在设计时,人们应该从即将设计的隔爆型电气设备预期使用的环境条件、允许采用的制作材料和相适应的整体结构来确定设备保护级别、防爆级别、温度组别及相关的标准参数范围。在确定设计方案时,设计人员应该关注下列内容。
1.环境温度、防爆级别和温度组别的确定
(1)环境温度
设计人员在设计隔爆型电气设备时应该了解所设计的电气设备的使用环境温度。在第2章中,我们已经知道,防爆电气设备的运行环境温度为-20~40℃,这是人们在设计防爆电气设备时应该遵循的温度基准。
除此之外,对隔爆型电气设备来说,还有一个适用的大气温度也是很重要的。
国家标准GB 3836.2—2000《爆炸性气体环境用电气设备 第2部分:隔爆型“d”》规定,隔爆型电气设备适用的爆炸性气体环境的大气温度为-20~60℃。当隔爆型电气设备适用的大气温度超出这个温度范围时,大气温度对隔爆型电气设备的防爆安全性能将造成威胁。
从第3.2节中我们已经知道,隔爆外壳内发生爆炸性气体-空气混合物爆炸时产生的爆炸压力与爆炸性气体-空气混合物的初始温度成反比关系[参见式(3.1)],即随初始温度的减小而增加。当初始温度比规定值低得多时不仅爆炸压力增加,而且材料也会变脆,显然,倘若此时还按正常情况进行设计时外壳可能会遭到破坏。因而,设计人员在设计外壳壁厚和法兰时应该考虑采用更大的安全系数。此外,低温还会造成气体分子密度增加,爆炸压力增大,爆炸生成物的穿透能力增强,因而,设计人员在设计、选择隔爆间隙时还应该考虑使用较小的间隙值。
从分子动力学观点出发,高温将会增加分子的活化能,使分子变得更加活泼。在高温情况下发生爆炸时,爆炸生成物会通过更小的缝隙窜出隔爆外壳。如果隔爆型电气设备适用的大气温度高于60℃,人们在设计隔爆间隙时应该采用更小的间隙值。
因此,设计人员在设计隔爆型电气设备时除应该注意运行环境温度外,还必须考虑设备预期适应的大气环境条件可能造成的不利影响。
(2)防爆级别和温度组别
除环境温度外,防爆级别和温度组别依然是隔爆型电气设备设计的重要条件。
在隔爆型电气设备设计时,设计人员应该根据设备预期使用场所中可能存在的可燃性气体种类以及环境的气候条件来考虑采取的防爆级别(Ⅰ类、ⅡA级、ⅡB级或ⅡC级)和温度组别(T1组、T2组、T3组、T4组、T5组或T6组)。这样设计出的设备才具有良好的适应性,当然,更具有可靠的防爆安全性能。
有时候,设计人员往往根据事先的市场调查来确定哪种防爆级别、哪种温度组别的哪类设备应用最多最广泛,然后确定设计什么样的设备,采用什么样的防爆级别和温度组别,以此来适应市场的需要。当然,根据使用者的要求来确定设备的防爆级别和温度组别是一种最为简便的办法。
2.材料选择的特殊性
在第2章中,我们已经讨论了使用于防爆电气设备中的各种材料。这些材料同样可以使用在隔爆型电气设备中。
但是,对于煤矿中使用的Ⅰ类电气设备,考虑到煤矿的特殊运行环境,国家标准GB3836.2《爆炸性环境 第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》明确规定:
在采掘工作面上使用的电气设备,例如,安装在采煤机、装岩机、运输机等机械上的电气设备,隔爆外壳应该采用钢板或铸钢制成。
隔爆型电动机的机座应该采用钢板或铸钢制作,其他零部件可以采用牌号不低于HT250的灰铸铁制作。
在装配以后外力冲击不到的外壳,以及内容积不大于2000cm3的外壳,可以采用牌号不低于HT250的灰铸铁制作。
在非采掘工作面上使用的电气设备,隔爆外壳可以采用牌号不低于HT250的灰铸铁制作。
不管是使用在采掘工作面还是使用在非采掘工作面的隔爆型电气设备,只要它的内容积不大于2000cm3,隔爆外壳也可以使用非金属材料制成。
在Ⅰ类电气设备中,原则上,不可以使用铝合金材料制作外壳及其部件,但是,在实际应用中,对于携带式、手持式设备,只要铝合金材料通过机械火花点燃试验,也允许使用。
另外,在内部安装断路器、接触器或隔离开关等可能产生电弧的开关电器的隔爆外壳中,所用绝缘材料的级别不应该低于Ⅱ级[绝缘材料的相比电痕化指数(CTI)不应该低于CTI400M]。
上述的这些特殊规定,是设计人员在设计煤矿用,即Ⅰ类隔爆型电气设备时所必须考虑的。(www.xing528.com)
除此之外,这里还需特殊指出的是,不管Ⅰ类隔爆型电气设备还是Ⅱ类隔爆型电气设备,它的隔爆外壳都不得使用锌和含锌量大于80%的锌合金制作,因为这种金属十分活泼,尤其是在潮湿环境中,机械强度会很快降低。
3.隔爆外壳设计方案的确定
(1)总体结构设计
总体结构设计主要是指电气原理图的设计和电气元器件的选择、预计隔爆外壳的形状和尺寸、外壳内电气元器件的排列和布置、电缆引入装置的数量和位置以及设备的安装方式。
在设计隔爆型电气设备时,设计人员应该首先根据即将设计的电气设备的功能,设计电气原理图,选择电气元器件,然后将这些元器件进行适当的排列和布置。
电气原理图的设计原则是,隔爆型控制设备的隔爆外壳内原则上不得设置隔离开关或电源开关;隔离开关或电源开关应该设置在它的前一级的电路中。这符合“严禁带电打开!”的要求。在隔爆外壳内设置电源开关,常常会造成人们误判,以为“拉掉”隔离开关或电源开关后外壳内就不会带电。其实,在“拉掉”开关后,开关的一次侧仍然带电。已经多次发现,在工业实际应用中,常常因此而造成重大事故。
电气元器件的排列和布置原则是,功率发热器件尽可能地贴近外壳壳壁布置,以便于散热;主电路开关、接触器尽可能地布置在外壳的中部,而且触头不应该在隔爆接合面的平面上,以防止电弧可能灼烧外壳壳壁和电弧引起“传爆”。
当隔爆外壳内装电气元器件适当地排列和布置以后,设计人员就可以确定外壳的形状和内部的尺寸。
外壳形状和内部尺寸的确定原则是,外壳形状应该尽可能简单,可以采用长方体(或圆筒体),外壳的长边与短边之比约为3∶2;内部尺寸是元器件布置的实体尺寸和实体尺寸与外壳壳壁之间的间距之和(这里推荐,在中小型外壳情况下,这个间距不应该小于15mm)。
在隔爆外壳的形状和尺寸确定以后,设计人员应该根据电路的原理图和设备的功能来确定是否需要设置接线空腔(接线盒),以及选择电缆和设置电缆引入装置。
设置接线空腔(接线盒)的原则是,当设备内部存在开关和高温器件时,假若使用密封圈式电缆引入装置引入电缆,则设备必须设置接线空腔(即所谓“间接引入”),假若设备不设置接线空腔(接线盒),则引入装置必须是浇封式电缆引入装置(即所谓“直接引入”);当设备内部不存在开关和高温器件时,既可以采用密封圈式电缆引入装置又可以采用浇封式电缆引入装置将电缆直接引入设备内。
选择电缆和设置电缆引入装置的原则是,电缆的绝缘应该致密,例如,橡套电缆等,载流量一般不大于额定载流量的2/3;一次侧设置独立的电缆引入装置(电源输入),二次侧,根据功能需要,可能不设置或设置一个或多个电缆引入装置(功能输出);在设备可能垂直安装时,电缆引入装置最好布置在设备的下方。
这里需要说明的是,如果安装时采用钢管布线的方式,那么,设计人员也可以选择合适的电线(除选择电缆外)进入隔爆型电气设备内,但是,此时的电缆引入装置应该使用浇封式电缆引入装置。另外,有一些设备不需要二次出线,例如,隔爆型三相异步电动机,当然就没有必要设置二次出线的电缆引入装置。
隔爆型电气设备的安装必须牢固可靠,不得在设备运行过程中发生松动、位移等不正常现象。通常的安装方式有落地式、壁挂式、吸顶式。因此,设计人员在考虑安装方式时应该遵循的原则是,螺栓固定时不允许只使用一个螺栓,而且必须有防止松动的措施;用其他方式固定时也必须具有同样的效果。
(2)隔爆结构设计
隔爆结构设计主要是指确定隔爆接合面的结构形式和选择隔爆接合面的隔爆参数。
当总体结构基本确定之后,人们可以选择可能采取的隔爆结构形式和相应的隔爆接合面参数。
当隔爆外壳是长方体形状时,隔爆结构应该是法兰式结构;当隔爆外壳是圆筒体形状时,隔爆结构可以是法兰式结构,也可以是止口式结构,还可以是螺纹式结构。至于其他形式的隔爆结构,人们可以根据隔爆型电气设备的功能进行不同的选择。
此外,当采用法兰式结构时,还应该确定是采用外法兰还是采用内法兰。
当隔爆接合面的结构形式确定之后,人们应该估算隔爆外壳的内容积。
隔爆参数的选择原则是,按照隔爆外壳内容积的大小和已经确定的防爆级别,从表3.4、表3.5中选取合适的隔爆接合面宽度和隔爆间隙的标准值;从表3.6、表3.7中选取合适的螺纹隔爆接合面的标准值。至于其他形式的隔爆结构(例如胶粘式结构、密封式结构,等等)的相关参数以及法兰式隔爆接合面的表面粗糙度,人们可以参考第3.3节的相关内容。
这里应该指出的是,在确定ⅡC级隔爆型电气设备的隔爆结构时人们应该慎重考虑(参见第3.4.9节)。
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