EPL Gc级高压增安型电机关键防爆技术研究*

张 刚， 高玉华

(1. 南阳防爆电气研究所，河南 南阳 473008； 2. 南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473010)

0 引 言

随着石油、化工行业的快速发展，高压增安型电机在爆炸性气体危险场所2区的应用得到了广泛认同。我国增安型电气设备依据的专用防爆标准GB 3836.3—2010[1]与国际标准接轨，等同采用IEC 60079-7： 2006[2]，适用于爆炸性气体危险场所1区用增安型电气设备。

目前,国内外还没有针对2区用增安型电气设备的相应技术规范，我国用于爆炸危险场所2区的高压增安型电机仍以标准GB 3836.3—2010作为设计、制造依据。由于该标准技术要求较高，对于2区爆炸危险场所大量需求的高压增安型电动机，制造成本显著提高,资源消耗较大,且难于实现成为制约高压增安型电机行业发展的瓶颈。研究爆炸危险场所2区用高压增安型电机(对应EPL Gc级)的关键防爆技术显得十分迫切。

1 高压增安型电机的主要使用区域和保护级别

1.1 高压增安型电机所处的危险作业区域

涉及爆炸性气体、易燃性液体的蒸汽或薄雾与空气混合形成爆炸性环境的场所，按其危险程度分为0区、1区和2区3个危险区域等级。

增安型作为电机防爆的一种常用防爆型式，主要采取一些附加措施提高电机安全程度，防止电机在正常运行或规定的异常条件下产生危险温度、电弧和火花。国内石油、化工场所选用的高压增安型电机绝大多数处于2区作业环境，即在正常情况下，该区不可能出现爆炸性气体混合物。

1.2 爆炸危险场所2区用高压增安型电机的保护级别及运行条件

防爆电气设备的设备保护级别(Equipment Protection Level, EPL)是根据设备成为点燃源的可能性和爆炸性气体环境所具有的不同特征而对设备规定的保护级别。国家标准GB 3836.1—2010和国际标准IEC 60079-0： 2011[3]对此要求一致。对于Ⅱ类爆炸性气体环境，设备保护级别按运行条件及保护水平从高到低分为EPL Ga、Gb和Gc 3个等级。

设备的不同EPL反映了不同危险区域的安全要求。Gc级别是保证设备在正常运行条件下必要的防爆保护级别，要求设备在正常运行条件下不会成为点燃源，或在预期点燃源可能出现的情况下，通过预先采取附加保护措施保证其不会被有效点燃，其设计应使之能按照制造商设定的运行参数发挥功能，保护水平“一般”，适用于2区环境。高压增安型电机常用的2区环境对应适用EPL Gc级。当然，较高级别的EPL Ga级和EPL Gb级设备也适用于2区，只是经济、技术成本要增加很多。

EPL Gc级所要求的“正常运行条件”是指电机符合制造商设计和使用规范的额定满载稳定条件。对于S1连续工作制和S2短时工作制的电机，其起动过程在此不被看作是“正常”运行,重新起动前电动机应冷却至室温；而S3到S10工作制由于起动频繁，其起动过程被看作是电机的“正常”状态，需考虑高压电机起动时转子引起的火花风险。在起动过程中，小型鼠笼铸造转子电机几乎不会出现点燃危险,大型高压电机在起动瞬间易出现危险的气隙火花。因此，要使EPL Gc级高压电机在正常运行条件下不会成为点燃源，就不允许“起动”和“爆炸性气体环境出现”这两个事件同时发生。否则，就需要增加附加安全措施,如用非易燃性气体进行内部通风吹扫、安装固定式易燃气体探测器等。

2 新旧标准对高压增安型电机关键试验项目要求的比对及行业现状

增安型电机依据的现行标准GB 3836.3—2010(IEC 60079-7： 2006，IDT)与旧版标准GB 3836.3—2000(IEC 60079-7： 1990+A1+A2，MOD)差异较大。符合现行标准GB 3836.3—2010的设备可达到EPL Gb级，即符合该标准的设备适用于爆炸危险环境1区或2区。在旧版标准体系下，按选型、安装标准GB 3836.15—2000[4]的规定，高压增安型电机仅适用于爆炸危险场所2区。新版的现行标准还增加了对可能产生气隙火花的转子结构评价、对高压电机结构评定和试验要求，以及针对高压电机关键性项目的附加试验等。

在型式检查和试验方面，现行新版标准GB 3836.3—2010规定了增安型电机应进行的试验项目和要求,包括增安型电机起动电流比IA/IN和tE时间确定等。其中，根据额定电压等级(>1kV)，对定子绕组绝缘系统及其连接电缆需进行两项附加试验： 爆炸性气体混合物中进行的正弦交流耐电压试验；及爆炸性气体混合物中进行的电脉冲冲击试验。试验期间均不应有爆炸发生。

在试验和经验基础上，根据各种特性因素评价结果，标准还给出了对鼠笼转子潜在气隙火花点燃风险因数评价办法，及潜在的定子绕组放电点燃危险系数评价办法。

根据由电机制造商、用户或检验机构对鼠笼转子点燃风险因素的评价结果，如果所得点燃风险因数值总和>6，则应对鼠笼转子做老化处理和附加点燃试验： 鼠笼转子在经过至少5次转子堵转老化试验后，电机在爆炸性气体混合物中进行10次满压空载起动或10次转子堵转试验(≥1s)，并确认没有爆炸发生。

根据由电机最终用户、制造商或检验机构对定子绕组点燃风险因素的评价结果，如果所得点燃风险系数值总和>6，则还需考虑增加起动前用非易燃性气体或洁净空气通风吹扫，或设置固定式易燃气体报警器等辅助安保措施。

旧标准GB 3836.3—2000规定的型式试验关键项目和要求，主要是在黑暗环境下通过肉眼或仪器观看电机起动时是否有火花，以及在黑暗环境下观察正弦交流耐电压试验过程中是否有明显火花和电晕，以此判定是否合格，没有要求应在爆炸性环境中进行试验。显然，旧标准规定的方法有较大局限性，在过去的技术水平下，加上其他附加安全措施，基本满足2区使用条件。基于该情况，在新标准GB 3836.3—2010的起草过程中，部分企业希望能尽快提高增安型电机行业的技术水平，提出应与国际先进水平接轨，但当时未涉及EPL Gc级的设备问题。

目前，市场上按照标准GB 3836.3—2010生产的EPL Gb级高压增安型电机仍然很少(国外少数大公司有一些产品，但价格高昂)，而对用于危险程度较低的2区环境的EPL Gc级高压增安型电机，目前尚无相应技术指南。增安型电机的安全性与其设计、制造、工艺、材料、检验、使用和维护等均有关系。对南阳、佳木斯、上海、苏州、无锡等地国内主要高压增安型电机制造商实地调查，并与上海石化、燕山石化等主要设备终端用户部门专题研讨发现： 自标准GB 3836.3—2010实施以来，电机制造商按石化用户要求研制适用于2区的增安型电机，因无EPL Gc级高压增安型防爆技术指南而不得不按GB 3836.3—2010要求的EPL Gb级进行。由于定子绕组要在爆炸性气体混合物中进行正弦交流耐电压和电脉冲冲击等试验，需要采取加强绝缘和放大间隙等措施，故使电机容量降低很多，技术难度加大，成本上升，市场竞争力锐减。尤其是在爆炸性气体混合物中进行的电脉冲冲击试验，通过率很低。目前，这种情况导致我国增安型高压电机的制造基本陷入停滞状态。市场有需求而产品难于通过试验的现状，严重制约着增安型高压电机行业的发展。

3 国内外其他2区用高压防爆电机产品情况

现有适应于2区危险环境用电机的防爆型式主要是“nA”型(无火花型电机)，对应EPL Gc级设备。“nA”型电机在正常运行条件下不产生电弧或火花，也不产生能够点燃周围爆炸性混合物的表面高温或灼热点，且一般不会发生有点燃危险的故障。“n”型电气设备的国家标准GB 3836.8—2003[5]没有对大型高压电机提出特殊要求 ，该标准采用IEC 60079-15： 2001已被IEC 60079-15： 2010[6]版本所替代。最新国际标准IEC 60079-15： 2010规定了2区用“nA”型大型或高压电机的型式试验主要要求： 对于额定输出>100kW的非S1或非S2工作制的“nA”型电机，如果评价的鼠笼转子潜在气隙火花点燃风险因数的总和>6，则要求电机鼠笼转子采取适当措施，确保在起动时外壳内不含爆炸性气体；对于降压起动的电机，限制起动电流比IA/IN<3；也可做鼠笼转子老化处理和点燃的附加试验： 鼠笼转子在经过至少5次转子堵转老化试验后，电机在爆炸性气体混合物中进行10次满压空载起动或10次转子堵转试验(≥1s)，试验期间应没有爆炸发生。

另外，根据额定电压等级(>1kV，其中对于ⅡA类模绕定子则为6.6kV)，对“nA”型电机定子绕组绝缘系统及其连接电缆，要求在爆炸性气体混合物中进行正弦交流耐电压的附加试验，并应确认没有爆炸发生。

4 EPL Gc级高压增安型电机关键防爆技术分析

由于高压电机额定电压高于绝缘结构的局部放电起始电压，无论何种供电类型，其绝缘结构表面都会发生易燃性局部放电[7]，尤其当转子端部绕组被污物污染时，更是如此。因此，在设计制造时需考虑电机局部放电对整个绝缘结构的影响，及局部放电可能对潜在爆炸性气体环境引燃的影响(经验表明，额定电压相-相之间 4160V 以下的电动机，如果维护良好，一般不会由于绕组表面放电而产生不可接受的点燃危险)。

在正弦或脉冲电压作用下，绝缘介质失效特征不同。正弦电压下绝缘介质失效时间与频率成线性关系[8]，过电压较高时可起晕。而脉冲电压则不同，随着脉冲频率增加放电空间电场强度减弱；电压幅值增加和电压上升时间减小导致反向电场作用增强，局部放电起始电压降低；绝缘层数增加导致空间电荷累积增加。在脉冲电压作用下绝缘老化还会出现“放电丛”现象[9]，并可造成电磁线表面针孔状损伤或大面积炭化[8]。这些因素威胁着电机的运行及防爆安全，当放电能量超过周围爆炸性气体的引燃能量时，可能导致周围危险气体爆炸。

针对2区EPL Gc级增安型高压电机，承受正常额定电压及其合理短时过电压均属正常状态，而由过电压引起的电晕放电可能成为潜在的连续点燃源。故在电动机正常运行时必需考虑这种影响，其考核的有效方式是在爆炸性气体环境承受正弦交流耐电压试验。对于1区EPL Gb级增安型高压电机，根据EPL Gb级增安型设备的定义要求，除需考虑电晕放电外，还应考虑负载切换、雷击等状态时电机感性负载引起的瞬时高压扰动脉冲影响，需进行在爆炸性气体环境中的正弦交流耐电压试验，及在爆炸性气体环境中的电脉冲冲击试验等。

从以上国内外关于EPL Gb级1区增安型电机与EPL Gc级2区用“nA”型电机型式试验项目及要求的对比中可看出，对EPL Gb级增安型高压电机，要求在爆炸性气体混合物中进行正弦交流耐电压、电脉冲冲击及鼠笼转子老化处理和点燃试验；而EPL Gc级的“nA”型高压电机进行型式试验仅是其可选方案之一，且其型式试验方案仅是在有条件的情况下要求做爆炸性气体混合物中的正弦交流耐电压和鼠笼转子老化处理及点燃试验，不做电脉冲冲击试验。

综合上述对危险场所划分、EPL Gb级的1区增安型电机和EPL Gc级的2区用“nA”型电机防爆技术特性，可得出：(1) EPL Gb级高压增安型防爆电机，应执行GB 3836.3—2010要求，适用于爆炸危险场所1区。(2) EPL Gc级高压增安型防爆电机，应执行GB 3836.3—2010要求，但可不做其中的电脉冲冲击试验。

针对EPL Gc级高压增安型防爆电机，在满足2区用“nA”型设备安全水平不降低的同时，又保留了对电机起动电流比IA/IN和时间tE等增安型电机的基本安全要素控制。基于以上结论的EPL Gc级高压增安型电机的防爆试验要求不仅满足2区用“nA”型电气设备的技术要求，而且还高于n型电机的要求。

一定条件下，EPL Gc级高压增安型防爆电机将不再必须进行爆炸性气体环境中的电脉冲冲击试验，这将大大增加试验通过率。如果征得最终用户部门和检验机构的同意，制造商还可根据电机额定功率和额定电压、工作制式、使用条件等技术参数，参照“e”型要求，借鉴“n”型要求，在不降低2区Gc级安全水平的条件下，针对EPL Gc级电机，探讨采取更为灵活的可行措施。

5 高压增安型电机关键试验研究及试制

增安型高压电机运行局部放电问题是防爆措施的难点(本文不论述温升问题)，其产生的放电能量很容易超过爆炸性气体的引燃能量从而引起爆炸。故在充分分析可能产生局部放电部位的基础上，针对高压绝缘系统在爆炸性气体环境中局部放电关键技术进行了大量的试验研究，验证并确认了防局部放电的措施。

可能产生局部放电的部位主要有[10-12]：

(1) 绕组端子。常发生在电机绕组端部并头连接处。

(2) 高、低阻搭接处及高阻区末端。主要由表面电阻率、高阻非线性系数和高阻区分段长及总长不匹配造成的高电场或残余电压引起。

(3) 线槽。定子绝缘表面和铁心之间的气隙中放电；槽中主绝缘和槽壁之间的气隙中放电；绕组在靠近通风槽口处由于存在尖锐边缘，形成较强的畸变电场放电。

(4) 导体和绝缘体之间。如铜导体与对地绝缘的气隙放电；绕组端部相邻线圈气隙中、固定线圈用支撑环与绕组接触处气隙、端箍支架和支撑环间的气隙放电。

根据高压增安型电机型式试验要求和高压电动机结构、工艺特点，研制了适合在爆炸性环境中开展正弦交流耐电压强度的试验装置系统和电脉冲试验装置系统[13]，设计、试制了代表性典型样品进行型式试验测试研究，包括： (1) 若干单组线圈；(2) 一个10kV 1/8定子模拟试验样品；(3) 一个10kV 1/4定子模拟试验样品；(4) 一台6kV增安型电机定子模拟样机；(5) 一台6kV增安型电机模拟样机；(6) 一 台10kV增安型电机模拟样机。

研究与试制中，利用Ansys有限元技术对预前结构和电磁分析，采用最小涡流损耗设计、高品质硅钢叠片材料和线圈自动化成型制造工艺等获得符合EPL Gc级要求的高压电机综合性局部放电防护措施。

试验研究的主要对象还有： 基本绝缘结构以环氧云母作为对地绝缘，外包高、低阻带作为防电晕措施[14]，防晕半导体材料选用 0.9 ～1.1非线性高阻材料，表面电阻率取109Ω数量级，低阻区的电阻率取104Ω数量级；线圈成型真空浸渍，不同部位选用不同的绝缘介质作为防电晕措施，铁心槽内用低阻防晕漆，定子线圈的直线部分采用低阻防晕带，线圈端部采用高阻防晕带[15]；适当设置凸、凹槽以增加电气间隙和爬电距离，凸筋的高度≥2.5mm，厚度应与绝缘件机械强度相适应，≥1mm；凹槽的深度与宽度都≥2.5mm；电机外壳及接线盒防护等级不低于IP54；轴承密封和轴密封方面，滚动轴承固定部分和旋转部件之间非摩擦密封或曲路密封的最小径向间隙或轴向间隙≥0.05mm；摩擦密封采用低摩擦系数PTFE材料制成；在旋转电机静止时，定子和转子之间最小径向单边气隙(mm)不小于用算式(1)计算所得值。

(1)

式中：D——转子直径，取75～750mm；

n——最大额定转速，最小值取1000r/min；

b——轴承系数，滚动轴承取1.0，滑动轴承取1.5。

初始起动电流与额定电流之比IA/IN<10，交流转子或定子绕组在最高环境温度下达到额定运行温度后，从开始通过起动电流IA起至温度上升到极限温度所需的时间tE>5s，并采用起动前洁净通风吹扫及可燃气体报警等辅助安全措施。

根据设备不同类别，选择最易点燃浓度(体积比)的试验用气体与空气混合物： ⅡC类用(21±5)%氢气；ⅡB类用(7.8±1)%乙烯；ⅡA类用(5.25±0.5)%丙烷。本试验选用(21±5)%的氢气作为试验用爆炸性气体，针对设计生产的不同电压等级(6、10kV)的EPL Gc级高压增安型电机样机进行正弦交流耐电压和防点燃等试验。试验过程未出现引燃现象，样品在满足2区安全要求的同时，其成本相对于同规格EPL Gb级高压增安型电机节省近40%，且体积大大减小(接近一个机座号的减小幅度)，研究结论得到了试验验证。

6 结 语

本文研究结果给出了针对危险环境2区用EPL Gc级高压增安型防爆电机可行的技术理论指南： EPL Gc级高压增安型防爆电机，应执行GB 3836.3—2010要求，其中可不做电脉冲试验。通过样品试制和试验研究也验证了其安全性、可行性和经济性。以该研究结论作为提案，在2012年11在全国防爆电气设备标准化技术委员会(SAC/TC9)第五届三次全体会议上，通过了在GB 3836.3—2010的下一次修订中增加针对EPL Gc级高压增安型电机可不做电脉冲试验的技术决议，为国家制订相关高压增安型电机技术指南提供了技术支撑。

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