Перспективные способы защиты приводов во взрывоопасных зонах

Сегодня электроприводы переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью на базе частотных преобразователей стали буквально традиционными для применения в различных отраслях, включая предприятия нефтегазовой отрасли, оборонной, фармацевтической, текстильной промышленности, синтеза химических соединений, производство пластмасс и т.д., которые попадают под определение (и классификацию) взрывоопасных зон.

В инженерной практике защита от взрыва заключается в устранении горючего материала, взрывоопасной атмосферы и источника воспламенения, а также ограничении возможных последствий взрыва, а потенциальным источником воспламенения воздушной горючей смеси были и остаются электрические устройства, в том числе электроприводы переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью.

Первый технический регламент, разработанный VDE (нем. Verband Deutscher Elektrotechniker), был введен в действие еще в 1912 году и формализовал способы защиты электродвигателей, эксплуатируемых в шахтах и на рудниках. Сегодня в нашей стране нормирование электрооборудования для взрывоопасных зон осуществляется по целому пакету стандартов с базовыми ГОСТ IEC 60079-10-1-2013 (по классификации) и ГОСТ 31610.0-2019, регламентирующим общие требования.

В целом все процессы, в которых перерабатываются воспламеняющиеся твердые, жидкие, газообразные вещества (или материалы), связаны с вероятностью образования взрывоопасных пылевоздушных смесей, а обеспечение надлежащего уровня взрывобезопасности путем анализа рисков является обязанностью владельца, который отвечает за безопасность, как производства, так и сотрудников. Вместе с тем, далеко не всегда подбирается взрывозащищенное, т.н. Ех-оборудование, а производители электрических, электронных компонентов и сборок НКУ (низковольтных комплектных устройств) сертифицируют свои продукты на соответствие требованиям стандартов EN 60079, семейств ГОСТ IEC 60079 и ГОСТ 31610.

Кроме того, наиболее типовыми по защите остаются корпуса (оболочки) Ex d (explosion-proof) - герметичные, из прочных материалов с соответствующими уплотнениями для предотвращения попадания взрывоопасных газов и/или пыли, Ex e (increased safety) - повышенной безопасности (в соответствии с ГОСТ 31610.7-2017), но менее защищенные, чем Ex d, Ex i (intrinsic safety) – искробезопасные (в соответствии с ГОСТ 31610.11-2014) с ограничением электрической мощности (по току, напряжению), Ex n (non-fire safety) – т.н. «не пожарной» безопасности (в соответствии с ГОСТ 31610.15-2014) без защиты от взрыва внутри корпуса. Однако редко проектируют электрооборудование с корпусами (оболочками) Ex p (pressurised safety, или безопасность под давлением по ГОСТ 31610.13-2019), заполненные инертным газом, как правило, азотом под давлением, хотя, например, в развитых странах мира они считаются оптимальными и целесообразными в аспекте финансовых вложений для нефтегазовой отрасли, производства синтетических материалов, синтеза химических соединений и др.

Электроприводы переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью в оболочках Ex p.

К типовым источникам воспламенения в приводах переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью сегодня относят:

• аккумулирующие электроэнергию конденсаторы, реакторы преобразователя частоты, мгновенная разрядка которых может привести к воспламенению опасной среды внутри оболочки (корпуса) с последующими негативными событиями (разрыв корпуса, просачивание горячих газов, пламени через уплотнения, нагрев корпуса до критических (в аспекте воспламенения) температур;
• статическое электричество, которое далеко не всегда удается нивелировать с помощью заземления, например, в случае непроводящих материалов;
• искры механического происхождения от вращающихся частей электродвигателя в приводе, срабатывания контакторов и пр.

Электрооборудование Ex p (безопасность под давлением) сегодня уже проектируется по данным об оптимальном минимальном избыточном давлении, времени продувки, типичном повышении температуры обмоток и корпуса двигателя, причем это оборудование совсем не обязательно должно быть стационарным. Существуют варианты, в которых устройство оснащается переносным газовым баллоном, обеспечивающим соответствующее избыточное давление внутри корпуса даже в случае утечки, например версии мобильного робота для обнаружения присутствия токсичных и воспламеняющихся газов в угольной шахте.

В стандарте по безопасности Ex p выделяют два решения, которые обеспечивают защиту за счет увеличения давления внутри корпуса - в первом создается статическое избыточное давление, которое автоматически поддерживается внутри герметично закрытого, как правило, инкапсулированного корпуса. Во втором рассматриваются конструктивно-технические решения электрооборудования, которое постоянно продуваются чистым газом, причем этим газом может быть атмосферный воздух, если обеспечено отсутствие воспламеняющихся веществ.

Наряду с этим, к электрооборудованию Ex p предъявляются дополнительные требования и среди них:

• воздуховоды внутри корпуса (и на входе/выходе должны быть выполнены из негорючего материала;
• НКУ Ex p должно иметь источник энергии, отдельный от общей электропроводки; корпус должен быть герметичным при закрытых дверях;
• корпус должен быть оснащен датчиком давления;
• минимальный IP-код корпуса должен быть не менее IP4X;
• корпус должен быть устойчивым к механическим воздействиям;
• любые горячие поверхности внутри корпуса должны быть охлаждены перед открытием;
• положение входного и выходного отверстий должны определяться относительной плотностью продувочного газа;
• должна быть обеспечена возможность проверки работы контрольно-измерительной аппаратуры;
• на корпусе должна быть нанесена соответствующая маркировка (например, о избыточном давлении внутри корпуса);
• необходимо резервирование автоматических предохранительных устройств;
• оборудование не должно находиться под напряжением до тех пор, пока концентрация воспламеняющегося газа не упадет ниже 25% от предельного значения;
• оборудование должно быть гарантировано производителем по надежности, безопасности, долговечности и т.д.