Пожарная безопасность электроустановок / Cherkasov - PB elektroustanovok 2002
.pdfрассчитаны на большую силу тока. Токовые катушки изготавливают из обмоточных проводов или голых проводов (шин) сравнительно большой площади сечения.
Катушки напряжения рассчитаны на работу при сравнительно высоком напряжении и небольшой силе тока. Их изготавливают, наматывая обмоточные провода на каркас (каркасные катушки) или на шаблон (бескаркасные катушки). Аналогичная технология изготовления у трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности, обмоток двигателя и т.д.
После сушки проверяют, нет ли обрыва в обмотке катушки и соответствует ли ее электрическое сопротивление заданным требованиям. Обмотки катушек проверяют также на отсутствие замыкания между витками. После этого катушки покрывают лаком и (или) эмалями и сушат на воздухе или в печах.
Пожарную опасность в моточных изделиях представляют горючие конструкционные материалы каркасов моточных изделий, пропиточные материалы, изоляционные материалы, применяемые для бандажа обмоток. Источником зажигания в моточных изделиях является обмоточный провод. При возникновении межвитковых замыканий температура обмоточного провода может достигать значений, достаточных для воспламенения горючих конструкционных материалов. Межвитковые замыкания возникают в результате имеющихся дефектов у обмоточного провода. Основными дефектами, при которых возникают межвитковые замыкания, являются: некалиброванное сечение обмоточного провода, некачественное покрытие обмоточного провода лаком, разрушение изоляционного покрытия обмоточного провода при механическом воздействии, перегрузка по току и (или) напряжению обмоточного провода при эксплуатации. В результате возникновения межвиткового замыкания ток в обмоточном проводе протекает, минуя короткозамкнутый виток. Из курса электротехники известно, что сопротивление проводника зависит от его длины, сечения и удельного сопротивления провода. При межвитковом замыкании длина проводника уменьшается, при этом уменьшается и сопротивление обмоточного провода. В результате уменьшения сопротивления обмоточного провода увеличивается ток, протекающий по нему. При увеличении тока происходит дополнительный разогрев обмоточного провода, особенно в месте замыкания витков, так как появляются переходные сопротивления в местах замыкания. Далее процесс развивается аналогично рассмотренному, при этом число короткозамкнутых витков увеличивается, а длина обмоточного провода уменьшается. В результате аварийного электрического режима нагрев обмоточного провода может достигать температуры воспламенения конструкционных материалов. При развивающемся тепловом режиме происходит деформация каркасов моточных изделий, в результате чего возникают
38
вторичные замыкания по цепи питания. Пожароопасный отказ моточных комплектующих элементов является событием случайным, так как при межвитковых замыканиях в обмоточном проводе могут развиваться электрические режимы, приводящие к обрыву электрической цепи.
Пожарную опасность моточных изделий определяют в соответствии с ГОСТ 20.57.406 (409-2). Уровень электрической перегрузки устанавливается исходя из условий работы конкретного моточного комплектующего элемента.
Если режим аварийной электрической перегрузки (уровень перегрузки и время ее приложения) заранее неизвестен, то для его установления электрическую перегрузку, прикладываемую к моточному комплектующему элементу, постепенно повышают от предельно допустимого значения, установленного в техническом задании на моточный комплектующий элемент, до значения, при котором выполняется одно из следующих условий:
реализуется наибольшая перегрузка моточного комплектующего элемента, задаваемая из условий возможного пожароопасного аварийного режима работы изделия в аппаратуре;
уровень перегрузки стабилизируется (например, дальнейшее увеличение мощности будет практически невозможно);
наступает отказ изделия, при котором устраняются условия перегрузки изделия (например, обрыв электрической цепи).
Пожароопасный отказ моточного комплектующего элемента – событие вероятное.
39
Глава 2
ВЫБОР И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНЫХ ЗОН И ПОМЕЩЕНИЙ
СНОРМАЛЬНОЙ СРЕДОЙ
2.1.НОРМАТИВНАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КЛАССОВ ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНЫХ ЗОН И ИХ РАЗМЕРОВ
Взрывоопасность горючих смесей
Многие предприятия химической, газовой, нефтяной и других отраслей промышленности связаны с использованием в технологических процессах различных горючих веществ: жидких (бензин, дизельное топливо, масло, спирт), газообразных (аммиак, водород, ацетилен, пропан, метан), твердых (уголь, сера, фосфор). Часто технологический процесс производства протекает при высоких температурах и давлении. Все это создает повышенную опасность возникновения пожаров и взрывов.
Горючие газы и пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, смешиваясь с воздухом, кислородом или другими окислителями, при определенной температуре и концентрации могут образовывать горючие смеси. Критериями сравнительной оценки степени их пожаро- и взрывоопасности являются температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения, концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) и др.
Горючий газ (ГГ) - газ, способный образовывать с воздухом воспламеняющиеся и взрывоопасные смеси.
Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) - горючая жидкость, спо-
собная воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.), имеющая температуру вспышки 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле.
Горючая жидкость (ГЖ) – жидкость, способная возгораться от источника зажигания, самостоятельно гореть после его удаления и имеющая температуру вспышки более 61 °С в закрытом или 66 °С в открытом тигле.
Температура вспышки - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для устойчивого горения.
Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.
41
Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещест-
ва, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.
Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пла-
мени (воспламенения) - минимальное и максимальное содержание горючего в смеси (пара, газа или тумана), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Как видно из табл. 2.1, многие ЛВЖ могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом уже при температуре в производственном помещении 10-35 °С, т.е. без дополнительного подогрева, так как эта температура превышает температуру вспышки. Некоторые ЛВЖ образуют взрывоопасные смеси при температуре ниже 0 оС, например сероуглерод, ацетон, бензин. Естественно, более опасными являются жидкости, образующие взрывоопасные смеси паров с воздухом при обычных условиях без дополнительного подогрева.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
|
|
Горючее |
Температура, °С |
Концентрационный предел |
|||
воспламенения, % (об.) |
|||||
вещество |
|
|
|||
вспышки |
самовоспламенения |
нижний |
верхний |
||
|
|||||
|
|
Горючие газы |
|
|
|
Аммиак |
- |
650 |
15,0 |
28 |
|
Метан |
- |
537 |
5,28 |
14,1 |
|
Водород |
- |
510 |
4,12 |
75 |
|
Пропан |
- |
500 |
2,31 |
9,5 |
|
Ацетилен |
- |
335 |
2,5 |
81 |
|
Сероводород |
- |
246 |
4,3 |
46 |
|
|
Легковоспламеняющиеся жидкости |
|
|||
Бензин А-76 |
- 35 |
375 |
0,79 |
5,16 |
|
Ацетон |
- 18 |
465 |
2,2 |
13,0 |
|
Спирт метиловый |
13 |
404 |
3,6 |
19 |
|
Сероуглерод |
- 43 |
95 |
1,0 |
50 |
|
Скипидар |
-34 |
300 |
0,8 |
- |
Горючие жидкости с температурой вспышки выше 61 °С относятся к пожароопасным. В обычных производственных условиях горючие жидкости не достигают этой температуры, и поэтому их пары не могут образовывать взрывоопасные смеси. Однако, если ГЖ в условиях производства будет нагрета до температуры вспышки и выше, пары могут образовывать взрывоопасные смеси.
Горючие газы относятся к взрывоопасным при любых температурах окружающей среды. Смесь горючих газов и паров ЛВЖ с воздухом становится опасной только при определенной концентрации, т.е. в диапазоне
42
нижнего и верхнего концентрационных пределов воспламенения. В этом случае при наличии источника зажигания может произойти взрыв.
Взрывоопасные смеси с воздухом могут образовывать пыль и волокна некоторых горючих веществ.
Горючая пыль - дисперсная система, состоящая из твердых частиц размером менее 850 мкм, находящихся во взвешенном или осевшем состоянии, которая в смеси с воздухом в определенной пропорции образует пылевоздушную взрывоопасную смесь при нормальных атмосферных условиях.
Характерным показателем пожароопасной характеристики пыли или волокон является также температура тления.
Температура тления - температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления.
В табл. 2.2 приводятся параметры, характеризующие пожаро- и взрывоопасность пыли некоторых горючих веществ.
|
|
|
|
|
Таблица 2.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Взвешенная пыль |
Осевшая пыль; температура, °С, |
||||
|
Нижний кон- |
Температура |
|
|
|
|
Горючее вещество |
центрацион- |
воспламене- |
тления |
воспламене- |
самовоспла- |
|
ный предел |
ния, °С |
|||||
|
ния |
менения |
||||
|
воспламене- |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
ния, г/м3 |
|
|
|
|
|
Мука пробковая |
15 |
460 |
325 |
- |
- |
|
Пыли мучные |
20-30 |
410 |
- |
- |
205 |
|
Крахмал картофельный |
40,3 |
430 |
Не тлеет, |
- |
- |
|
|
|
|
обуглива- |
|
|
|
|
|
|
ется |
|
|
|
Белок подсолнечный |
26,3 |
- |
193 |
212 |
458 |
|
пищевой |
|
|
|
|
|
|
Сахар свекловичный |
8,9 |
360 |
Не тлеет, |
- |
350 |
|
|
|
|
плавится |
|
|
|
Мука древесная |
11,2 |
430 |
- |
- |
255 |
Взрывоопасные смеси воспламеняются в случае, если в электроустановках находится источник зажигания в виде нагретого тела или пламени (электрическая дуга КЗ, искра, возникающая при замыкании или размыкании контактов, чрезмерно высокая температура на поверхности электрооборудования, превышающая температуру самовоспламенения взрывоопасных смесей, и т.п.).
Нормативная оценка классов взрыво- и пожароопасных зон и их размеров
Основополагающей задачей по обеспечению оптимальных вариантов
43
пожарной безопасности при применении электроустановок, молниезащиты зданий и сооружений, а также средств и мер защиты взрыво- и пожароопасных производств от разрядов статического электричества является объективная оценка взрывоопасной и пожароопасной зоны и ее размеров.
От класса взрывоопасной или пожароопасной зоны зависят требования к электроустановкам [1], необходимость выполнения молниезащиты и ее категория [2, 3], а также средства и меры защиты производств от искр статического электричества [4].
В настоящее время нормативная и аналитическая оценка класса взрывоопасной и пожароопасной зоны производится по гл. 7.3 и 7.4 ПУЭ-86 [1] с использованием указаний СН 463-74 (см. п. 7.3.39 [1]) по величине относительного объема взрывоопасной смеси (менее или равное 5%, более 5%), а также времени испарения ЛВЖ (менее или равное 1ч, более 1ч) в количестве, достаточном для образования взрывоопасной смеси в 5%-ном объеме помещения.
С принятием НПБ 105-95 [5] и отменой СН 463-74 для оценки класса взрыво- и пожароопасной зоны и ее размеров в соответствии с гл.7.3 и 7.4 ПУЭ принят исходный критерий - расчетное избыточное давление взрыва смеси Р, менее или равное 5 кПа или более 5 кПа.
Взрывоопасная зона – зона, в которой имеется или может образоваться взрывоопасная газовая смесь в объеме, требующем специальных мер защиты при конструировании, изготовлении и эксплуатации электроустановок [49].
Пожароопасная зона – зона внутри и вне помещений, в пределах которой постоянно или периодически имеются (обращаются) горючие материалы, вещества при нормальном технологическом процессе или при его нарушениях (гл. 7.4 [1]).
Определение границ класса взрывоопасной или пожароопасной зоны производится технологами совместно с электриками проектной или эксплуатирующей организации.
Классы взрывоопасных и пожароопасных зон характерных производств обычно содержатся в нормах технологического проектирования или
вотраслевых перечнях производств по взрывопожароопасности.
Впроекте редакции гл. 7.3 ПУЭ седьмого издания [3] парогазовые взрывоопасные смеси образуют взрывоопасные зоны классов 0, 1 и 2 (см. также [49]), пылевоздушные взрывоопасные смеси – взрывоопасные зоны классов 20, 21 и 22 (см. также прил. 4 п/п 22). Указанные классы взрывоопасных зон соответствуют (примерно) принятым в гл. 7.3 [1] клас-
сам: 0 – В – I; 1 – В – I; В – Iг; 2 – В – Iа; В – Iг и В – Iд (с учетом прил. Г [49]); 20 и 21 – В – II; 22 – В – IIа. Обозначения классов пожароопасных зон П-I, П-II, П-IIа и П-III не изменились (гл. 7.4 [1]).
44
Взрывоопасная зона класса 0 – зона, в которой газовая взрывоопасная среда присутствует постоянно или в течение длительного периода времени (она может быть только в пределах корпусов технологического оборудования).
Взрывоопасная зона класса 1 – зона, в которой газовая взрывоопасная среда может образоваться при нормальной работе (здесь и далее нормальная работа – это ситуация, когда установка работает согласно расчетным параметрам).
Взрывоопасная зона класса 2 – зона, в которой газовая взрывоопасная среда не может образоваться при нормальной работе (а если и образуется, то она присутствует лишь кратковременно в результате аварий и неисправностей, за исключением катастроф). По прил. Г [49], к зонам, характеризующимся как взрывоопасная зона класса 2, но отличающаяся одной из следующих особенностей:
1)горючие газы имеют высокий нижний концентрационный предел распространения пламени (15 % и более) и обладают резким запахом и предельно допустимыми концентрациями по ГОСТ 12.1.005-76 (например, производства с обращением аммиака, кроме установок с аммиаком при высоком давлении и без обслуживающего персонала);
2)горючие газы, ЛВЖ имеются в таких количествах, что их воспламенение в нормальном и аварийном режимах не может развить расчетное избыточное давление взрыва, превышающее 5 кПа.
Зоны не относятся к взрывоопасным в следующих случаях: работа с горючими газами и ЛВЖ производится в вытяжных шкафах или под вытяжными зонтами; при расчетном избыточном давлении взрыва, не превышающем 0,5 кПа.
Взрывоопасная зона класса 20 – пространство, в котором взрывоопасная пылевоздушная смесь присутствует постоянно (она может быть только
впределах корпусов технологического оборудования).
Взрывоопасная зона класса 21 - зона в помещении, в которой пылевоздушная взрывоопасная смесь может образоваться при нормальной работе.
Взрывоопасная зона класса 22 - зона в помещении, в которой опасные состояния, указанные в зоне 21, маловероятны при нормальной работе и возможны в результате аварий и неисправностей.
Пожароопасная зона П-I - зона в помещении, в которой имеются горючие жидкости.
Пожароопасная зона П-II - зона в помещении, в которой имеются горючие пыли или волокна, при воспламенении которых развивается избыточное давление взрыва, равное или менее 5 кПа.
Пожароопасная зона класса П-IIа - зона в помещении, в которой
45
имеются твердые или волокнистые не переходящие во взвешенное состояние горючие вещества, материалы.
Пожароопасная зона класса П-III - зона вне помещения, в которой имеются горючие жидкости, пыли, волокна, твердые, в том числе волокнистые, горючие материалы.
При определении размеров взрывоопасных и пожароопасных зон в помещениях необходимо учитывать:
1)взрывоопасные зоны классов 0 и 20 не должны, как правило, быть за пределами корпусов технологического оборудования;
2)при расчетном избыточном давлении взрыва газовой взрывоопасной смеси, превышающем 5 кПа, взрывоопасная зона занимает весь объем помещения;
3)взрывоопасная зона классов 21 и 22 занимает весь объем помеще-
ния;
4)при расчетном избыточном давлении взрыва газовой взрывоопасной смеси, равном или менее 5 кПа, взрывоопасная зона занимает часть объема помещения и представляет собой цилиндр с радиусом и высотой, рассчитываемыми технологами согласно ГОСТ 12.1.004-91 [6]. При отсутствии исходных данных зону принимают в виде цилиндра с радиусом, равным 5 м. Высоту отсчитывают от пола помещения - для тяжелых газов и паров, от потолка помещения - для легких газов;
5)при расчетном избыточном давлении взрыва пылевоздушной взрывоопасной смеси, паров перегретых горючих жидкостей, равном или менее 5 кПа, взрывоопасная зона соответственно будет 21, 22 или 2;
6)пространство за пределами ограниченных взрывоопасных зон считается невзрывоопасным, если нет других факторов, создающих в нем взрывоопасность.
В табл. 2.3 приведена классификация рассматриваемых взрыво- и пожароопасных зон, их размеры и индексы обозначений (над чертой - по редакции проекта гл. 7.3 седьмого издания, а под чертой - по гл. 7.3 шестого издания ПУЭ [1]).
|
Расчетное |
Категория по- |
|
Вещества и материалы |
избыточное |
||
мещения по |
|||
давление |
|||
|
НПБ 105-95 |
||
|
взрыва, кПа |
||
|
|
||
|
|
|
Класс взрыво- или пожароопасной зоны
Таблица 2.3
Размеры взрывоили пожароопасной зоны
|
Взрывоопасные установки в помещениях |
|
|||
Горючие газы, ЛВЖ с |
|
Более 5 |
А |
1, 2 |
Весь объем |
tвсп ≤ 28 °С |
|
В-I, В-Iа |
помещения |
||
|
|
|
46
ЛВЖ с |
Более 5 |
Б |
|
tвсп > 28 °C |
|||
|
|
||
Горючие газы, ЛВЖ |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
|
|
|
|
Горючие пыли, волокна |
Более 5 |
Б |
|
|
|
|
|
Горючие пыли, волокна |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
Горючие газы с |
Более 5 |
А |
|
НКП > 15 % и резким за- |
|||
пахом (аммиак) |
|
|
|
То же |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
Вещества и материалы, |
|
|
|
способные образовывать |
|
|
|
взрывоопасные смеси при |
Более 5 |
А |
|
взаимодействии с водой, |
|||
|
|
||
кислородом воздуха или |
|
|
|
друг с другом |
|
|
|
То же |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
Перегретые ГЖ |
Более 5 |
Б |
|
|
|
|
|
Перегретые ГЖ |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
Газообразный водород |
Равно или |
В1 ÷ В3 |
|
менее 5 |
|||
|
|
||
|
|
|
1, |
2 |
Весь объем |
В-1, В-Iа |
помещения |
|
1, |
2 |
Часть объема |
В-Iб |
помещения |
|
21, |
22 |
|
Весь объем |
||
В-II, В-IIа |
помещения |
|
21, |
22 |
Часть объема |
В-II, В-IIа |
помещения |
2Весь объем
В– Iа помещения
2Часть объема
В– Iб помещения
2Весь объем
В-Iа помещения
2Часть объема
В– Iб помещения
2Весь объем
В–Iа помещения
2Часть объема
В– Iб помещения
2Верхняя часть помещения
В – Iб (гл. 7.3 ПУЭ)
|
Наружные взрывоопасные установки |
|
|
|
|||||
Горючие газы, ЛВЖ |
|
- |
|
- |
|
1, |
2 |
|
Согласно гл.7.3 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
В-I, В-Iг |
|
ПУЭ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
21, |
22 |
|
Согласно гл.7.3 |
Горючие пыли, волокна |
|
- |
|
- |
|
В-II, В-IIа |
|
ПУЭ седьмого |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
изд. |
Аналитическая оценка классов взрыво- и пожароопасных зон и их размеров
Выше указывалось, что в основу аналитической оценки класса взрывоопасной и пожароопасной зоны и ее размеров положен количественный показатель Р, т.е. расчетноеизбыточноедавлениевзрывавзрывоопаснойсмеси.
Расчет избыточного давления взрыва Р. Порядок расчета заклю-
чается в следующем.
Массу вещества m, кг, участвующего в образовании реактивных зон
47
взрывоопасных концентраций, определяют по формуле |
|
m = m* Z, |
(2.1) |
где m - масса вещества, которая может быть аккумулирована в объеме помещения, кг; Z - коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно приложению НПБ 105-95 [5].
Согласно табл. 2 [5], допускается принимать следующие значения Z: 0,5 - для горючих газов и пылей; 0,3 – для ЛВЖ и ГЖ, нагретых до температуры вспышки и выше или ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля; 1 – для водорода.
Избыточное давление взрыва Р для веществ подгруппы А (индиви-
дуальные горючие вещества, состоящие из атомов углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N и галогенов: хлора Cl, брома Вr, йода I, фтора F) рассчитывают по формуле
P = (Pmax – P0)((m 100) / (Vсв ρг.п Сст Kн)), |
(2.2) |
где Рmах - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа. Определяется экспериментально или по справочным данным (например, см. прил. 5[3]), при отсутствии данных допускается принимать Рmах равным 900 кПа; Р0 - начальное давление, кПа, допускается принимать равным 101 кПа; m - масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в помещение, и определяемая по формулам (2.1), (6) и (11) [5], кг; Vсв - свобод-
ный объем помещения, м3 , допускается принимать 0,8 Vгеом; ρг.п - плотность газа или пара при расчетной температуре, кг м-3 ; Сст - стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об); Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать равным 3.
Стехиометрическую концентрацию горючего вещества определяют по
формуле |
|
Cст = 100 / (1+4,84β), |
(2.3) |
где β – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения, определяемый по формуле
β = nС + (nН – nО) / 4 – n / 2, |
(2.4) |
nС, nН, nО иn - числоатомовС, Н, Оигалогеноввмолекулегорючего. |
|
Плотностьпараилигазаопределяютпоформуле |
|
ρг.п = 12,15 M / (tв + 273), |
(2.5) |
48