正压外壳型电机的防爆技术特点

正压外壳型电机的防爆技术特点
王维越
【摘要】介绍了正压外壳型电机的结构形式、防爆原理、参考标准等,着重分析了这种防爆保护型式电机的技术特点和需要改进的技术难点,并对今后此类电机的制造和检验提出了建议.
【期刊名称】《防爆电机》
【年(卷),期】2018(053)002
【总页数】4页(P30-33)
【关键词】正压外壳型电机;保护气体;结构;技术
【作者】王维越
【作者单位】佳木斯防爆电机研究所,黑龙江佳木斯154005
【正文语种】中文
【中图分类】TM357
0 引言
近年来，正压外壳型防爆技术开始逐步应用于大型防爆电机的制造，相比隔爆型、增安型和粉尘外壳保护型这几种常见的防爆型式，其具有一定的优势。

正压外壳型电机不仅制造成本较低，而且应用范围非常广，包括煤矿井下、工厂爆炸性气体的1区、2区和粉尘爆炸等危险性场所。

正压外壳型电机的技术特点：一方面保护气体的压力和流量的检测控制属于弱电检
测保护领域；另一方面正压外壳型防爆标准中也存在一些需要在设计、检验过程中来明确的关键技术内容。

根据其技术特点，解决实际生产过程中的技术难点是技术人员面临的一项重要任务。

本文将对正压外壳型电机的防爆原理及结构特点进行如下阐述。

1 基本原理和特点
正压外壳型电机，也称通风充气型电机，是在普通电机上增加可通风充气装置，向电机外壳内流通保护气体(不含有爆炸性混合物)，在电机内部形成一个比大气压力稍高的规定正压，用于阻止外部的爆炸性混合物进入电机外壳内部，从而达到防爆目的。

因此，正压外壳型电机除了配有一整套通风充气装置外，还必须配有维持电机内部规定的正压的继电保护和连锁装置，这样才能确保安全使用。

正压外壳型电机采用的保护气体一般为纯净的空气，也可以是惰性气体或其它适宜的气体。

这种正压保护形式应用于电机，操作方法一般有两种：一种是保护气体的出口常开，通过保护气体连续在外壳内流动维持必要的过压，标准上称这种方法为稀释气流正压技术；另一种是保护气体的出口关闭，保护气体以持续小流量或断续补偿的形式弥补外壳内气体的泄漏损失，标准上称为泄漏补偿正压技术。

无论哪种保护方法，都要求壳体内的压力和外部压力相比，正压值至少为50Pa(对于PZ为25 Pa)，属于微压环境。

两种正压保护形式都需要一个电机启动前的换气过程，过去称为启动前吹扫，现在标准定义为换气。

换气量的多少通过型式试验确定，同时按5倍内腔容积换算，
两者取高值。

整个过程为启动前大流量换气，内腔环境安全后，进入上述的两种保护形式之一，维持正压。

两种正压保护形式在实际应用中，通常采用第二种保护形式，即泄漏补偿正压技术。

因为该方法的运行费用较低。

据资料统计，连续稀释所用保护气体的数量约为泄漏补偿的40倍。

因此，除非内部元件产生大量热损耗，保护气体不仅保证防爆安全
而且必须依赖其通风散热时，采用连续气体稀释维持正压才是合理的。

2 执行标准
正压外壳型“p”是依据《爆炸性气体环境用电气设备第5部分：正压外壳型“p”》(GB 3836.5—2004)，应用于爆炸性气体危险环境。

尤其适用于不能制成其它防爆型式的体积极大，而且形状复杂的设备，如大型防爆开关、控制柜体等。

近几年，国内的电机制造厂已将这种防爆型式应用于大型高压电机的防爆保护。

应用于爆炸性粉尘环境的防爆标准也有这种保护形式，称为正压保护型“pD”，其标准为《可燃性粉尘环境用电气设备第7部分：正压保护型“pD” 》(GB 12476.7—2010)，等同于2001年的IEC 61241—4标准。

粉尘标准颁布较晚，粉尘危险环境中的防爆产品其生产制造也一直没有形成规模，目前未见有采用此种正压保护型“pD”的粉尘防爆电机。

从国外看，2014年，IEC标准《Explosive atmospheres-Part 2:Equipment protection by pressurized enclosure“p”》(IEC 60079—2)修订为第6版，该标准同时代替了粉尘环境的IEC 61241—4：2001标准，将气体和粉尘两种保护形式合并处理，采用一种标志，即正压外壳型“p”。

对于粉尘环境应用正压保护，国外曾有这样的观点，即正压保护型“pD”是否适用粉尘环境还须慎重。

考虑的最主要问题是，正压外壳并不要求外壳尘密处理，内部不可避免会透入可燃性粉尘，而换气和连续气流通风时，如果没有将出风管道通到安全场所，现场在设备上出风出尘，或者是设备泄漏量比较大，进出风管道密封不严，导致粉尘透出外壳在设备周边旋起悬浮，形成粉尘危险环境，反而达不到预期的防爆目的。

IEC 61241—4：2001和IEC 60079—2：2014标准在粉尘环境应用的技术要求部分并没有明显的额外考虑上述状况，新版IEC 60079—2：2014标准只是增加了一项电源重启前的外壳内残留粉尘的清洗过程要求，具体是只在危险场所开盖后
要求，采取何种方式清洗移除，有待于进一步理解。

3 逻辑控制保护
正压外壳型保护有一套逻辑动作关系，常用的泄漏补偿正压外壳的简单逻辑程序为：通风吹扫装置启动-状态检查(如压力值低于设定值)-开始换气-待排气口端的流量计检测到流量大于最小流速时开始计时-计时结束(换气结束)-换气与电机启动的互锁动作-电机启动(同时进入泄漏补偿程序，这时可以连续小流量补偿，也可根据压力变化断续补偿)。

如果压力低于中间设定值需要补气，压力恢复后停止补气。

过程
中如遇压力低于报警或最低动作值，发生气源断气，吹扫装置失电等，控制主电源断电，通风吹扫装置归零，回到初始状态。

实际的逻辑控制保护还要复杂些，例如包括外壳达到所能承受的最高压力限定值时主电源断电等。

泄漏补偿换气控制系统的真值见表1，泄漏补偿换气控制系统的状态见图1。

表1 泄漏补偿换气控制系统的真值表
S0S1S2S3MOPXOPPFLOPTIM1000010110000001100011101000110110001 1111000011110000011100011001000010010000000100000101000011001 001000001010100001100100011011
图1 泄漏补偿换气控制系统的状态图
设备的状态分4种，S0、S1、S2和S3。

分别代表S0初始状态、S1开始换气临
界状态、S2换气状态和S3换气结束，可以送电了。

这4种状态由4个监测信号
组成逻辑关系来转换或判断是否成立，这4个监测信号分别为MOP、XOP、PELO和PTIM，分别代表过压>50Pa(对于PZ型25Pa)、超过最高过压值、换气
流量>最小和换气时间结束。

均为开关量信号，用真值表示为1和0，4个信号有16种组合，表1中均列出。

序号1、6、9、12这4种组合不可能存在，表1中
也列出，但不影响状态的转换。

举例说明，如果序号13一行的状态为压力值在最低和最高之间，换气流量还未到最小值，无法计时，也就是换气还未开始。

这时如果换气量达到了最小值，也就是PELO为1，则进入序号14一行的状态，开始换气了。

换气计时结束，PTIM为1，压力值在最低和最高之间，意味着换气过程结束，可以给设备主电源送电了。

4 技术难点
正压外壳技术复杂在于需要一套保护控制系统。

外壳的密封，保护性气体的流量稳定控制及精准测量都具备一定难度，因此，正压外壳型电机在现阶段的制造和检验过程中有3个技术难点需要解决。

4.1 外壳内最低正压点的正压值的检测和传感器的设置。

从图2和图3中，我们可以了解，外壳内的压力值随着外壳几何形状，通风口位置、接合面密封位置和密封状况等因素影响是变化的，内外部有旋转风扇的电机还可能会产生负压点(图中B 点)，即由于风扇的作用，在壳体部件上产生负压，而且造成外部环境侵入气体的
危险。

型式试验的目的就是帮助制造厂找到最低点，设置一个或几个微压计用于监视、报警或动作。

必要时找到负压点，改进结构，包括改变风扇位置，加强风扇附近的接合面密封性等。

图2 保护气体排气口无火花和颗粒挡板
图3 具有泄漏补偿的正压外壳，旋转电动机具有内冷风扇
4.2 对于可应用于1区环境的px保护型式，《爆炸性气体环境用电气设备第5部分：正压外壳型“p”》(GB 3836.5—2004)标准7.7 c)要求，在换气阶段须由正
压外壳排气口处监测换气实际流速，不允许推断，即不允许从排气口外壳压力和规定的开口推断。

这就要求须在排气口处设置的是流量计，而不是压力计或简单的机械膜片，来确定换气过程是否符合要求。

流量监测在正压控制系统设计中是个难点，不易处理。

原因如下：流量仪表本身是电气元件，在设备的排气口处安装，必要时还需进行防爆处理。

排气口处的压力不
会很高，流量计除了电磁流量计外，压力损失都比较大。

电磁流量计测量的流体必须导电，保护气体又不导电。

4.3 保护气体的泄漏试验作为一项例行试验，是每台设备出厂均要求做的。

制造厂如何给出这一限制值，来判断每一台设备外壳的密封性是否达标，目前还没有可靠的依据，防爆标准中也未明确。

因为样机经过型式试验中的泄漏试验得到了最大泄漏流速，对待这个实测值，出厂时是放大还是缩小，放大多少可以接受，无从参考。

5 现有正压外壳型电机结构特点
国内现有的正压外壳型电机，有同步机也有异步机。

多数为简单的购进集成正压通风装置，配置在电机主体外壳外，管路接入工作气源，通风装置的输出用导管引入电机主腔，在电机主腔底部展开一根气管，若干出气孔，通气吹扫方向与电机旋转方向一致，排气口设在在电机冷却器上端。

此种结构的电机对电机制造厂很实用，省去了通风装置的设计和制造，但也受到外购集成正压通风装置的的限制，使用上有一定局限性，主要涉及3个方面。

5.1 管径尺寸固定，换气流量不够充沛，对接线盒、同步机的多腔体结构，容易造成吹扫死角，导致目前高压正压外壳型电机的接线盒仍采用增安型结构。

而增安型的接线盒内密闭空腔，在电机主体经过换气阶段后，其内部是否还是2区危险环境，值得商榷。

5.2 个别集成正压通风装置还没有解决上述4.2的问题，不能应用在1区危险场所，还不能取得px等级的防爆认证。

5.3 个别基本型集成正压通风装置还只能实现1点压力值的采样监测，对于多腔体、复杂结构，带内外风扇的电机结构，满足不了要求。

6 对正压外壳型电机技术改进的建议
6.1 正压外壳型电机的最大正压值，要考虑进口压力完全放在调节器出口处的这种故障模式，以验证泄放装置限制内部压力的快速反应和可靠性，对于压缩气体供气，
目前还是取690kPa值比较适合。

6.2 考虑增大接线盒与电机主腔的贯通面积，提高换气流量的设置，电机整体制成正压外壳型结构。

6.3 对于有内或外风扇的旋转电机，最低正压试验要增加电机最大额定转速下的运行试验，以获得最低正压点的位置，电机外壳内的压力传感器的布置应不止1个。

6.4 考虑研制高功率密度，大流量稀释气流正压外壳型电机，取消电机内外风扇，完全依靠稀释气流通风散热。

但这种结构势必会增加供气的电能损耗，还需用户的认可。

6.5 对于粉尘保护型“pD”，排气口不宜设在设备上，需通过管道连到安全场所
出风出尘。

7 结语
正压外壳型电机将迎来一个快速发展的时期，因此加大对此类电机的技术改进将对其发展起着重要作用。

本文仅从正压外壳型电机的防爆角度，分析了其技术特点以及目前需解决的技术难点，对设计制造者提供一些有益的建议和线索，供大家参考。

参考文献
[1] GB/T 3836.5—2017 爆炸性环境第5部分: 由正压外壳“p”保护的设备.
[2] IEC 61241—4可燃性粉尘环境用电气设备第4部分：正压保护型“pD”.
[3] IEC 60079—2:2014 Explosive atmospheres-Part 2: Equipment
protect ion by pressurized enclosure “p”.。