浅谈爆炸性环境中的电气设计

孙雅静

（天津市化工设计院，天津 300193）

石油化工企业多是属于爆炸危险环境,其生产工艺及控制要求较复杂,且多是连续化生产,对电气设备的要求较高。国标GB50058－92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》第2.1.1条规定：对于生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸性气体混合物环境时应进行爆炸性气体环境的电力设计。本文现就易燃易爆危险环境中的电气设计的相关问题作简要的讨论。

1 爆炸危险区域的范围划分

搞好易燃易爆环境电气设计的首要任务就是对生产场所正确地进行爆炸危险区域划分。这一点直接影响到下面的一系列设计工作,如：主要电气设备的选型、电线电缆的选择与敷设、安装标准等,直接涉及生产和人身安全,应当根据释放源的级别和位置、易燃物质的性质、通风条件、障碍物及生产条件、运行经验等因素,经技术经济比较后综合确定。气体爆炸危险区域的范围划分。

1.1 建筑物内部释放源

a、封闭厂房通风不良时,以厂房为界,厂房内划为1区。当易燃物质重于空气时,如释放源距离建筑物外墙小于12m时,以释放源为中心,半径为15m,高度为7.5m的范围内(厂房外)划为2区。如释放源距离建筑物外墙大于等于12m时,通向露天的门、窗外3m以内的空间,在自然通风良好的条件下也划为2区。

当易燃物质轻于空气时,如释放源距离建筑物外墙小于1.5m时,以释放源为中心,半径为4.5m,高度为7.5m的范围内(厂房外)划为2区。如释放源距离建筑物外墙大于等于1.5m时,通向露天的门、窗外3m以内的空间,在自然通风良好的条件下也划为2区。b、封闭厂房通风良好时,以厂房为界划为2区。其它爆炸危险区域的范围同通风不良时。一般生产车间均属于封闭式厂房。在爆炸危险区域内如若采用了机械通风,通常可认为是通风良好的状态。

1.2 生产装置区的释放源

当易燃物质重于空气时,以释放源为中心,半径为15m的范围内划为2区。当易燃物质轻于空气时,以释放源为中心,半径为4.5m的范围内划为2区。

1.3 重于空气的易燃物质贮罐

a、固定式贮罐,在罐体内部未充隋性气体的液体表面以上的空间划为0区。以放空口为中心,半径为1.5m的空间和爆炸危险区域内的地坪下的坑、沟划为1区。贮罐无堤时,距离贮罐的外壁和顶部3m的范围内划为2区。

当贮罐周围设围堤时,贮罐外壁至围堤,其高度为堤顶高度的范围内划为2区。如贮罐外壁至围堤距离小于3m时,爆炸危险区域应划出围堤外。b、浮顶式贮罐,在浮顶移动范围内的空间划为1区。贮罐无堤时,距离贮罐的外壁和顶部3m的范围内划为2区。贮罐在堤内,如贮罐外壁至围堤距离大于等于3m时,其水平距离从贮罐外壁延伸至围堤的范围内划为2区;否则应距贮罐外壁3m范围内都划为2区。

1.4 非爆炸危险区域。

爆炸性气体环境内的车间采用正压或连续通风稀释措施后,车间可降为非爆炸危险环境。在生产过程中使用明火的设备附近,或炽热部件的表面温度超过区域内易燃物质引燃温度的设备附近,以及在生产装置区外,露天或开敞设置的输送易燃物质的架空管道地带(但其阀门处按具体情况定),可划分为非爆炸危险区域。

2 易燃易爆环境中的配电设计

2.1 负荷分级

关于负荷分级，我们不仅要参照《工业与民用配电设计规范》，更要根据实际的易燃易爆环境的生产工艺及安全要求对负荷进行分级。正常情况下，这类负荷大都划分为一、二类负荷，但标准中特别强调在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷应为特别重要的负荷。如，在工业生产中关断正常电源来处理安全停产所必须的应急照明、通信系统和保证安全停产的自动控制装置等。

2.2 供电电源的设计

针对化工、石化行业较多的一级负荷情况，配电设计应由两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏，以保持继续供电。对于一级负荷中特别重要的负荷，还必须增设应急电源。

常用的应急电源有发电机组、干电池、蓄电池以及专用的馈电线路等，应根据产品的生产工艺允许的中断供电的时间来选择：

（1）蓄电池（UPS）适用于毫秒级负荷；

（2）带有自动投入装置的专用馈电线路，适用于中断时间1.5s或0.6s的应急电源；

（3）快速自启动的发电机组，适用于中断时间15s以上的负荷。

在实际的设计中，亦可根据实际情况略作变动。

2.3 厂区（车间）变配电所的布置

对于易燃易爆环境，除了符合正常规范的要求外，还要注意以下几点：

（1）不应设在有爆炸危险的区域内，当配电室为正压室时可布置在1区、2区内。对于易燃物质比空气重（化工行业的产品、介质大部分都比空气重）的爆炸性气体环境，位于1区、2区附近的变配电所的室内地面，应高出室外地面0.6m；

（2）不应设在有火灾危险区域的正上面或正下面；

（3）变配电所如果与火灾危险区域的建筑物毗连时，应符合下列要求：

a.电压为1～10kV配电所可通过走廊或套间与火灾危险环境的建筑物相通，通向走廊或套间的门应为难燃烧体；

b.变配电所与火灾危险环境建筑物共用的隔墙应是密封的非燃烧体。管道和沟道穿过墙和楼板处，应采用非燃烧性材料严密堵塞；

c.变压器室的门窗应通向无火灾危险的环境。

2.4 防爆电气设备的选择

应根据具体场所的危险等级及工作环境选择合适的防爆电气设备类型。同时根据设计要求和技术要求选用参数相匹配的设备，既要避免造成资源浪费，也要避免容量太小引起发热烧毁设备，甚至引发燃爆等其它恶性事故。

2.4.1 电线电缆的选择

国标GB50058-92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中指出,在爆炸性气体环境1区、2区内,绝缘导线和电缆截面的选择,应符合下列要求：

a.导体允许载流量,不应小于熔断器熔体额定电流的1.25倍,和自动开关长延时过电流脱扣器整定电流的1.25倍。

b.引向电压为1000V以下鼠笼型感应电动机支线的长期允许载流量,不应小于电动机额定电流的1.25倍。

c.在1区内,铜芯控制电缆的最小截面为2.5mm2,而在2区内,铜芯控制电缆的最小截面为1.5mm2。

另外,在此规范前提下,还应按经济电流选择电缆截面。一般来讲,经济电流截面比允许载流量截面要放大1～2级,但也有偏小的情况。所以,按经济电流选择电缆截面时,要用允许载流量进行校核,然后选择截面较大者,以首先保证安全的运行。

另外,这种情况是在单根电缆敷设的条件下。实际上,我们在选择电缆时应根据具体的环境温度、敷设方式等因素用适当的系数将载流量加以调整,那么我们选择的电缆截面将会放大 (选择电缆时应适当放大),既满足了防爆电气设计规范,又缩小了与经济截面的差距。

其它注意要点：

a.低压电力、照明线路用的绝缘导线和电缆的额定电压,必须不低于工作电压,且不应低于500V。工作中性线的绝缘的额定电压应与相线电压相等，并应在同一护套或管子内敷设。

b.在爆炸危险环境中，在TN-S系统中的单相回路中需要安装两极开关，在分断相线时必须把N线分断(即相线与N线同时分断)。这仅仅是指在供电系统正常运行的情况下，避免触及带电的N线而受到电击危险或N线产生电火花引起爆炸或火灾危险，这只是安全用电的措施之一，而不能解决所有安全用电的问题。

c.10kV及以下架空线路,严禁跨越爆炸性气体环境。架空线路与爆炸性气体环境的水平距离,不应小于杆塔高度的1.5倍。

2.4.2 防爆电气设备的选择

选用防爆电气设备的防爆类型、级别及温度组别应按防爆区域等级及防爆介质等级划定,其形式有两种：

a.接线口为螺纹式。国外防爆电机大多属于这种形式，国内也有不少厂家已开始生产。这种形式，钢管可直接与防爆挠性管进行连接。防爆挠性管上应配套连接件，与钢管是螺纹连接,否则挠性管上应加装防爆活接头。在引入非密封的防爆电气设备前，在防爆挠性管与电气设备接线口处应装设隔离密封装置。

电缆引入时加防爆密封接头，电线引入时加防爆隔离密封盒。当电气设备的接线盒自带密封装置时,可不必另加隔离密封装置。防爆电气设备直接与防爆挠性管配套连接，既便于安装，又安全、美观，但电动机造价高一些。

b.接线口为卡套式。目前,国内大部分防爆电机都属此类。接线时电缆从钢管中裸露引出直接接到用电设备接线口处。接线口及管口处必须用填料(密封胶泥)密封。这种做法虽然造价低,但不易安装、不美观、安全性低，碰到不负责任的或资质不够的施工队伍，其安全性就大打折扣，将给安全生产带来巨大的隐患。通常运用的处理方法为：拆掉卡套口送到防爆电器加工厂重新加工丝扣，与防爆挠性管相配套，既安全、美观，又降低了造价。

2.4.3 电线电缆和电气设备的安装

根据规范要求和经验，化工行业易燃易爆环境车间内的配电线路设计一般都以电缆桥架为主，钢管与电缆沟的敷设为辅。

正常情况下，在±0.000m平面，先由室外桥架引入，进入室内后至用电设备附近沿墙或柱引下至电缆沟(敷设完毕后封死,以防白蚁和进水),然后穿管在地面下暗敷设至电动机旁,再用防爆挠性连接管接至电机接线口处。而在其它高于±0.000m上的平面,电气线路基本上都是由桥架架空引入,然后由桥架穿管架空敷设至电动机旁,再由防爆挠性连接管引入电机接线口。

在爆炸危险环境明敷电缆过墙或穿出地面时应穿钢管,并需增设相应的防爆隔离密封(如在穿墙套管内填充不燃纤维作堵料,管口加密封胶泥)。当采用非密闭性电缆沟时,应在沟中充沙,并使电缆上、下各有100mm厚的细沙。

另外,架空桥架敷设时宜选用阻燃电缆,在1区、2区内电缆线路不应有中间接头。不准明敷绝缘导线,必须采用钢管配线工程。穿线钢管应采用低压流体输送用镀锌焊接钢管。

3 照明系统部分设计

由于目前化工生产的控制趋向大规模计算机集成控制系统，所有电气设备的操作亦都由DCS在控制室控制，现场无人操作，故厂房照明系统一般采用集控方式，照明箱和控制开关设在控制室的方式方便可行。

关于照明灯具的选择，根据经验，提出以下几点建议。

1）防爆日光灯特别是抽出式灯管（多数是这样），由于长度较长、重量重、占空间较大等特点，如果选择、安装不当，维修灯管时必须拆卸灯具才能换灯管，故建议设计时选用易更换型灯管；

2）其他防爆灯具。一般情况下化工行业的厂房较高，提倡选用易换型灯泡（卡扣式），其安装方式、高度都不受限制且易维修，但必须注意，由于化工企业的大型电机多，起动频繁导致线路电压短时下降太多，故选择灯具时应尽量选用带镇流器的。否则，一方面灯泡易坏，另一方面出现频闪现象亦不安全。

4 防爆电气设备的接地

在爆炸危险环境内,所有电气设备都必须进行可靠接地,以确保运行的安全可靠。对于电气设备的金属外壳和铠装电缆的接线盒,都必须具有外接地螺栓,并标出接地符号。对携带式和移动式电气设备,可不设外接地螺栓,但必须采用有接地芯线的电缆。

电气设备接线盒内部(当采用直接引入方式时,则在主空腔内部)必须设有专用的内接地螺栓,并标出接地符号。但电机车上的电气设备和电压不高于36V的电气设备除外。对没有必要接地或不允许接地的电气设备,可不设内、外接地螺栓。Ⅱ类本质安全型的电气设备可只设专用外接地螺栓。

5 有爆炸危险的露天封闭钢罐的防雷

露天装设有爆炸危险的封闭钢罐和工艺装置(石油、化工类钢罐除外),当其壁厚不小于4mm时,一般可不装接闪器,但应接地,且接地点不应少于2处,两接地点间距离不宜大于30m。当采用接闪器保护时,其外表面的2区爆炸危险环境可不在保护范围内。对浮顶罐应将浮顶与罐体用两根截面积不小于2.5mm2的软铜线作良好的电气连接。引入、引出罐体的金属管道应在法兰等接头处做好电气连接。

总之，本文主要谈谈对爆炸危险环境中的电气设计的一些个人观点。由于水平有限,难免有错误和不妥当之处，一切应以现行规范和标准图集为准。