆產品的檢測認證制定了嚴格的法規或指令，并被當地政府強制執行。2019年，我國市場監管總局發布第34 號文將生產許可轉為CCC 強制性產品認證管理。歐洲委員會發布的ATEX 指令“潛在爆炸環境用的設備及保護系統”2014/34/EU。美國職業安全與健康管理局（OSHA）根據法規29 CFR 1910.307，OSHA 通過要求相關方采購和安裝符合國家電氣規范NFPA 70 和NEC 500系列。獨聯體地區成立海關聯盟“CU-TR”（TP TC 012/2011），統一的認證標識為“EAC”。其他地區多通過法規的形式采用國際電工委制訂的IECEx 體系進行監管。

針對爆炸性環境用變頻驅動系統安全的研究，部分國家和國際組織制定出相關的標準或指南。我國強制性標準GB 3836 系列中對隔爆型、增安型和無火花型電機提出具體的機電要求，但由變頻器供電的電機在GB 3836.1 資料性附錄F 中提出應考慮額外溫升、振動和噪聲等負面影響，并提示可能存在軸電壓和軸電流引燃的風險，變頻器與電動機應按照系統進行認證，但未給出具體技術要求和檢測方案。我國制訂的JB/T 7118—2014 行業標準、MT/T 1040—2019 行業標準新增了軸電壓的要求和測定要求，提出了當軸電壓超過300 mV 時，應有防止軸電流的可靠絕緣結構。JB/T 11201.1—2011 標準提出了變頻范圍內性能要求、最高表面溫度、噪聲和振動的試驗方法。

IEEE 發布的《IEEE 1349 I 類2 級或2 區危險場所用電動機應用指南》給出了正弦波和非正弦波應用的表面溫度測試方法，總結了軸承放電現象，并首次在標準中提出了軸承電容放電的簡易評估方法[6]。UL 發布的《UL674 在危險（分類）場所使用的電動機和發電機》主要給出了北美體系中I 類1 級電機技術要求和型式試驗，針對變頻驅動電動機僅給出最高表面溫度限制測試要求和方法。《UL 1836 在I 類2 級，I 類2 區，II 類2 區和22 區危險（分類）場所使用電動機和發電機》給出了北美體系系電動機的技術要求和試驗方法，同時參考IEEE 1349 給出了軸承電容放電簡易評估方法。

可見，在爆炸性環境下變頻驅動系統的應用中，已有較成熟的單一部件標準，但是作為一個系統，對系統聯動過程產生的負面因素安全評估還需深入研究。目前，隨著功能安全概念在其他領域的成功應用，針對涉及爆炸風險設備的安全部件防爆功能安全技術要求，EN 50495：2010 給出了評估的指引，EN 15233：2007 給出了潛在爆炸性氣體用保護系統功能安全評估的方法。同時國際電工委發布了IEC TS 60079－42 技術報告。防爆設備的功能安全評估存在許多需要深入探討的問題，尚未形成正式標準。

2 爆炸性環境下變頻驅動系統技術分析

2.1 爆炸性環境變頻驅動系統結構與安全

從系統工程理論的角度來看，變頻驅動系統是一個復雜機電一體化系統，在啟動、運行、停止過程中，會產生許多涉及安全的故障。從系統結構看，爆炸性環境驅動系統的配置有：直接在線電機驅動系統、變頻器安裝在非防爆區域時系統結構、變頻器和電機均在防爆區域時系統結構。

2.1.1 直接在線電機驅動系統

直接在線電機驅動系統如圖1。直接在線電機驅動系統為經電機起動器直接啟動或經軟啟動器等輔助裝置驅動防爆電動機，該類系統只需通過防爆措施解決單一部件的危險點燃源，現場應用根據不同的防爆區域采用不同防爆型式電動機。

圖1 直接在線電機驅動系統Fig.1 Direct on-line motor drive system

2.1.2 變頻器安裝在非防爆區域時系統

變頻器安裝在非防爆區為防爆區電機供電組成示意圖如圖2。變頻器安裝在非防爆區域時系統通過防爆用動力電纜驅動多種防爆型式電動機，此時因受場所限制動力電纜和信號電纜極大可能存在長距離傳輸的情況。研究表明，脈沖波形在長距離傳輸超過臨界值時電機輸入端電壓將接近變頻器輸出端電壓的2 倍，該過電壓對防爆電動機的絕緣和安全性能產生極大的影響[7]。對于隔爆型電機，變頻器帶來負面影響主要體現在長距離傳輸過電壓導致電機接線腔的電氣間隙和爬電距離增大。

圖2 變頻器在非防爆區域系統結構Fig.2 Drive system structure with VFD installed in non-explosion-proof area

對于增安型、無火花型防爆電機，變頻供電條件下主要考慮局部放電引燃爆炸混合物的可能性。文獻[8-9]詳細地研究了連續高壓方波脈沖對牽引電機絕緣局部放電和空間電荷的行為及機理、老化特征及表征參量等，設計了新的局部放電測量方法和軟件，研究表明脈沖頻率增加和電壓上升時間的縮短都會導致反向電場作用增強，而局部放電加劇將導致電機繞組絕緣的過早失效。文獻[10-12]為解決爆炸性環境下變頻驅動系統局部放電的線監測問題，提出新的傳感器方案，并在實踐中成功應用。目前提出的超聲波、射頻監測法、光學等檢測方法均為統計意義上的平均值，無法精確測量局部放能量的大小[13]。因此標準GB 3836.3 和GB 3836.8 均對增安型和無火型電機定、轉子點燃危險因數的潛在的氣隙火花、局部放電危險評價采用定性評價的方法。因此在長距離傳輸條件下，防爆電動機絕緣等級需要大幅提高，帶來風險的同時提高使用成本。

2.1.3 變頻器和電機均在防爆區域時系統

為克服長距離傳輸的缺點，或現場應用的需要時，將變頻器和電機均安裝于爆炸性環境，變頻器和電動機均在防爆區域時系統結構如圖3。因變頻器中內部電氣部件存在電弧和熾熱表面，僅可采用隔爆型、隔爆兼本安型、油浸型和正壓型。隔爆型電動機和增安型電機用于1 區，無火花型電機用于2 區，由于增安型不允許有存在電弧或熾熱表面，考慮到旋轉編碼器等部件，因此增安型電機采用閉環控制其反饋電路只能使用本安電路實現。而隔爆型電動機和無火花型電動機控制方式可靈活采用防爆用電纜、本安型反饋閉環控制以及開環控制等方式。

圖3 變頻器和電動機均在防爆區域時系統結構Fig.3 Drive system structure with VFD installed in explosion-proof area

考慮防爆型變頻器和防爆型電機均因防爆措施體積增大，將兩者設計在同一個隔爆外殼可以縮小體積，隔爆變頻驅動一體機系統結構如圖4。

圖4 隔爆變頻驅動一體機系統結構Fig.4 Structure of flameproof variable frequency drive system all-in-one machine

為解決上述難題，文獻[14-17]研究了隔爆變頻驅動一體機，開展一體機的硬件電路設計及控制策略，電磁兼容優化[14]以及隔爆結構與散熱結構設計[15-17]，并研制首臺隔爆變頻一體機。

在爆炸性環境下變頻驅動系統還存在2 個額外風險。一是PWM 變頻驅動的高次諧波在電動機產生了高于工頻驅動電機的額外溫升，從而影響隔爆電機的最高表面溫度、增安型和無火花電機的內部轉子及繞組等部件溫度，研究人員分別從低轉速高溫問題、渦流損耗等幾個方面開展研究，并總結了溫度測量和控制的方法[18-20]，德國物理究院研究人員對變頻供電增安型電機損耗、溫度安全評估以及經濟性進行研究，提出了變頻供電增安型電動機設計、檢測與認證方法[21]；另一個風險是電機及其負載的軸承存在軸電壓放電形成放電電流，在普通環境中該電壓可能對軸承壽命產生危害，但在爆炸性環境中該電壓還可能產生爆炸的風險，系統參數對軸電流的機理和模型基本研究清晰的情況下，雖然有很多方法可以減小共模電壓CMV，但即使緩解后，CMV通常仍會達到一定水平[22]，此共模電壓通過電機外殼與轉子之間的電容放電時所產生的火花放電能量（E=C·U2/2）超過可燃混合物的最小點燃能量[23]時進行評估[18,24]。

國內YB2 系列不同功率大小隔爆電機的隔爆外殼與轉子間電容如圖5，由圖5 中可知氣隙大小對電容值C 影響較大。假如200 kW 電機軸電壓為U=70 V，根據圖5 中曲線得C=0.08 μF，則點燃能量E=C·U2/2=0.213 μJ，大于文獻[23]標準中IIB 和IIC的點燃能量限值，一旦發生放電可能發生爆炸事故。可見，存在較大的爆炸風險。

圖5 不同功率隔爆電機外殼與轉子之間電容Fig.5 Capacitance of enclosure-rotor at different power

2.2 防爆變頻器

2.2.1 結構設計分析

因變頻器內電火花和高溫都會成為點燃源，通用變頻器無法改造為增安型變頻器使用，其防爆功能一般通過增加隔爆外殼的方法改造為防爆變頻器。大功率防爆變頻器必須從設計之初考慮隔爆外殼、正壓外殼、散熱結構及電力電子電路等設計。在方便獲取氣源處將變頻器放置在通有保護氣體的正壓型外殼內，并通入保護氣體隔離點燃源[25]。

隔爆外殼的防爆功能設計原則是在滿足標準的耐爆性和隔爆性前提下，主要由外質材料和機械強度來保證，通過結構力學對殼體平面進行應力分析獲得殼體壁板厚度、隔爆接合面以及加強筋等理論參數，采用有限元分析方法對殼體優化仿真，并完成最終設計[26]。從外形上看，球形殼體爆炸壓力大于長方體殼體，且長方體方便制造和維修，目前變頻均通過多個長方體腔體組合的方案。因此，外形上的研究更多的集中在防爆結構與散熱結構的配合上。

防爆變頻器的散熱方案根據功率大小分別采用自然風冷、強制風冷、水冷散熱和熱管散熱4 種散熱方式[27]。一般而言，小功率防爆變頻器采用自然風冷通過殼體金屬進行導熱；強制風冷方式在密封性較好的隔爆殼體內部，存在無法降至室溫以下，風扇有壽命限制等并不太適用，但是在正壓防爆變頻器中將正壓功能與散熱功能統一，因此主要應用于正壓型防爆變頻器；目前大功率防爆變頻器主要采用水冷散熱方式和熱管散熱的方式，但水冷散熱需要密封式水循環系統增大體積和復雜度、維護難的特點，在空間有限制的場所用防爆變頻器更多采用熱管散熱的方式。

2.2.2 電氣設計分析

變頻器根據主電路拓撲結構分為交-交和交-直-交，分別稱為直接式變頻器和間接式變頻器，間接接式變頻器器頻率調節范圍寬，適用于各種傳動裝置等優點[28]。變頻器中的逆變器根據直流源的不同分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，電流源型逆變器系統因電感存在可以使負載瞬間短路和電力電子器誤導通使系統更可靠，但與負載特性之間匹配要求更高，且不能空載和開環運行，1 個逆變器帶多個負載更困難。因此，目前在大功率礦用防爆變頻器應用采用更加靈活的電壓源型逆變器結構。

防爆變頻器中的逆變器按主電路分為兩電平結構和多電平結構。目前兩電平逆變電路因結構簡單，應用更普遍，但其輸出諧波量較大，在高電壓等級的應用中存在很高的dV/dt 和共模電壓，對負載帶來負面影響，而多電平除了控制復雜外，可有效克服兩電平結構的缺點。隨著煤礦生產設備單機功率不斷增大，供電電壓等級已提高到3.3、6、10 kV 等，所以多電平結構的防爆變頻器越來越受歡迎[25,29]。變頻器主電路應設計在隔爆外殼或正壓外殼內，輔助電源、控制電路及通信接口電路設計為本安關聯電路，隔爆變頻器內部防爆單元劃分如圖6。

圖6 隔爆變頻器內部防爆單元劃分Fig.6 Flameproof frequency converter internal explosion-proof unit partition

電力電子器件動作產生大量的高頻干擾信號，通過傳導和輻射方式產生干擾。電子設備的電磁兼容的研究已較為成熟，主要從硬件結構和軟件編程2 個方面，抑制和減少干擾源，隔斷干擾路徑。但是由于防爆變頻器被限制在隔爆腔體內，受空間的制約，上述措施應用有較大的局限性，主要通過改變頻器的電路拓撲結構、改進控制策略等技術手段來解決電磁兼容問題和異常溫升[30-31]。

綜上分析，爆炸性環境下變頻器的防爆功能更多通過隔爆結構設計優化來實現，防爆措施和應用場所的特性給變頻器帶來許多負面影響則通過電氣結構和控制策略來實現。

2.3 防爆電動機

對于電動機而言，點燃源可以是機械的或電氣的。由絕緣導體和地面之間，相與相之間或匝間絕緣故障，或者由于轉子電路故障，可能會產生電弧或電火花。同時，高溫的電機表面（包括定子繞組，轉子條，軸承和電加熱器）也可能成為點燃源。

1）對于隔爆型電機，隔爆外殼通過保留隔爆間隙的接合面把內部發生爆炸的可燃性混合物隔離熄滅從而達到防爆的目的。因此，對于隔爆型電機的研究重點是外殼的隔爆和散熱結構的設計。從最早可查的文獻是1944 年的防爆電機的發明專利。國內陸續研究高速高壓隔爆電機、YB2 隔爆電動機隔爆結構吊環孔、高級別大容量隔爆型電動機軸承結構和稀油潤滑滾動軸承結構等[32]。近年來，隨著節能高效安全的要求，主要集中在節能和散熱，并采用限元分析等手段優化散熱結構[33]。

2）增安型和無火花型三相異步電動機是通過提高可靠性防止其內部產生危險高溫、電弧和火花等可能性點燃源來實現安全運行的。國內陸續研制了增安型無刷勵磁同步電動機、增安型變頻電機、增安型永磁同步電機、無火花型電機等[34-35]。目前主要重點解決高壓增安型電機、變頻器供電電機和增安型永磁電機的技術難點。國內外近期主要對高壓增安型高壓電機局部放電因素如絕緣結構、間距、材料等因素的試驗研究，分析出了高壓增安型電機絕緣系統設計制造難點[36]，提出新的絕緣結構[38]。同時，對增安型電機設計、點燃風險評定和測試進行了研究[38-40]，同時為降低變頻供電異常溫升，設計專用變頻用增安型電機，并在國內得到良好應用[41]。在美國NEC501-8（b）條明確規定：“在1 類2 級場所內應允許安裝無電弧非防爆外殼的電機，與無火花型防爆電機基本相同。

3）其他。由于永磁同步電動機的技術發展，其在滿負荷或部分負荷范圍內較高的節能潛力，研究人員對永磁同步電動機在防爆領域的設計、認證、高溫和腐蝕危險失效行為等方面進行了相關研究，給出了永磁電動機與傳統異步電動機的差異[42-45]。

3 存在的問題與發展方向

1）極限溫度下防爆變頻器可靠性的發展方向。高溫應用的防爆變頻器在保證溫度組別限制的條件下通過各種散熱措施和控制策略盡量降低防爆變頻器內部器件的溫度，但對變頻器內部元器件來說因隔爆措施密封效果始終處于較高溫狀態，例如礦用設備最高表面溫度在煤塵覆蓋下允許150 ℃，那么內部器件表面只可能比這個溫度更高，而常規的電力電子器件正常工作溫度范圍20～100 ℃之間，其壽命和可靠性每升高1 ℃減少1/2，因此采用新型電力電子器件，如采用SiC 電力電子器件，在高溫環境可靠應用將是未來重要的發展方向之一。而防爆變頻器在極寒條件下同樣會影響隔爆外殼材質的機械強度。

2）爆炸性環境下變頻驅動系統安全評估的發展方向。變頻驅動系統作為一個工藝設備的基礎設備，其作為一個復雜的系統，并非單一部件的安全意味著系統安全，應對變頻驅動系統的整體安全評估進行研究。如長電纜傳輸帶來過電壓問題后可能出現的電纜絕緣、電機絕緣、甚至變頻器絕緣系統的局部放電從而產生危險；因變頻器供電帶來的軸電壓放電可能在負載軸承端或在電機軸承端發生放電產生爆炸風險；由變頻器供電的隔爆電機可能產生額外高溫風險；由變頻器供電的增安型電機和無火花型電機增加的溫度保護裝置、過載保護以及啟動時可燃氣體探測等額外保護功能失效風險。上述這些危險通常在單個的部件中并不出現，但是連接成為一個系統時會突現出來，而目前標準中并未考慮的問題，這些需要結合系統安全理論對變頻驅動系統進行安全評估是未來重要的發展方面之一。

3）新型防爆變頻驅動系統的發展方向。隨著節能、可移動性和小型化的需求增加，將防爆變頻器和防爆電動機模塊化設計為新型隔爆變頻驅動一體機系統，是未來應用的一個趨勢，如防爆專用機動車輛。集中化和模塊化帶來了防爆、散熱和電磁兼容相互矛盾的問題。現場應用對可移動性的要求，通常將動力電池（鋰電池、燃料電池）、變頻器、電動機設計在同一個隔爆外殼內形成可移動新能源變頻驅動系統，因為動力電池在變頻器和電動機工作下產生的熱量會產生不可預期的熱失控和防爆功能安全應用的問題。由此帶來的動力電池在爆炸性環境進行無線充放電的問題也是未來的發展方向之一。對于新型防爆永磁電動機而言，永磁材料在爆炸性環境下導致的極限工作條件下安全可靠應用研究也是未來的發展方向之一。

4 結 語

從爆炸性環境安全應用的角度出發，討論了變頻驅動系統的相關認證及技術標準，詳細闡述防爆變頻器、防爆電機的技術現狀，總結了爆炸性環境下變頻驅動系統的系統結構，討論不同系統結構技術研究側重點。將防爆變頻驅動系統尚需進一步解決的主要問題歸納為極限溫度下變頻驅動系統可靠性、系統安全技術與評估和隔爆變頻驅動一體機等新型變頻驅動系統等3 個方面。變頻驅動系統作為煤礦、石油、化工等工業應用場景的基礎單元，防爆安全一直是業內關注的首要，隨著高性能電力電子元器件的更新，一些新的問題也會相繼出現，相關的防爆性能研究也更應該及時跟進，防爆功能安全研究前景可期。