Обеспечение искробезопасности электрооборудования для работы во взрывоопасных газовых средах. Пособие для неэлектриков

Раздел 1.1. Самовоспламенение газа

Возникновение взрывоопасности газовой среды зависит от следующих факторов:

a) наличия горючих веществ;

б) концентрации горючего вещества в воздухе в пределах диапазона воспламенения;

в) количества взрывоопасной среды, достаточной для протекания реакции.

Возможно образование взрывоопасной среды в результате химических реакций, пиролиза и биологических процессов.

Устойчивость взрывоопасной среды к воспламенению определяется такими характеристиками, как:

a) минимальная энергия воспламенения;

б) температура воспламенения взрывоопасной среды.

Целью данной работы не является полноценный анализ воспламенения и самовоспламенения газообразных горючих веществ. Здесь приводятся общие сведения конспективного свойства, необходимые для понимания далее изложенного материала. Приведенная информация основана на тексте ГОСТ 31610.20–1–2020 (ISO/IEC 80079–20–1:2017).

Начнем с понятия, что такое газ.

Газ – это газообразное состояние вещества, которое не может достичь равновесия с его жидким или твёрдым состоянием в рассматриваемом диапазоне температур и давлений.

Согласно данному определению требуется, чтобы вещество находилось выше точки кипения или точки сублимации при температуре и давлении окружающей среды.

Существует родственное понятие пара.

Пар – это также газообразное состояние вещества, но которое может достигнуть равновесия с его жидким или твёрдым состоянием в рассматриваемом диапазоне температур и давлений.

Согласно данному определению требуется, чтобы вещество находилось ниже точки кипения или точки сублимации при температуре и давлении окружающей среды.

И газ, и пар в смеси с воздухом и / или инертным газом могут быть горючими и воспламеняющимися, в т. ч. и самовоспламеняющимися.

Самовоспламенение – это реакция, сопровождающаяся появлением чётко различимого пламени и (или) взрывом, для которой период возникновения воспламенения не превышает 5 минут.

Самовоспламенение происходит при определённой температуре (температуре самовоспламенения), которая определяется как наименьшая температура (например, поверхности), при которой в определённых условиях газовые или паровые смеси с воздухом и / или инертным газом воспламеняются.

Значения температуры самовоспламенения определяются опытным путём.

Опыт осуществляется следующим образом:

Заданный объём вещества, предназначенного для испытания, вводят в нагретую открытую колбу, заполненную воздухом. Содержимое колбы наблюдается до тех пор, пока не произойдёт самовоспламенение. Испытание проводят с различными температурами колбы и объёмами пробы. Наименьшую температуру колбы, при которой происходит самовоспламенение, принимают в качестве температуры самовоспламенения в воздухе при атмосферном давлении.

Все горючие вещества классифицируют согласно значениям температуры их воспламенения на температурные классы.

Опыт и интерпретации результатов подробно описаны в ГОСТ 31610.20–1–2020 (ISO/IEC 80079–20–1:2017).

Влияние температуры на воспламенение газовых и / или паровых смесей рассмотрено в разделе «Нагретые поверхности».

При применении электрооборудования во взрывоопасных газовых или паровых смесях используется понятие минимального воспламеняющего тока.

Минимальный воспламеняющий ток (МВТ) – это минимальный ток в опытной электрической цепи, который способен воспламенить опытную испытательную смесь. Ток в этой цепи изменяется вплоть до установления минимального значения, при котором произойдёт воспламенение самой легковоспламеняемой концентрации исследуемого газа или пара в воздухе. Такие опыты на механизмах подробно описаны в ГОСТ 31610.11–2014.

Газы и пары классифицируют на группы I и II, а группа II подразделяется на подгруппы IIA, IIB или IIC согласно соотношению их минимальных воспламеняющих токов к минимальному воспламеняющему току лабораторного метана. Чистота лабораторного метана должна быть не менее 99,9 % по объёму.

В группе I оборудование предназначено для применения в подземных выработках шахт и их наземных строениях, опасных по рудничному газу и (или) горючей пыли. Рудничный газ состоит в основном из метана, но часто содержит небольшое количество других газов, таких как азот, диоксид углерода, водород, а иногда этан и оксид углерода. Термины «рудничный газ» и «метан» часто используются в практике горного дела как синонимы.

Оборудование группы II предназначено для применения во взрывоопасных газовых средах, кроме подземных выработок шахт и их наземных строений, опасных по рудничному газу и (или) горючей пыли.

Газы и пары для оборудования группы II классифицируют на подгруппы оборудования IIA, IIB и IIC по соотношению их минимальных воспламеняющих токов.

Установлены следующие категории взрывоопасности газов и паров в зависимости от соотношения минимального воспламеняющего тока к минимальному воспламеняющему току лабораторного метана:

I – соотношение МВТ 1,0;

IIA – соотношение МВТ более 0,8;

IIB – соотношение МВТ от 0,45 до 0,8 включительно;

IIC – соотношение МВТ менее 0,45.

В электрическом оборудовании источниками воспламенения могут являться электрические искры и нагретые поверхности.

Подробнее рассмотрим воспламеняющие свойства электроэнергии.

Раздел 1.2. Воспламеняющие свойства электроэнергии

Электрические искры могут быть вызваны, например:

a) замыканием и размыканием электрических цепей;

б) ослабленными контактами;

в) повреждением изоляции и пробой;

г) повреждением и /или пробой электрических (электронных) компонентов;

д) статическим электричеством – не рассматривается в данном пособии (является отдельной темой).

Нагретые поверхности:

a) нагрев контактов при размыкании / замыкании или ослаблении;

б) перегрев элементов (неправильный подбор или повреждение или попадание на элемент не предусмотренного напряжения);

в) повреждение системы контроля нагрева;

г) эксплуатация оборудования с нарушением заданных параметров.

Раздел 1.3. Электрические искры

Под электрическим искрами в общем случае понимают искровые, дуговые и тлеющие разряды.

Контакт взрывоопасной смеси с электрическим искрами, может воспламенить смесь.

Категории взрывоопасности газов и паров в зависимости от соотношения минимального воспламеняющего тока к минимальному воспламеняющему току лабораторного метана приведена выше.

Раздел 1.4. Нагретые поверхности

Если взрывоопасная среда входит в контакт с нагретой поверхностью, может произойти воспламенение.

Способность нагретой поверхности вызывать воспламенение зависит от типа и концентрации конкретного горючего вещества в смеси с воздухом. Эта способность становится больше с увеличением температуры и площади поверхности. Кроме того, температура, которая вызывает воспламенение, зависит от размера и формы нагретого тела, градиента концентрации горючего вещества вблизи поверхности, а также материала поверхности. Таким образом, например, среда с содержанием горючего газа или паров в достаточно больших нагретых объёмах (приблизительно 1 л или более) может быть воспламенена от поверхности с температурой ниже температуры воспламенения, полученной при измерениях. С другой стороны, для воспламенения от нагретых тел с выпуклыми, а не вогнутыми поверхностями, необходима более высокая температура поверхности; минимальная температура воспламенения увеличивается, например, для сфер или труб по мере уменьшения их диаметра. Когда взрывоопасная среда соприкасается с нагретыми поверхностями, то для воспламенения может потребоваться более высокая температура вследствие непродолжительного времени соприкосновения.

В ГОСТ 31610.0–2014 категории взрывоопасности смеси детализируются в зависимости от температуры самовоспламенения взрывоопасных газов и смесей.

Категорируются следующие температура воспламенения:

• T1 > 450 °С;

• T2 = 300…450 °С;

• T3 = 200…300 °С;

• T4 = 135…200 °С;

• T5 = 100…135 °С;

• T6 = 85…100 °С.

Как было выше сказано, существуют категория I и три подкатегории категории II: IIA, IIB, IIC. Для категории II каждая последующая подкатегория по опасности воспламенения включает предшествующую, то есть, подкатегория С является высшей и включает требования всех категорий – А, В и С. Она, таким образом, является самой «строгой». Это можно увидеть в нижепредставленной табл. 1.1.

Таблица 1.1

Категория IIC взрывоопасности смеси применяется к веществам:

• Т1 – водород, водяной газ, светильный газ, «водород 75% + азот 25%»;

• Т2 – ацетилен, метилдихлорсилан;

• Т3 – трихлорсилан;

• Т4 – не применяется;

• Т5 – сероуглерод;

• Т6 – не применяется.

Категория IIА взрывоопасности смеси применяется к веществам:

• Т1 – аммиак, …, ацетон, …, бензол, 1,2-дихлорпропан, дихлорэтан, диэтиламин, …, доменный газ, изобутан, …, метан (промышленный, с содержанием водорода в 75 раз большим, чем в рудничном метане), пропан, …, растворители, сольвент нефтяной, спирт диацетоновый, …, хлорбензол, …, этан;

• Т2 – алкилбензол, амилацетат, …, бензин Б95/130, бутан, …растворители…, спирты, …, этилбензол, циклогексанол;

• Т3 – бензины А-66, А-72, А-76, «галоша», Б-70, экстракционный. Бутилметакрилат, гексан, гептан, …, керосин, нефть, эфир петролейный, полиэфир, пентан, скипидар, спирты, топливо Т-1 и ТС-1, уайт-спирит, циклогексан, этилмеркаптан;

• Т4 – ацетальдегид, альдегид изомасляный, альдегид масляный, альдегид пропионовый, декан, тетраметилдиаминометан, 1,1,3 – триэтоксибутан;

• Т5 и Т6 – не применяются.

Категория IIВ взрывоопасности смеси применяется к веществам:

• Т1 – коксовый газ, синильная кислота;

• Т2 – дивинил, 4,4 – диметилдиоксан, диметилдихлорсилан, диоксан, …, нитроциклогексан, окись пропилена, окись этилена, …, этилен;

• Т3 – акролеин, винилтрихлорсилан, сероводород, тетрагидрофуран, тетраэтоксисилан, триэтоксисилан, топливо дизельное, формальгликоль, этилдихлорсилан, этилцеллозольв;

• Т4 – дибутиловый эфир, диэтиловый эфир, диэтиловый эфир этиленгликоля;

• Т5 – не применяются

• Т6 – сероуглерод.

Раздел 1.5. Понятие об уровнях взрывозащиты

Источники воспламенения классифицируют по вероятности их появления:

a) источники воспламенения, которые могут возникать постоянно или часто;

б) источники воспламенения, которые могут возникать в редких случаях;

в) источники воспламенения, которые могут возникать лишь в очень редких случаях;

г) источники воспламенения, которые могут возникать при нормальном режиме эксплуатации;

д) источники воспламенения, которые могут возникать исключительно в результате неисправностей;

е) источники воспламенения, которые могут возникать исключительно в результате редких неисправностей.

При невозможности оценки вероятности появления активного источника воспламенения необходимо исходить из предположения о постоянном присутствии такого источника.

В соответствии с этим в стандартах на взрывозащищённое оборудование категорированы уровни взрывозащиты. Так, в базовом ГОСТ 31610.0–2014 сказано:

Уровень взрывозащиты – это уровень, присваиваемый оборудованию в зависимости от опасности стать источником воспламенения и условий применения во взрывоопасных газовых средах, а также в шахтах, опасных по рудничному газу.

В зависимости от сказанного, существуют следующие уровни взрывозащиты:

Уровень взрывозащиты Ga: уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для взрывоопасных газовых сред с уровнем взрывозащиты «очень высокий», не являющемуся источником воспламенения в нормальных условиях эксплуатации, при предполагаемых или редких неисправностях.

Уровень взрывозащиты Gb: уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для взрывоопасных газовых сред с уровнем взрывозащиты «высокий», не являющемуся источником воспламенения в нормальном режиме эксплуатации или при предполагаемых неисправностях и характеризующемуся малой вероятностью стать источником воспламенения в течение времени от момента возникновения взрывоопасной среды до момента отключения питания электрической энергией.

В электрооборудовании с уровнем взрывозащиты оборудования Gb взрывозащита обеспечена как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.

Уровень взрывозащиты оборудования Gc: уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для взрывоопасных газовых сред с «повышенным» уровнем взрывозащиты, не являющемуся источником воспламенения в нормальном режиме эксплуатации и которое может иметь дополнительную защиту, обеспечивающую ему свойства неактивного источника воспламенения при предполагаемых регулярных неисправностях (например, при выходе из строя лампы).

Имеются два условия:

1. Электрооборудование работает во взрывоопасной среде в течение времени от момента её возникновения до момента отключения питания электрической энергией.

2. В электрооборудовании с уровнем взрывозащиты Gc взрывозащита обеспечена только в признанном нормальном режиме эксплуатации.

Уровень взрывозащиты оборудования Ма: уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для установки в шахтах, опасных по рудничному газу, с уровнем взрывозащиты «очень высокий», характеризующемуся надёжной защищённостью и малой вероятностью стать источником воспламенения в нормальных условиях эксплуатации, при предполагаемых или редких неисправностях при сохранении питания электрической энергией даже в присутствии выброса газа.

Уровень взрывозащиты оборудования Mb: уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для установки в шахтах, опасных по рудничному газу, с уровнем взрывозащиты «высокий», характеризующемуся надежной защищённостью и малой вероятностью стать источником воспламенения в нормальном режиме эксплуатации или при предполагаемых неисправностях в течение времени от момента выброса газа до момента отключения питания электрической энергией.

В электрооборудовании с уровнем взрывозащиты Mb взрывозащита обеспечена как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.

Уровень взрывозащиты оборудования Мс (для рудничного электрооборудования дополнительное обозначение уровня взрывозащиты – повышенная надежность против взрыва РП): уровень взрывозащиты, присваиваемый оборудованию для установки в шахтах, опасных по рудничному газу, с уровнем взрывозащиты «повышенный», характеризующемуся достаточной защитой и малой вероятностью стать источником воспламенения в нормальных условиях эксплуатации, где присутствие взрывоопасной среды маловероятно, а если она присутствует, то очень непродолжительное время.

Имеются два условия:

1. Электрооборудование работает во взрывоопасной среде в течение времени от момента ее возникновения до момента отключения питания электрической энергией.

2. В электрооборудовании с уровнем взрывозащиты оборудования Мс взрывозащита обеспечена только в признанном нормальном режиме эксплуатации.

Раздел 2.1. Некоторые законы гидравлики

Гидравлика – это область физики, которая изучает физические характеристики жидкостей в их жидком состоянии, будь то в состоянии покоя или в движении. При нашем дальнейшем анализе мы не принимаем в расчёт вопросы гравитации, т. к. данная работа не посвящена глубокому освещению гидравлики, а гидравлика лишь используется как упрощённая наглядная модель электротехники, что является очень распространённым приемом.

В данном пособии мы попытались применить метод электрогидравлических аналогий к взрывозащищённому оборудованию.

Применяемые ниже аналогии базовых параметров (законы рассмотрим ниже)

При нажатии на крышку бочки, заполненной жидкостью, в жидкости возникает давление, которое давит на стенки бочки (см. рис. 2.1). При чрезмерном нажатии возможен разрыв бочки.

Рис. 2.1

Гидравлическое давление – это сила, приложенная на единицу площади жидкости к поверхностям, с которыми она соприкасается. Большинство жидкостей несжимаемы, и поэтому, когда на них действует нагрузка, сила немедленно передаётся на контактную поверхность.

Закон Паскаля говорит о том, что повышение давления, испытываемое жидким телом, передается как единое целое во все точки жидкости и на стенки контейнера, где она содержится.

Давление – это сила, приложенная перпендикулярно к поверхности объекта на единицу площади, по которому эта сила распределяется.

Математически закон Паскаля выражается формулой:

P = F/A,

где

F = P/S, где

P – давление,

F – сила,

S – площадь.

Представим себе водонапорную башню.

Допустим, что башня полностью заполнена водой. Снизу башни просверлили отверстие и врезали туда трубу с краном (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2

Если открыть кран, то сначала давление будет сильным, что вызовет сильный поток жидкости поток жидкости. Но с течением времени поток ослабевает, т. к. давление в башне падает, и наконец жидкость полностью перестанет течь, то есть давление в башне станет нулевым (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3

Время, которое потребуется, чтобы опустошить башню, зависит от вместимости (ёмкости) самой башни, и от того, сколько потребителей будут расходовать жидкость, точнее, насколько интенсивным будет поток по трубе.