摘要：文章闡述了可燃性粉塵的特點(diǎn)及可燃性粉塵環(huán)境粉塵爆炸的危害性，結(jié)合國家現(xiàn)行的電氣產(chǎn)品規(guī)范的要求，通過一個(gè)提取車間內(nèi)部粉塵爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的電氣設(shè)計(jì)實(shí)例，系統(tǒng)闡述了可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境的分區(qū)原則、電氣設(shè)備選型、線路短路滅弧保護(hù)設(shè)計(jì)、防雷防靜電設(shè)計(jì)等，結(jié)尾提出不斷利用新技術(shù)新產(chǎn)品提高可燃性粉塵危險(xiǎn)場所的設(shè)計(jì)水平的要求。
關(guān)鍵詞：可燃性粉塵；電氣設(shè)備；高表面溫度；防雷防靜電設(shè)計(jì)；電氣防火限流式保護(hù)器；安科瑞安躍強(qiáng)
1.概述
所謂的可燃性粉塵環(huán)境，是指在大氣環(huán)境的條件下，粉塵或纖維狀的可燃性物質(zhì)與空氣的混合物點(diǎn)燃后，燃燒將傳至全部未燃燒混合物的環(huán)境。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，可燃性粉塵的危險(xiǎn)場所在不斷增多，其危害變得不可避免，相應(yīng)的粉塵爆炸事故也時(shí)有發(fā)生。1987年3月15日我國哈爾濱亞麻紡織廠發(fā)生的特大型亞麻粉塵爆炸事故，造成了巨大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，在這可燃性粉塵環(huán)境下的電氣設(shè)計(jì)，不僅要嚴(yán)格按照國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，正確選用粉塵防爆電氣設(shè)備，還可以結(jié)合時(shí)下較新技術(shù)，采用針對線路電弧保護(hù)的新產(chǎn)品，其中電氣防火限流式保護(hù)器就是比較合理的線路短路滅弧產(chǎn)品。
2.相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
在可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境的電氣設(shè)計(jì)中，可以參考的國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范有：
(1)《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備(第①部分)：用外殼和限制表面溫度保護(hù)的電氣設(shè)備》(GB 12476.1-2000)第①節(jié)：電氣設(shè)備的技術(shù)要求。
(2)《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備(第2部分)：選型和安裝》(GB 12476.2-2010)。
(3)《粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 15577-2007)。
(4)安全生產(chǎn)行業(yè)規(guī)范《危險(xiǎn)場所電氣防爆安全規(guī)范》(AQ 3009-2007)。
(5)設(shè)計(jì)規(guī)范《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50058-92)。
經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)行規(guī)范GB 12476.1-2000與現(xiàn)行國家設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50058-92相比較起來，在電氣設(shè)備的型式、外殼的防護(hù)類型、粉塵危險(xiǎn)區(qū)域的劃分、可燃性粉塵引燃溫度分組等多方面有著很多不一致。鑒于目前市場上大部分防爆電氣廠家的產(chǎn)品均按新產(chǎn)品規(guī)范GB 12476.1-2000設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)，并且，在可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境用電氣設(shè)備選型及粉塵危險(xiǎn)區(qū)域劃分等方面上，GB 12476與國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61241、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 3009-2007是一致的，本次設(shè)計(jì)中電氣設(shè)備的選型將按照產(chǎn)品規(guī)范GB 12476.1-2000進(jìn)行。
3.電氣設(shè)備選型
根據(jù)國家規(guī)范GB 12476及行業(yè)規(guī)范AQ3009-2007第4.2.2.3條，按照可燃性粉塵/空氣混合物出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間及粉塵層的厚度，可將可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境分成20區(qū)、21區(qū)和22區(qū)三個(gè)區(qū)域等級。每個(gè)區(qū)的特性如下：20區(qū)在正常運(yùn)行過程中可燃性粉塵連續(xù)出現(xiàn)或經(jīng)常出現(xiàn)，其數(shù)量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物和/或可能形成無法控制和較厚的粉塵層的場所及容器內(nèi)部。21區(qū)為粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境分區(qū)，21區(qū)在正常運(yùn)行中，可能出現(xiàn)粉塵數(shù)量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物但未劃入20區(qū)的場所。該區(qū)域包括：與充入或排放粉塵點(diǎn)直接相鄰的場所、出現(xiàn)粉塵層和正常操作情況下可能產(chǎn)生可燃濃度的可燃性粉塵與空氣混合物的場所。22區(qū)在異常條件下，可燃性粉塵偶爾出現(xiàn)并且只是短時(shí)間存在或可燃性粉塵偶爾出現(xiàn)堆積或可能存在粉塵層并且產(chǎn)生可燃性粉塵空氣混合物的場所。如果不能保證排除可燃性粉塵堆積或粉塵層時(shí)，則應(yīng)劃分為21區(qū)。
可燃性粉塵環(huán)境的分區(qū)的程序及舉例可參考GB 12476.3-2007/IEC 61241-10：2004的附錄A或者AQ 3009-2007的附錄C。
對于電氣設(shè)計(jì)人員來說，選擇合理的粉塵防爆隔爆電器是消滅由電氣設(shè)備引起的電火花火源的可靠方法。
Ⅱ類電氣設(shè)備的表面溫度可分為T1-T6共6個(gè)組別：T1表面溫度450℃，T2表面溫度300℃，T3表面溫度200℃，T4表面溫度135℃，T5表面溫度100℃，T6表面溫度85℃。
目前IEC標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)粉塵外殼存在著A、B兩種設(shè)計(jì)型式，分別代表了歐洲和北美兩種標(biāo)準(zhǔn)體系。雖然這兩種設(shè)計(jì)型式對于設(shè)備的選型/安裝要求不同，但是具有相同的保護(hù)水平，是可以通用的。目前國內(nèi)市場上的防爆電氣廠商大多按照A型設(shè)計(jì)、制造。
對于A型電氣設(shè)備，其高表面溫度應(yīng)不超過相關(guān)粉塵云低點(diǎn)燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當(dāng)存在粉塵層厚度至5mm時(shí)，其表面溫度不應(yīng)超過相關(guān)粉塵層厚度為5mm的點(diǎn)燃溫度減去75K，即Tmax≤T5mm-75K，取兩者的小值。對于B型電氣設(shè)備，其表面溫度應(yīng)不超過相關(guān)粉塵云低點(diǎn)燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當(dāng)存在粉塵層厚度至12.5mm時(shí)，其高表面溫度不應(yīng)超過相關(guān)粉塵層厚度為12.5mm的低點(diǎn)燃溫度減去25K，即Tmax≤T12.5mm-25K，取兩者的較小值。
綜上所述，我們可以得出，A型電氣設(shè)備和B型電氣設(shè)備的選型要求在僅存在相關(guān)粉塵云的環(huán)境中是一致的，兩者只有在粉塵層厚度超過一定數(shù)量的時(shí)候，選型要求才會有所差別。
具體到設(shè)計(jì)工程中，本工程中建筑采用全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)類別為丙類，耐火等級為①級。建筑面積為10871m2，建筑主體為二層，建筑高度為19.3m。車間工藝主要通過微生物發(fā)酵液經(jīng)過離心噴霧干燥、混合包裝得到恩拉霉素成品。干菌絲氣力輸送設(shè)備分別占據(jù)了建筑物一、二層的一個(gè)房間。根據(jù)工藝條件，我們把這兩個(gè)房間劃分為可燃性粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。
依據(jù)以上原則，我們可以分析出本次提取車間內(nèi)部可燃性粉塵危險(xiǎn)區(qū)域所需要選用電氣設(shè)備的防爆等級。由于提取車間內(nèi)部干菌絲氣力輸送系統(tǒng)只有在異常的條件下，可燃性粉塵才會偶爾出現(xiàn)并且產(chǎn)生可燃性粉塵空氣混合物，因此可以將干菌絲氣力輸送系統(tǒng)所在的房間劃分為粉塵防爆22區(qū)。
而干菌絲作為化工飼料，其在高溫時(shí)，粉塵云低點(diǎn)燃溫度為130℃。由于電氣設(shè)備距離粉塵釋放源有一定的距離，現(xiàn)場又采取了除塵措施，從而可以排除粉塵層堆積厚度達(dá)到5mm或12.5mm的情況。
Tmax≤2/3Tcl=86.7℃
可知選擇的可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備(包括燈具、電機(jī)、現(xiàn)場操作柱等)只需要高于以下標(biāo)準(zhǔn)：DIP A22 TA 85℃(或TA，T6)IP6X，即可滿足提取車間可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境的電氣設(shè)計(jì)要求。
4.防雷設(shè)計(jì)
依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057-2010)第3.0.3條的第7點(diǎn)：具有2區(qū)或22區(qū)爆炸危險(xiǎn)場所的建筑物，應(yīng)劃為第②類防雷建筑物。本提取車間的干菌絲氣力輸送系統(tǒng)所占房間應(yīng)劃分為第②類防雷建筑物部分。
又根據(jù)本規(guī)范的第4.5.1條第3點(diǎn)，當(dāng)一、二類防雷建筑物部分的面積之和小于建筑物總面積的30%，且不可能遭直接雷擊時(shí)，該建筑物可確定為第三類防雷建筑物。由于可燃性粉塵危險(xiǎn)區(qū)域面積并未達(dá)到提取車間的30%，提取車間可劃分為第三類防雷建筑物，防直擊雷的措施按照第三類防雷建筑物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對可燃性粉塵危險(xiǎn)區(qū)域的第②類防雷建筑物部分，防閃電感應(yīng)和防閃電涌侵入措施，應(yīng)采取第②類防雷建筑物的保護(hù)措施進(jìn)行 設(shè)計(jì)。
5.防靜電接地設(shè)計(jì)
對可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)可能產(chǎn)生靜電危險(xiǎn)的設(shè)備和管道，均應(yīng)采取防靜電接地。所有的金屬設(shè)備、裝置外殼、金屬管道、支架、構(gòu)件、部件等，一般應(yīng)采用防靜電直接接地；不便或工藝不允許直接接地的，可通過導(dǎo)靜電材料或制品間接接地。
具體設(shè)計(jì)中，可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)環(huán)形接地干線采用25×4熱鍍鋅扁鋼距地0.3m沿墻或鋼平臺明裝，過門及過道處接地干線則埋地暗敷。連接設(shè)備的接地支線采用25×4鍍鋅扁鋼埋地暗敷至設(shè)備。
6.線路短路滅弧保護(hù)設(shè)計(jì)
電氣防火限流式保護(hù)器專門用于低壓配電線路中短路滅弧保護(hù)和過載保護(hù)，可以合理克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù)，可顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。
本工程設(shè)計(jì)選用了安科瑞ASCP系列的電氣防火限流式保護(hù)器，其產(chǎn)品具有功能豐富，型號多樣等特點(diǎn)，具體如下表所示：
本設(shè)計(jì)中根據(jù)不同末端回路的電流規(guī)格的不同，共選用了較大額定電流為20A的ASCP200-20D型產(chǎn)品67只，較大額定電流為40A的ASCP200-40D型產(chǎn)品46只，以及較大額定電流為63A的產(chǎn)品35只。
為提高監(jiān)控的智能化，本設(shè)計(jì)中將所有限流式保護(hù)器通過其自帶的RS485通訊組網(wǎng)后，連接到安科瑞的Acrel-6000/B電氣火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)上，并將主機(jī)設(shè)置在電工值班室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對所有限流式保護(hù)器監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
7.設(shè)計(jì)中注意點(diǎn)
(1)由于對可燃性粉塵防爆缺乏充分的認(rèn)識，某些電氣設(shè)計(jì)工程師不管是氣體爆炸危險(xiǎn)場所還是可燃性粉塵危險(xiǎn)場所，都選用氣體防爆電氣設(shè)備。這種做法是錯(cuò)誤的，可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境電氣設(shè)備與氣體防爆電氣設(shè)備的外殼防護(hù)要求不同，氣體防爆電氣設(shè)備在可燃性粉塵危險(xiǎn)場所是沒有作用的，反之亦然。因此，兩者不能互換使用。
(2)可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境電氣設(shè)備根據(jù)外殼等級可分為防塵型和塵密型，但并不意味著該電氣設(shè)備具備了防水的功能，絕大多數(shù)的可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境用電氣設(shè)備不能阻止水進(jìn)入其內(nèi)部，因此不能將這些設(shè)備直接安裝在戶外露天場所，也不能用水沖洗其外殼。如果想讓可燃性粉塵危險(xiǎn)場所用電氣設(shè)備具備以上功能，須在設(shè)計(jì)中指出設(shè)備須滿足IPX5以上的外殼防護(hù)等級要求。
(3)電氣防火限流式保護(hù)器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其額定電流應(yīng)與其前級的斷路器的額定電流保持一致。另外，由于其內(nèi)部采用了固態(tài)開關(guān)作為開關(guān)器件，使用過程中會產(chǎn)生熱量，因此在安裝時(shí)應(yīng)該注意保障其良好的通風(fēng)散熱條件，不建議安裝在密閉的配電箱內(nèi)。
8.結(jié)語
在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要全方面、完善地做好一個(gè)可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境工程的設(shè)計(jì)，需要工藝、通風(fēng)、建筑等多個(gè)協(xié)調(diào)和配合，每個(gè)專業(yè)在各自的設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，缺一不可。
同時(shí)也要求我們電氣設(shè)計(jì)人員不斷了解新技術(shù)和新產(chǎn)品，針對這種可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境工程的設(shè)計(jì)，可以嘗試采用短路滅弧產(chǎn)品來減少由于線路老化、絕緣損失等原因造成的線路短路而引起的電弧光，這對于減少現(xiàn)場電氣火災(zāi)事故具有較好的效果。希望通過設(shè)計(jì)人員的協(xié)同努力，并隨著國家新技術(shù)新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，可燃性粉塵危險(xiǎn)環(huán)境的設(shè)計(jì)水平一定能邁上一個(gè)新的臺階。
作者介紹：
安躍強(qiáng)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)闉橹悄茈娋W(wǎng)供配電。
