М. Пономарев, В. Солнцев, Д. Подсевалов
Обеспечение искробезопасности электрооборудования для работы во взрывоопасных газовых средах. Пособие для неэлектриков

Введение

Обеспечение взрывозащиты электрооборудования является самостоятельным направлением в структуре производства электротехнического оборудования, напрямую связанным с эксплуатацией производственных объектов высшей категории опасности, в частности, горнодобывающего, нефтегазодобывающего и других аналогичных производств.

Принципы взрывозащиты оборудования базируются на разных отраслях технических дисциплин, в основном это машиностроение и электротехника.

Существует лишь небольшой слой технических специалистов, в равной степени хорошо владеющих как вопросами машиностроения, включая гидропневмопривод, так и основами электротехники. Но всё же большинство технических специалистов лучше владеют либо аспектами машиностроения, либо электротехникой.

Данное пособие направлено на освещение в популярной форме электротехнических основ обеспечения искробезопасности взрывозащищённого электрооборудования для людей, плохо знающих (или забывших) основы электротехники. Для упрощения подачи материала электротехнические принципы искробезопасности излагаются в аналогичных принципах гидравлики. При этом глубоко знать гидравлику и гидропривод не требуется. Достаточно лишь поверхностного знакомства, т. к. основы гидравлики более наглядны, чем основы электротехники.

Авторы не претендуют на глубокое изложение основ как гидравлики, так и электротехники. Гидравлика лишь используется как упрощённая иллюстрация тех положений электротехники, которые требуется знать, чтобы иметь представление о требованиях обеспечения искробезопасности электрооборудования для работы во взрывоопасных газовых средах. Поэтому данное пособие носит предварительный характер и для глубокого изучения основ обеспечения взрывозащиты электрооборудования не подходит.

Пособие адресовано всем лицам, которые хотят ознакомительно понять, на каких принципах основано обеспечение искробезопасности оборудования, предназначенного для работы во взрывоопасных газовых средах.

Возникающие по этой брошюре вопросы, замечания и предложения просим направлять в ООО «ТЕХБЕЗОПАСНОСТЬ»:

по адресу электронной почты teh-bez@inbox.ru

(с пометкой «Пособие для неэлектриков»)

Телефон +7–926–740–46–37

Также рекомендуем прочесть ознакомительное пособие «Взрывозащита электрооборудования во взрывоопасных газовых средах» (В. Б. Солнцев, Д. С. Подсевалов, М. В. Пономарев)

Глава 1. Что такое воспламенение газа или газовой смеси. Нагретые поверхности

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.

Глава 2. Взаимосвязь между электротехникой и гидравликой. Некоторые законы гидравлики, некоторые законы электротехники и аналогии между ними

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)

Гидравлическое давление

Создание давления

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

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.

Связь давления и поток

Представим себе водонапорную башню.

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

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.