浅析爆炸气体环境中的电气设计

郑庚然

（唐山三友化工股份有限公司设计公司）

唐山三友集团是一所大型的化工集团。随着生产规模的扩大及经营品种的增多，易燃、易爆物料介质也越来越多，严重威胁着生产的安全。如有机硅的107胶车间、石灰窑的液氧系统、股份公司氨库、天然气站等均属于爆炸危险环境。在这些环境中，电气设备的火花常常是引起爆炸事故的主要原因之一。因此正确分析爆炸危险场所环境因素，严格细致确定爆炸危险区域，经济合理选用防爆电气设备等，以防止爆炸条件的形成和减轻爆炸危险的程度，是我们电气设计的重点。

1 爆炸危险产生的原因

爆炸是物质的一种非常急剧的物理－化学变化，一种在限制状态下系统潜能突然释放并转化为动能而对周围介质发生作用的现象。

当可燃性气体与空气混合成一定比例，形成爆炸性混合物时，如果此时遇见电器开关在分合过程中产生的电弧以及电机或灯具表面积累热量形成的高温，或其它情况引起的电火花等，这就构成了爆炸发生的三要素（即释放源、爆炸浓度极限、点燃源），从而造成爆炸事故。

爆炸发生的三要素，缺一不可。因此，防爆设计必须以这三个方面作为设计基础，使其同时出现的可能性降到最低。

2 电气防爆设计

在易燃、易爆化学工厂内，密闭容器和通道本身不视为释放源。当事故情况或在正常操作过程中产生易爆可燃物质外泄，如果此时再遇到电气设备由于过电流或过电压而引起的火花、电弧或高温，就极易造成爆炸事故。电气防爆设计的主要作用就是避免电气设备或线路成为点燃源。

2.1 正确划分爆炸区域

划分爆炸区域是防爆电气选型、选择电线电缆及敷设方式、厂房设备防雷接地的前提条件，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、运行经验等方面来综合确定。下面就我公司的蒸吸、滤过厂房举例说明。

图中R1401A、B，R1402A、B、C为蒸吸、滤过厂房的母液吸氨器，生产过程中会释放氨气气体危险爆炸介质，氨气的理性特性见表1。

表1 氨气的理性特性

由表1可知，氨气属于轻于空气的易燃易爆危险性气体，但由于本厂房通风良好，根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的要求，确定母液吸氨器为第二级释放源，与空气混合的爆炸性气体混合物分级分组为ⅡA级T1组，其爆炸危险区域的范围划分为其水平方向周边4.5m范围内，垂直方向7.5m范围内为气体爆炸危险环境2区。

图1 蒸吸、滤过厂房爆炸危险区域划分

2.2 爆炸环境中电气设备的选择

防爆电气设备区别于普通设备的重要一点，就是能有效的防止电火花外泄。其根据结构类型分为隔爆型d、增安型e、正压型p、无火花型n、充油型o、本质安全型i等。

一般来讲，防爆电气设备首先要确定的就是防爆等级。蒸吸、滤过厂房防爆区域内，根据氨气的物理特性及防爆区域划分，其设备防爆等级不应低于ExdIIAT1。根据防爆等级来确定防爆设备的结构类型。

对于电气防爆设备选型，虽然按爆炸区域分区，我集团爆炸环境大部分为2区，但为了安全起见，一般选用安全等级较高的隔爆型电气设备，但隔爆型设备体积大、成本高、安装和维修困难。为了降低成本，对于处于2区的设备我们正在尝试增安型的。但增安型电机外壳不具备隔爆外壳的保护特性，其保护还应引入t E时间（在最高环境温度下达到额定运行最终稳定温度后的电机绕组，从开始通入最初启动电流时计起直至绕组温度上升到极限温度的时间）保护概念，即配备过载反时限保护装置，保证电机堵转时在电机铭牌规定的时间内断开电源。

在防爆厂房内尽量不使用携带式或移动式设备。因为设备外壳之间的碰撞、摩擦以及放在水泥地面时均可能产生火花成为点燃源。设备选型也要配套，如果电机是隔爆型的，而控制设备是增安型的，就极易产生电火花，引起爆炸事故。

除此，防爆设备选型要严格按照设计参数来选择，避免容量过大造成资源浪费或容量太小引起发热烧毁设备、甚至引发爆炸等恶性事故。

2.3 配电中需注意的问题

根据《供配电设计规范》，我公司的负荷等级一般为二级负荷，由两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一电源能保持持续供电，以保证我公司正常生产、运行。

对于配电所的位置，一般设在远离爆炸环境的区域。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的变配电室的地面，应高出室外地面0.6m，且不应设在有火灾爆炸危险区域的正上方或正下方，其门窗应通向无火灾危险的环境。

进入爆炸危险场所的电源应采用TN－S接地系统，即三相五线制；如果是三相四线制，则应在安全场所首先转化为三相五线制，即TN－C－S系统。保证电气设备有专用的接地线。

2.4 爆炸气体环境下的线路敷设

对于电气线路的敷设，我们以蒸吸、滤过厂房的配电和有机硅107硅胶车间来说明。蒸吸、滤过厂房爆炸释放源气体为氨气，属于介质比空气轻的气体，所以其敷设路径不能架空敷设，应从下方楼板穿管引上至本层的电气设备，电缆均应采用阻燃型的，外套管采用镀锌焊接钢管。而对于有机硅107硅胶车间，其释放源为乙醇的挥发物，属于介质比空气重的气体，电缆敷设方式选择桥架架空敷设，电缆同样选择阻燃型的。电缆敷设的原则就是远离释放源。

一般环境下，当管线穿墙引入时，其孔洞应做防火封堵。但在易燃易爆环境下还应考虑其管线的隔离密封设计，即在不同环境之间、导体引入装有开关、继电器、熔断器等可能产生电弧或火花的电气设备外壳的接头部件处前都加装隔离密封盒，隔离密封盒应尽量靠近隔墙。

2.5 防雷与接地

根据《建筑物防雷设计规范》，我集团的有机硅107胶车间、石灰窑的液氧系统、股份公司氨库、天然气站等爆炸危险场所均属于二类防雷建筑。对于其防雷，除考虑构筑物及设备本身的防雷外，还应考虑其排放爆炸危险气体的放散管、呼吸阀、排风管等管口外分以下空间是否处于接闪器保护范围内：当有管帽时，应按表2确定；当无管帽时，应为管口上方半径5m的半球体。接闪器与雷闪的接触点要在上述空间之外。

相对密度小于或等于0.75的爆炸性气体规定为轻于空气的气体，大于0.75的爆炸性气体规定为重于空气的气体。

在爆炸性气体环境中，当发生短路、泄漏电流增大、雷电感应过电压或产生静电时，为抑制危险电压及过电流，极为有效的防护措施就是接地。

表2 有管帽的管口外处于接闪器保护范围内的空间

①在厂房爆炸区域内，电气设备的外壳都必须可靠接地，且其接地端子应与电缆中专门配置的地线相连。

②由于在爆炸危险厂房内，金属容器、管道、构架及操作平台很多，且大多工艺管道及电气管线多为明敷，长短不一，极易形成不同的感应电位造成静电荷聚积，引起静电而产生火花。为消除静电，所有厂房内金属构件及管道进入建筑物时均应做等电位连接，以消除电位差。图2为蒸吸、滤过厂房爆炸区域内的防静电接地图。图中，除了母液洗氨塔应可靠接地、等电位连接外，其管道也应可靠接地，并且其阀门和仪表两端均应用专用软铜线RVS－1＊6 mm2进行跨接。

图2 蒸吸、滤过厂房爆炸区域内的防静电接地

3 结 语

在爆炸危险环境内，防爆是电气设计必须做到的，还需要综合考虑工艺、土建、通风、设备等各专业的相互配合，优化爆炸区域附近安全场所的建筑布置，合理实施工艺流程，在综合防爆的理念下，安全、经济的确定防爆方案，杜绝爆炸事故的发生。

［1］ GB 50058—1992爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范［S］

［2］ 王纯.爆炸性气体环境设计要点［J］.电气防爆，2008（4）