防爆廠房電氣設(shè)計探討

防爆廠房電氣設(shè)計探討摘 要 針對防爆廠房的危險環(huán)境，介紹了爆炸危險環(huán)境危險區(qū)域的劃分，重點闡述了從變配電室位置的選擇、設(shè)備正確選型、電纜敷設(shè)以及防雷接地設(shè)計時，電氣設(shè)計時應(yīng)注意的事項。在滿足安全要求、經(jīng)濟(jì)實用的前提下，各專業(yè)應(yīng)合理確定設(shè)計方案。關(guān)鍵詞 醫(yī)藥化工企業(yè)；爆炸危險環(huán)境；電氣安全；防爆措施引言當(dāng)前在醫(yī)藥化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，許多物料介質(zhì)是具有爆炸、火災(zāi)性危險的，另外在加工、處理以及儲運過程中，也會存在爆炸危險性環(huán)境，因此，嚴(yán)格、細(xì)致地劃分爆炸危險場所區(qū)域，明確爆炸危險場所的等級和危險介質(zhì)的級別，采取正確的防爆措施，防止爆炸條件的形成和減輕爆炸危險的嚴(yán)重程度是電氣設(shè)計的重點，也是事關(guān)企業(yè)安全生產(chǎn)和工程建設(shè)的重要問題。1 爆炸危險環(huán)境中產(chǎn)生爆炸的基本條件首先了解燃燒和爆炸是怎樣產(chǎn)生的？當(dāng)易燃物質(zhì)（例如甲烷、氫氣、玉米粉塵等）和氧化劑（例如氧氣，空氣等）混合在一起，達(dá)到一定濃度，遇到點燃源（例如明火，火花，電弧，高溫表面等），以致達(dá)到可燃性混合物引燃溫度，從而產(chǎn)生燃燒和爆炸。通過對以上基礎(chǔ)知識的了解，可以得出易燃物質(zhì)、氧化劑及點燃源形成了燃燒和爆炸的三個基本條件，為了防止出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸危險的產(chǎn)生，在工程設(shè)計時，設(shè)計人員就可以有針對性地采取相應(yīng)措施，防止以上三個基本條件同時存在，包括如何確定釋放源位置、如何根據(jù)混合氣體濃度確定和劃分不同爆炸危險區(qū)域、如何限制及消除點燃源、如何控制易燃物質(zhì)和氧化劑的混合濃度等等一系列措施。2 爆炸危險環(huán)境危險區(qū)域的劃分根據(jù)爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，按照易燃物質(zhì)種類的不同，將爆炸危險環(huán)境分為爆炸性氣體環(huán)境和爆炸性粉塵環(huán)境。根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，將爆炸性氣體環(huán)境分為：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。0區(qū)連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。根據(jù)爆炸性粉塵混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，將爆炸性粉塵環(huán)境分為：10區(qū)、11區(qū)。10區(qū)連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境；11區(qū)有時會將積留下的粉塵揚起而偶然出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境。在我院設(shè)計的醫(yī)藥化工廠房中，多數(shù)為2區(qū)爆炸性氣體環(huán)境，因此，下文筆者將重點介紹在2區(qū)爆炸性氣體環(huán)境中電氣設(shè)計時應(yīng)注意的幾個要點。3 防爆電氣設(shè)計需考慮的幾個要點3.1 變配電所的布置防爆設(shè)計是一個集工藝、電氣、自控、建筑結(jié)構(gòu)、暖通等專業(yè)協(xié)作進(jìn)行的綜合性設(shè)計，電氣防爆設(shè)計是其中一個非常重要的組成部分，因此在設(shè)計初始，電氣設(shè)計人員就應(yīng)參與到方案設(shè)計中，協(xié)助工藝人員，確保變配電室既能接近負(fù)荷中心又能遠(yuǎn)離爆炸危險環(huán)境，建筑設(shè)計防火規(guī)范（GB50016 2006）第3.3.14規(guī)定“變、配電所不應(yīng)設(shè)置在甲、乙類廠房內(nèi)或貼鄰建造，且不應(yīng)設(shè)置在爆炸性氣體、粉塵環(huán)境的危險區(qū)域內(nèi)。供甲、乙類廠房專用的10kV及以下的變、配電所，當(dāng)采用無門窗洞口的防火墻隔開時，可一面貼鄰建造，并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB50058-92等規(guī)范的有關(guān)規(guī)定”，由此可見，防爆廠房變、配電所的布置受到很多條件的約束和限制。如何既能保證符合規(guī)范要求，減少因電氣原因發(fā)生爆炸危險的概率，又能不破壞整體建筑的美觀呢？由于有“一面貼鄰建造”的要求，筆者根據(jù)平時工作中遇到幾種情況，將不同建筑類型防爆廠房的布置方案，總結(jié)如下：一、對于面積較小的防爆廠房，根據(jù)防爆廠房的特點，將配電裝置集中設(shè)置在低壓配電室內(nèi)，可以把變、配電室布置在廠房的端頭，變、配電室與防爆廠房之間用非燃燒體的防爆墻隔開，配電方式采用放射式配電（如下圖1）。變配電室防 爆 廠 房圖1 防爆廠房變配電室布置示意圖一筆者設(shè)計的某甲類廠房，廠房長約85米，寬約24米，高約19米，共三層，為2區(qū)爆炸危險環(huán)境，爆炸性介質(zhì)比重大于空氣。經(jīng)過負(fù)荷計算，本廠房需設(shè)一車間變電所，內(nèi)設(shè)2臺1000kVA干式變壓器。通過比較，最終決定將車間變電所設(shè)置在廠房一層端頭。另外，根據(jù)10kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范GB50053-94規(guī)定，變電所上方須為正常環(huán)境，因此可以將變電所上方二、三層設(shè)置為低壓配電室，為二、三層防爆用電設(shè)備配電。在滿足規(guī)范要求的同時，達(dá)到管理方便，運行安全的目的。二、對于面積較大的防爆廠房，考慮到遠(yuǎn)端用電設(shè)備在輸電線路上的電壓降和損耗，如果依然把變、配電室設(shè)置在廠房端頭，既不經(jīng)濟(jì)的，也不合理的，并且對設(shè)備的啟動運行不利。針對此種情況,根據(jù)建設(shè)單位工程的要求以及工藝專業(yè)設(shè)備的布局，通常采用以下兩種方案：方案一，變配電所布置在廠房端頭，另外，在廠房內(nèi)正常環(huán)境處設(shè)一分配電室（如下圖2），由此分配電室繼續(xù)向遠(yuǎn)端用電設(shè)備供電，采用配電干線樹干式配電和由分配電室放射式配電至用電設(shè)備相結(jié)合的配電方式；變配電室低壓配電室防 爆 廠 房圖2 防爆廠房變配電室布置示意圖二方案二，在廠房外靠近負(fù)荷中心的正常環(huán)境設(shè)置一變配電所，與廠房毗鄰，并用非燃燒體的防爆墻隔開，配電方式采用放射式配電（如下圖3）。為了不破壞廠房的整體造型，變配電所可以與廠房同高，每層作為分配電室，并單獨設(shè)置疏散樓梯。防 爆 廠 房變配電室圖3 防爆廠房變配電室布置示意圖三另外，規(guī)范中有“采用無門窗洞口的防火墻隔開”的要求，因此如果防爆廠房變配電室與防爆區(qū)僅有一墻之隔，那么，按照規(guī)范規(guī)定這堵墻上不允許有任何洞口。筆者遇到這種情況，解決的方法是將由變配電室配出的電纜，采用沿電纜橋架先經(jīng)過一段正常環(huán)境區(qū)域或一間正常環(huán)境的房間，然后再由此配出至防爆區(qū)，利用這個區(qū)域作為緩沖區(qū)域，保護(hù)變配電室的安全。另外在布置變配電室時還需要注意的是，對于易燃物質(zhì)比空氣重的爆炸性氣體環(huán)境中的變、配電所和控制室，其室內(nèi)地面應(yīng)高出室外地面0.6米，避免爆炸性混合氣體侵入。3.2 防爆廠房電氣設(shè)備的選型如何正確選用防爆電氣設(shè)備對防爆廠房的安全是至關(guān)重要的。首先，根據(jù)危險場所劃分的危險區(qū)域來選用相應(yīng)的電氣設(shè)備；其次，選用的防爆電氣設(shè)備的級別和組別不應(yīng)低于該爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)爆炸性氣體混合物的級別和組別；再次，爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備應(yīng)符合周圍環(huán)境內(nèi)化學(xué)的、機(jī)械的、熱的、霉菌以及風(fēng)沙等不同環(huán)境條件對電氣設(shè)備的要求。3.2.1防爆電氣設(shè)備型式根據(jù)爆炸性危險環(huán)境區(qū)域的不同，設(shè)備制造工藝結(jié)構(gòu)以及安裝維護(hù)的要求， 將目前主要應(yīng)用的電氣防爆型式以及各種防爆型式的應(yīng)用范圍和允許使用區(qū)域歸納總結(jié)，詳見表1。表1 電氣防爆型式以及各種防爆型式的應(yīng)用范圍防爆型式符號原理應(yīng)用范圍允許使用區(qū)域隔爆型（具有隔爆外殼的電氣設(shè)備）Exd動力操作裝置開關(guān)裝置電動機(jī)（在正常運行條件下產(chǎn)生可燃電弧的各種裝置）2區(qū)本安型（設(shè)備的電路正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物）ExiaExib測量和控制設(shè)備數(shù)據(jù)處理（低電值）Exia：0區(qū)Exia：1區(qū)增安型（正常運行不會產(chǎn)生火花或電弧，并采取措施提高安全程度，以避免在正常和認(rèn)可的過載條件下出現(xiàn)這些現(xiàn)象的電氣設(shè)備）Exe接線盒和配電盒照明配件測量儀器鼠籠式電動機(jī)（在正常運行條件下不產(chǎn)生可燃火花）1區(qū)正壓型（設(shè)備的外殼內(nèi)通入一定壓力的新鮮空氣或惰性氣體）ExpxExpyExpz動力操作裝置（需要有效的安全措施）Expx：1區(qū)Expy：1區(qū)Expz：2區(qū)油浸型（將設(shè)備全部或部分浸在外殼中的油內(nèi)）Exo變壓器1區(qū)充砂型（外殼內(nèi)填充砂粒材料）Exq電容器電氣組件保險絲1區(qū)澆封型（將設(shè)備可能產(chǎn)生火花或高溫的部分澆封在澆封劑中）ExmaExmb測量和控制儀器繼電器電子電路Exma：0區(qū)Exmb：1區(qū)新型技術(shù)n型ExnA-無火花型設(shè)備ExnC-封閉式結(jié)構(gòu)ExnL-限制能量外殼ExnR-限制呼吸外殼ExnZ-具有簡單正壓照明燈電動機(jī)插頭和插座測量和控制設(shè)備2區(qū)3.2.2 依據(jù)存在危險環(huán)境氣體所屬的級別和組別選擇設(shè)備的級別和組別爆炸性氣體混合物的級別按照最大試驗安全間隙或最小點燃電流依次分為A、B、C，爆炸性氣體混合物按引燃溫度由高到低分組分為：T1，T2，T3，T4，T5，T6。根據(jù)工藝專業(yè)條件，查找爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB50058-92 附錄三，查出相應(yīng)介質(zhì)的級別和組別。根據(jù)介質(zhì)的級別和組別，選用相應(yīng)級別和組別的電氣防爆設(shè)備。當(dāng)多種爆炸性氣體同時存在時，電氣防爆設(shè)備的級別和組別不應(yīng)低于最高危險程度爆炸性氣體的級別和組別。例如：甲烷的級別和組別為IIAT1，乙炔的級別和組別為IICT2，當(dāng)這兩種爆炸性氣體同時存在時，電氣防爆設(shè)備的級別和組別應(yīng)選IICT2。不少人認(rèn)為，防爆電氣設(shè)備之所以能防爆，是因為其外殼能阻止有爆炸危險的氣體進(jìn)入其內(nèi)部，其密封性能一定很好，能阻止雨水進(jìn)入，安裝在戶外露天使用應(yīng)該沒有問題。其實這是許多人的一個誤區(qū)，混淆了防爆電氣設(shè)備的防爆形式和外殼防護(hù)等級兩個概念。絕大多數(shù)防爆電氣設(shè)備均不能阻止氣體或水進(jìn)入其內(nèi)部，因此不能將這些防爆電氣設(shè)備直接安裝在戶外露天場所，也不能用水沖洗其外殼。其實設(shè)備的防水性能完全由其外殼防護(hù)等級決定，通常用于戶外能防雨水的電氣設(shè)備外殼的防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IPX5（即能經(jīng)受來自各個方向的噴水而不進(jìn)水），因此在選用防爆電氣設(shè)備時必須同時提出外殼防護(hù)等級要求，另外要注意的一點是用于戶外的防爆電氣設(shè)備應(yīng)耐腐蝕。3.3 防爆廠房配電線路設(shè)計防爆廠房內(nèi)電氣配線是很重要的一環(huán)，由于不容易檢查，往往又成為最薄弱的環(huán)節(jié)，因此電氣線路應(yīng)在爆炸危險性較小的環(huán)境敷設(shè)。根據(jù)爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，爆炸性氣體環(huán)境中，在滿足工藝生產(chǎn)及安全的前提下，應(yīng)減少防爆電氣設(shè)備的數(shù)量，減少危險源，因此，放射式成為防爆廠房首選的配電方式。醫(yī)藥化工防爆廠房內(nèi)線路敷設(shè)方式根據(jù)易燃物質(zhì)的不同而不同，多數(shù)情況下易燃物質(zhì)的比重比空氣重，因此電氣線路應(yīng)在較高處敷設(shè)、直接埋地或采用電纜橋架架空敷設(shè)；少數(shù)情況易燃物質(zhì)比空氣輕時，電氣線路在較低處敷設(shè)或電纜溝內(nèi)敷設(shè)。敷設(shè)電纜線路的溝道、電纜或鋼管所穿過的不同區(qū)域之間墻或樓板處的孔洞，應(yīng)采用非燃性材料嚴(yán)密堵塞。另外，防爆廠房內(nèi)，工藝管道錯綜復(fù)雜，當(dāng)電纜線路沿易燃?xì)怏w或液體管道敷設(shè)時，應(yīng)沿危險程度較低的管道一側(cè)，當(dāng)易燃物質(zhì)比空氣重時，電氣線路應(yīng)敷設(shè)在工藝管道上方，反之，當(dāng)易燃物質(zhì)比空氣輕時，電氣線路應(yīng)敷設(shè)在工藝管道下方。電纜橋架與一般工藝管道平行架設(shè)時，間距不小于400mm；與具有腐蝕性液體管道平行架設(shè)時不小于500mm，且應(yīng)采取防腐措施；與蒸汽管道平行架設(shè)時不小于1000mm。在0區(qū)內(nèi)，只允許敷設(shè)本安型電纜系統(tǒng)。在1區(qū)、2區(qū)內(nèi)可采用阻燃電纜配線，也可采用阻燃銅芯導(dǎo)線穿低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管敷設(shè)，并且其導(dǎo)體允許載流量，不應(yīng)小于熔斷器熔體電流的1.25倍和自動開關(guān)延時過電流脫扣器整定電流的1.25倍，引向電壓為1000V以下鼠籠型感應(yīng)電動機(jī)支線的長期允許載流量，不應(yīng)小于電動機(jī)額定電流的1.25倍，即選擇電纜時，應(yīng)將電纜額定載流量乘以校正系數(shù)0.55。（2）電纜橋架與一般工藝管道平行架設(shè)時間距不小于400mm；與具有腐蝕性液體管道平行架設(shè)時不小于500mm，且應(yīng)采取防腐措施。3.4 防爆廠房的防雷接地設(shè)計3.4.1 防雷設(shè)計 與一般的建筑物相比，爆炸危險環(huán)境的建筑物遭受雷擊時，將造成巨大的破壞和人身傷亡，故其防雷措施比一般環(huán)境工業(yè)建筑物更為嚴(yán)格和復(fù)雜。根據(jù)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-94（2000年版）規(guī)定，防爆廠房防雷要求應(yīng)劃分為第一或第二類防雷建筑物。第一類防雷建筑物防雷措施應(yīng)裝設(shè)獨立避雷針或不大于5 m 5 m或6 m 4 m的架空避雷網(wǎng)格；醫(yī)藥化工防爆廠房多數(shù)情況下屬于第二類防雷建筑物，其防雷措施一般是在建筑物屋面上裝設(shè)不大于10 m 10 m或12 m 8 m的避雷網(wǎng)格或避雷針或由其混合組成的接閃器，所有避雷針應(yīng)采用避雷帶相互連接。需要特別注意的是，對于突出屋面的排放爆炸性氣體的放散管、排風(fēng)管、煙囪、呼吸閥等設(shè)施的防雷措施，設(shè)計人員應(yīng)該認(rèn)真考慮，首先確定為幾類防雷建筑物、排放物是否達(dá)到爆炸濃度、排放是否點火燃燒、是否裝設(shè)阻火器等等，從而確定是否可以利用其金屬管壁（帽）作為接閃器，如果需要裝設(shè)接閃器，接閃器是否必須保護(hù)到上述空間，還是可以縮小防雷區(qū)域僅保護(hù)到管口。對于排放無爆炸性氣體的放散管、煙囪，1區(qū)、11區(qū)和2區(qū)爆炸危險環(huán)境的自然通風(fēng)管，可利用其金屬管壁（帽）作為接閃器，但應(yīng)與屋面防雷裝置可靠連接，非金屬物體且在屋面接閃器保護(hù)范圍之外，應(yīng)裝設(shè)接閃器，并和屋面防雷裝置相連。另外，在醫(yī)藥化工企業(yè)中，經(jīng)常將裝有可燃?xì)怏w、甲B、乙類可燃液體的露天布置的塔、容器露天布置，當(dāng)其頂板及罐壁厚度大于或等于 4mm時，并且其放散管裝有阻火器時，可利用其罐頂、罐壁作為接閃器，不必另設(shè)接閃器，但應(yīng)設(shè)防雷接地，且接地點不應(yīng)少于兩處。3.4.2接地設(shè)計一般普通環(huán)境的接地設(shè)計主要考慮的因素是保護(hù)人身安全，但是在爆炸危險環(huán)境接地設(shè)計中，還需要考慮抑制危險電壓及過電流形成引燃源，是防爆設(shè)計的非常重要的一環(huán)。在爆炸性氣體環(huán)境中，當(dāng)發(fā)生短路、泄漏電流增大、雷電感應(yīng)過電壓或產(chǎn)生靜電時，抑制危險電壓及過電流，極為有效的措施就是接地。根據(jù)爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)內(nèi)的所有電氣設(shè)備以及爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)內(nèi)處照明燈具以外的其它電氣設(shè)備，應(yīng)采用專門的接地線，但不得利用輸送易燃物質(zhì)的管道。因此防爆廠房低壓配電系統(tǒng)的接地形式多數(shù)為TN-S系統(tǒng)，采用總等電位聯(lián)結(jié)，在廠房內(nèi)設(shè)接地干線，采用 254熱鍍鋅扁鋼距地或樓板0.3m處明設(shè)，并與廠房 MEB總等電位聯(lián)結(jié)端子板相連，同時接地干線應(yīng)與混凝土柱內(nèi)鋼筋按規(guī)范要求聯(lián)結(jié)成電氣通路，所有正常不帶電的設(shè)備金屬外殼，暖通專業(yè)的風(fēng)管，自動化專業(yè)的安全柵，電動葫蘆軌道，工藝金屬構(gòu)架，鋼平臺和電纜橋架等均應(yīng)接地，連接點不少于2點。4 其它措施在防爆廠房內(nèi)可采用通風(fēng)換氣且通風(fēng)良好的方式，達(dá)到降低爆炸危險區(qū)域等級的目的。另外，通過設(shè)置可燃?xì)怏w濃度報警器，并使指之與防爆排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖啟停的方式，控制廠房內(nèi)爆炸性混合氣體的濃度。當(dāng)爆炸性混合氣體濃度超標(biāo)時