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隔爆型电气设备结构与原理

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:473
(一)防爆原理
隔爆型电气设备的防爆原理是:将电气设备的带电部件放在特制的外壳内,该外壳具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离开的作用,并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电气设备的火花、电弧引爆时所产生的爆炸压力,而外壳不被破坏;同时能防止壳内爆
炸生成物向壳外爆炸性混合物传爆,不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。这种特殊的外壳叫“隔爆外壳”。具有隔爆外壳的电气设备称为“隔爆型电气设备”。隔爆型电气设备具有良好的隔爆和耐爆性能,被广泛用于煤矿井下等爆炸性环境工作场所。隔爆性电气设备的标志为“d”。
隔爆型电气设备除电气部分外,主要结构包括隔爆外壳及一些附在壳上的零部件,如衬垫、透明件、电缆(电线)引入装置及接线盒等。
根据隔爆型电气设备的防爆原理,我们知道隔爆外壳应具有耐爆和隔爆性能。所谓耐爆就是外壳能承受壳内爆炸性混合物爆炸时所产生的爆炸压力,而本身不产生破坏和危险变形的能力。所谓隔爆性能就是外壳内爆炸性混合物爆炸时喷出的火焰,不引起壳外可燃性混合物爆炸的性能。为
了实现隔爆外壳耐爆和隔爆性能,对隔爆外壳的形状、材质、容积、结构等均有特殊的要求。
(二)防爆措施
隔爆型电气设备主要在煤矿井下爆炸危险工作场所使用,其使用环境场地狭窄,搬运困难,并有岩石、煤块冒落、撞击的危险,其外壳不仅要具有耐爆性,还应具有足够机械强度,才能保证设备外壳在发生内部爆炸或受到外物撞击时,外壳不发生严重变形或损坏。为此,常在煤矿井下采掘工作面工作的隔爆型电气设备的隔爆外壳必须采用钢板或铸铁构成,但其他零部件或装配后冲击不到的或容积不超过2l的电气设备,可用ht25-47灰铸铁制成。对于i类非采掘工作面用隔爆外壳也可以用ht25-47灰铸铁制成。对于容积不大于2l的外壳,也可以采用工程塑料制成,这种材料具有易成型、易切削加工,比重轻、易于制造等优点,但使用这种材料作隔爆外壳时必须注意到塑料在高温下易发生分解和变形的性质。因此,在具有大量热源和能发生大电弧的电气设备上不宜使用塑料外壳。
隔爆外壳的几何形状是多样的,大量的理论研究和实践证明:在相同容积、不同形状的隔爆外壳中,非球形外壳中的爆炸压力比球形外壳中压力低,即球形外壳的爆炸压力最大,而长方体外壳爆炸压力最小,外壳内的爆炸压力是随着容器形状的不同而改变。这是因为随着外形散热表面积的增大而降低了爆炸压力。因此,隔爆外壳以采用长方形外形为宜,这样可以提高外壳的耐爆能力。
隔爆外壳的容积也是设计隔爆外壳的关键。理论和实践都证明:在其他条件都一定的情况下,隔爆外壳的容积与外壳内的爆炸压力无关,容积对压力的影响不大。因此在设计制造隔爆外壳时就可以在满足设备技术要求的前提下,尽量减小隔爆外壳的体积,既保证了外壳的耐爆性又减小了
体积、减轻了重量,更便于在煤矿井下特殊环境中使用。
一般隔爆外壳大都是由两个或两个以上的空腔组成,且空腔间是连通的,因此在外壳内爆炸性混合物发生爆炸时将会产生压力重叠现象,也就是当一个空腔里的爆炸性混合物爆炸时,会使另一个空腔里的爆炸性混合物受到压缩,而使压力增高。如果这个空腔再爆,将会出现过压现象,形成多空腔压力重叠,隔爆外壳的耐爆性将受到威胁。因此,在设计制造隔爆外壳时应尽量避免采用多空腔结构,如果无法避免这种结构则应尽量增大各空腔间联通孔的面积。因为多空腔压力重叠的过压大小与两空腔容积比以及连通孔断面积有关。当两空腔容积比一定时,连通孔断面积越大,过压就愈小,从而增加外壳的耐爆性能。另外,外壳的长、宽、高尺寸之比也不要过大,以免造成外壳内的压力重叠现象。
隔爆型电气设备的隔爆外壳不但具有耐爆性还应具有隔爆性。隔爆外壳如何实现隔爆作用,这是研究隔爆型电气设备的关键。我们知道,由于加工、制造、使用、维修等方面的需要,无论何种形状的隔爆外壳,都不可能是一个“天衣无缝”的整体,而是由几部分和各种零件构成的。各部分以及零件之间都需要联接,而联接的缝隙势必会成为外壳内的爆炸性产物穿过的途径。如果对这些联接的间隙不作特殊规定和技术要求,那么穿过间隙的壳内爆炸产物就要引燃壳外周围爆炸性混合物,其后果不堪设想。为了阻止壳内爆炸性混合物爆炸生成物引燃壳外周围的爆炸性混合物,就必须在外壳的各接合处,也就是联接间隙采取一些特殊有效的措施,实现外壳隔爆性能。通常把互相联接的接合面称为“隔爆接合面”,简称“隔爆面”。而隔爆面之间的间隙称为“隔爆接合面间隙”,简称“隔爆间隙”。隔爆间隙的大小是隔爆外壳能否隔爆的关键。通常隔爆面是采用法兰连接的隔爆保护方式。隔爆结合面间隙有多种结构:平面形结构(开关大盖与壳体、接线盒与壳体),圆筒形结构(电动机端盖与机座、转轴与转孔),平面加圆筒形结构(煤电钻接线盒盖与接线盒),曲路(迷宫)结构(原苏联进口的开关大盖与壳体),螺纹结构,衬垫结构(照明灯罩与金属外壳),叠片结构(老式蓄电池箱上防爆结构),微孔结构(分析仪器传感器用铜基、不锈钢基粉末冶金片,不锈钢球隔爆结构、发泡不锈钢板),金属网隔爆结构(多层铜网、不锈钢网)等,如图1所示。
利用外壳的间隙进行隔爆的理论与金属网对火焰熄灭作用原理相仿。隔爆外壳的隔爆作用是利用外壳的法兰间隙来实现隔爆的。为什么法兰间隙能实现隔爆,现在理论研究上仍有两种观点:一种观点认为,法兰间隙对壳内爆炸生成物(火焰)有熄火作用,火焰在狭窄的法兰间隙中自动熄灭,因此法兰间隙有隔爆作用,另一种观点则认为,法兰间隙不仅能熄灭壳内火焰而且还能降低壳内爆炸生成物的温度,而这些生成物是有传爆危险的,所以法兰间隙能起到隔爆作用。总之,理论的研究和实践都证明了利用隔爆外壳的法兰间隙能起到隔爆作用。既然法兰间隙能起隔爆作用,那么间隙的大小与隔爆作用的大小又存在什么关系呢?研究证明:法兰间隙越大,穿过间隙的爆炸产生物能量就越多,传爆性就越强,隔爆性能就越差。相反,法兰间隙越小,传爆性就越弱,隔爆性能就越好。
法兰隔爆面的长度也和法兰间隙的隔爆性紧密相关。隔爆面越长,传爆的可能性就愈小,隔爆面越短,传爆的可能性就越大。为了能使隔爆外壳具有最佳隔爆性,人们对外壳法兰间隙的大小与隔爆性能进行了试验研究,试验得出:最大不传爆间隙就是最大试验安全间隙,不同的爆炸性混
合物的最大试验安全间隙不同(当法兰间隙的长度为25mm)。既然法兰最大安全间隙对隔爆有如此重要的作用,那么影响最大安全间隙又有哪些因素呢?研究证明,影响最大试验安全间隙的因素有:1爆炸性混合物的浓度,2隔爆法兰的长度及其表面加工粗糙度;3隔爆外壳的容积;4爆炸混合物的初始压力、温度和湿度;5点火源到隔爆间隙内缘的距离;6爆炸性混合物的流动状态等诸多因素。下面逐一研究这些因素对最大安全间隙影响的程度。

图1隔爆结合面间隙结构
a.爆炸性混合物浓度的影响。最大安全间隙试验时使用的爆炸性混合物的浓度是最危险的浓度,当这种爆炸性混合物浓度高于或低于最危险浓度时(最大安全间隙试验中所采用的浓度),都会使试验安全间隙增大。爆炸性混合物浓度对最大试验安全间隙的影响是非线性关系变化的。
b.隔爆法兰长度的影响。法兰长度下降;安全间隙下降,法兰长度上升,试验安全间隙增大。当法兰长度从零增加到15mm时,试验安全间隙增长很快。但当法兰长度再度增大时,试验安全间隙只能增大到这种爆炸性混合物的熄火距离。如果再增大法兰面的间隙,爆炸性混合物的爆炸生成物将穿过间隙向壳外周围传播,那么外壳也就失去了隔爆作用。
c.隔爆外壳法兰表面加工粗糙度的影响。法兰表面加工粗糙度只要不影响间隙的宽度,即只要保持法兰表面平整,不会造成间隙宽度畸形,法兰表面略粗糙一些,对隔爆性能没有大的影响。一般认为,隔爆面加工粗糙度达到△3.2就能满足要求,但不能低于△3.2。在保证隔爆面平整的前提下,加工表面略粗糙些,将会降低隔爆壳内爆炸性产物在穿过隔爆间隙时的速度,这对法兰间隙的隔爆作用是有利的,但不能过分粗糙,否则将引起安全间隙下降。
d.隔爆外壳的容积对最大试验安全间隙的影响。在壳内点火源位置一定的前提下,隔爆外壳容积的改变对最大试验安全间隙影响是不大的。
e.爆炸性混合物的压力和温度对最大安全间隙的影响。爆炸性混合物压力提高,最大试验安全间隙将下降;爆炸性混合物温度的提高更易爆炸,将会使试验安全间隙下降。
f.爆炸性混合物湿度的影响。随着爆炸性混合物湿度的提高,间隙的传爆的可能性减小,最大试验安全间隙将随之增大。
g.隔爆外壳内点火源位置对试验安全间隙的影响。对于快速反应的爆炸性混合物,壳内点火源位置对试验安全间隙的影响不大。但对于反应缓慢的爆炸混合物,点火源对最大试验安全间隙有较大影响。点火源位置偏离中心,最大试验安全间隙将随之增大。
(三)技术要求
隔爆型电气设备的技术要求如下:
①.隔爆接合面结构参数应符合表1、表2、表3和表4的要求。
表1i类隔爆结合面结构参数

表2ⅱa隔爆结合面结构参数

表3ⅱb隔爆结合面结构参数

②.在平面对平面的隔爆结构中,当法兰长度确定后,法兰厚度的设计选择要保证在爆炸压力的作用下,法兰的变形程度不能影响隔爆间隙的大小。
③.在加工法兰时,对法兰的隔爆面有严格的技术要求。对于圆筒面对圆筒面的隔爆结构,在设计和制造时,要保证其同心度,避免发生单边间隙过大或过小的现象。对于圆筒形活动隔爆结构要避免发生摩擦现象。
④.为了确保隔爆面间隙宽度,隔爆面的防腐蚀措施也是十分重要的。一般采用磷化、电镀、涂防锈油等方法,但绝对不能涂油漆,因为油漆的漆膜在高温作用下分解,将会使隔爆间隙宽度变大,影响隔爆性能。
表4ⅱc(不包括乙炔)隔爆结合面结构参数

⑤.对于隔爆接合面所用的紧固件也必须有防锈和防松的措施。只有外壳零件紧固后,才能构成一个完整的隔爆外壳,起到隔爆作用。采用螺纹隔爆结构要符合表5规定。
表5螺纹隔爆结构螺纹的最少啮合扣数、深度

隔爆型电气设备主要包括壳体与盖,但还有一些附属其壳上的部件,主要有电缆及导线的引入装置、接线盒、透明件、衬垫等。
1.接线盒
隔爆型电气设备的电缆和导线的引入装置包括直接引入和间接引入两种。对于符合下述条件的电气设备可采用直接引入装置;①正常运行时设备不产生火花、电弧和危险温度;②ⅰ类电气设备,功率不大于250w,电流不大于5a;ⅱ类电气设备功率不大于1kw。间接引入装置是指电缆或导线通过接线盒或插销与电气设备进行连接。对于不能使用直接引入装置的电气设备必须采用间接引入装置,这样才能保证在隔爆外壳内部发生爆炸时,不会发生由于引入装置的不可靠而造成传爆事故。无论采用何种方式的引入装置,都必须符合有关的规定,确保隔爆型电气设备的防爆性能。
接线盒是电气设备间接引入的中间环节。隔爆型电气设备的接线盒可采用隔爆型、增安型或其他防爆型式。无论何种型式的接线盒,都应符合通用要求中对接线盒的有关要求。接线盒的空腔与主腔之间要采用隔爆或胶封结构,对于ⅱ类电气设备可采用密封结构。接线盒内的电气间隙和爬电距离应符合规定的数值。
2.透明件
透明件主要是指照明灯具的透明罩、仪器窗口和指示灯罩,它们是隔爆外壳的一部分。因此这些透明件必须能承受隔爆型电气设备使用环境的爆炸性混合物爆炸时产生的爆炸压力和温度的作用和使用环境中外界因素的影响,包括机械、化学、热能的作用。因此透明件一般采用玻璃和钢化玻璃制成。透明件必须能承受国家规定的机械冲击和热冲击试验。灯具透明件与外壳之间可以直接胶封。观察窗透明件可采用密封结构,此时密封垫既有密封作用又有隔爆作用,密封垫厚度不小于2mm。为保证密封的可靠性,密封垫一般采用硅橡胶或氟橡胶等离火能自动熄灭的材料制成。
3.衬垫
隔爆外壳上有些零件是用塑料玻璃等脆性材料制成的。为了使这些零件与金属零件能够安全接合,实现防潮和防尘的要零,常常需要使用衬垫。衬垫的使用有两种情况:一种是用在设备维修中需要打开的外壳部件上,此时衬垫仅起密封作用,而不能作隔爆措施。因为维修需要打开的部件其衬垫容易丢失。一旦丢失,整个隔爆结构就被破坏了。但观察窗内密封衬垫则例外,它既有密封作用,又有隔爆作用。第二种是衬垫用在设备维修中不经常打开的部件上,此时衬垫可作隔爆措施,但衬垫必须符合以下4点要求:①衬垫必须采用具有一定强度的金属或金属包覆的不燃性材料制成;②衬垫的厚度不能小于2mm;③当外壳净容积不大于0.1l时,衬垫宽度不得小于6mm,当外壳容积大于0.1l时,衬垫宽度不得小于8mm;④衬垫安装后要保证不脱落,并在外壳产生爆炸压力时也不会被挤出外壳。
4.通气与排液装置
通气与排液装置也是隔爆外壳的一部分。通气排液装置是隔爆外壳内的电气设备或元件在正常运行或停机泄压时向壳外环境通气或排液的重要装置。通气、排液装置要与外壳可靠连接,并要保证良好的隔爆和耐爆性能。由于煤矿井下空气中粉尘多,湿度大、含有腐蚀性气体,因此通气、排液装置要用防腐蚀金属材料制成,并要有防尘措施,以防止通气孔或排液孔被堵塞,失去通气和排液功能。

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