Материал: Пожарная безопасность электроустановок. учебное пособие. Сушко Е.А., Бакаева Г.А

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 DР, т.е. расчетное избыточное давление взрыва взрывоопасной смеси.

Расчет избыточного давления взрыва DР. Порядок расчета заключается в следующем.

Массу вещества m, кг, участвующего в образовании реактивных зон взрывоопасных концентраций, определяют по формуле

m = m^* Z, (6.1)

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 [21].

Согласно [21, табл. 2], 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 DР для веществ подгруппы А (индивидуальные 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

DP = (P_max – P₀)((m 100) / (V_св r_г.п С_ст K_н)), (6.2)

где Р_mах - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа. Определяется экспериментально или по справочным данным (например, см. прил. 5 [8]), при отсутствии данных допускается принимать Р_mах 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 (6.1) и по [21, формулам (6) и (11)], кг; V_св - свободный объем помещения, м³ , допускается принимать 0,8 V_геом; r_г.п - плотность газа или пара при расчетной температуре, кгм^-3 ; С_ст - стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об); К_н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать равным 3.

Стехиометрическую концентрацию горючего вещества определяют по формуле

C_ст = 100 / (1+4,84b), (6.3)

где b – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения, определяемый по формуле

b = n_С + (n_Н – n_О) / 4 – n / 2, (6.4)

n_С, n_Н, n_О и n - число атомов С, Н, О и галогенов в молекуле горючего.

Плотность пара или газа определяют по формуле

r_г.п = 12,15 M / (t_в + 273), (6.5)

где М - молекулярная масса вещества; t_в - расчетная температура воздуха, °С. В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации (при невозможности оценить этот показатель допускается принимать ее равной 61°С).

Избыточное давление взрыва DР для веществ подгруппы В (смеси и индивидуальные вещества, за исключением подгруппы А) рассчитывают по формуле

DP = mQ_тP_o / (V_свr_вС_в(t_в + 273)K_н), (6.6)

где Q_т - теплота сгорания вещества, кДж× кг^-1 (для некоторых веществ ее значения приведены в прил. 5 [8]); r_в - плотность воздуха до взрыва при начальной температуре, кгм^-3, определяется по формуле

r= 352 / (t_в + 273); (6.7)

где С_в - теплоемкость воздуха, Дж×кг^-1×К^-1 (допускается принимать равной 1,01× 10³ кДж× кг^-1 ×К ^-1 .

Расчет размеров взрывоопасной зоны. Как было сказано, размеры (объем) взрывоопасных зон нормативно оцениваются в зависимости от величины DР, т.е. если DР > 5 кПа, то взрывоопасная зона занимает весь объем помещения, а если DР £ 5 кПа, то ее размеры (в виде цилиндра) следует рассчитывать, используя литературу [8, гл. 3, п. 3.2] или [23].

Примеры расчетов величины DР для различных случаев технологических процессов с применением ГГ, ЛВЖ и горючих пылей и выводы о классах взрывоопасных зон и их размеров приводятся в работе [8, гл.3, п. 3.3].

6.2. Аппараты защиты в электроустановках

Аппараты защиты предназначаются для защиты электрических сетей, машин и аппаратов от аварийных режимов (например, коротких замыканий, перегрузок), угрожающих сохранности электрооборудования и безопасности персонала. Однако при неправильном монтаже и эксплуатации они сами могут быть причиной аварии, пожара или взрыва, так как во время их работы возникают электрические искры, дуги и прочее.

Наиболее часто применяемыми аппаратами защиты являются плавкие предохранители, воздушные автоматические выключатели (автоматы), реле и устройства защитного отключения (УЗО).

Плавкие предохранители

Плавким предохранителем называется устройство, в котором при токе, превышающем допустимое значение, расплавляется плавкий элемент плавкой вставки и размыкается электрическая цепь. Плавкий предохранитель состоит из плавкой вставки, поддерживающего ее контактного устройства и патрона (корпуса). Основной частью плавкой вставки является плавкий элемент. Плавкая вставка подлежит замене после срабатывания предохранителя.

Многие предохранители имеют специальные устройства для гашения дуги, образующейся при расплавлении плавкого элемента вставки. Обычно плавкие вставки находятся внутри патрона, покрытого изоляционной оболочкой, армированного деталями для крепления вставки и подвода к ней тока. По конструкции плавких вставок предохранители бывают разборными и неразборными. Разборные допускают замену плавких элементов после срабатывания на месте эксплуатации без специального инструмента. У неразборных замене подлежит вся плавкая вставка.

Различают предохранители с наполнителем, у которых дуга гасится в порошковом, зернистом или волокнистом веществе (тальк, кварцевый песок и т.д.), и без наполнителя, у которых гашение дуги происходит благодаря высокому давлению в патроне или движению газов. Предохранители иногда имеют визуальный указатель срабатывания, позволяющий судить о расплавлении плавкого элемента вставки при срабатывании.

Действие плавких предохранителей основано на том, что электрический ток в плавкой вставке выделяет тепло. Тепловое действие тока, протекающего через предохранитель, характеризуется джоулевым интегралом . При нормальных условиях это тепло отводится в окружающую среду путем излучения, конвекции и теплопроводности (главным образом через контакты). Если количество выделяющегося во вставке тепла больше отводимого, избыток тепла будет повышать температуру вставки до тех пор, пока снова не будет достигнут тепловой баланс при новой температуре или вставка расплавится (перегорит). Она может быть разорвана электродинамическими силами и до начала плавления. Плавкие предохранители характеризуются следующими параметрами.

Номинальное напряжение U_н.пр – напряжение, указанное на предохранителе и соответствующее наибольшему номинальному напряжению сетей, в которых разрешается установка данного предохранителя. Так, предохранители типа ПР-2 первого габарита (меньших размеров) имеют маркировку 250 В и могут устанавливаться в сетях с номинальным напряжением до 250 В постоянного тока и до 380 В переменного тока. Предохранители ПР-2 второго габарита (больших размеров) имеют маркировку 500 В и могут устанавливаться в сетях напряжением 500 В и ниже (см. прил. 1).

Номинальный ток предохранителя I_н.пр – ток, указанный на предохранителе и равный наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя. На этот ток рассчитаны все токоведущие контактные части предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки I_н.вст – ток, указанный на вставке, для которого она предназначена, при длительной работе. Номинальный ток предохранителя всегда должен быть больше или равен номинальному току плавкой вставки, т.е. I_н.пр  I_н.вст.

Пограничный ток плавкой вставки I_ - ток, при котором вставка расплавится через промежуток времени, достаточный для достижения ею установившейся температуры. Это время обычно равно 1-2 ч. Ток I_ больше I_н.вст.

Предельный ток отключения предохранителя I_пр.пр – наибольшее значение тока КЗ сети, при котором гарантируется надежная работа предохранителей, т.е. дуга гасится без каких-либо повреждений патрона.

В электросиловых установках часто возникают кратковременные повышенные токи, не опасные для установки (например, пусковые токи электродвигателей). Чтобы избежать отключения цепи при таких токах, расцепитель максимального тока устанавливают на ток срабатывания, который превышает значение кратковременных больших токов. При этом автомат перестает защищать электрооборудование от всех перегрузок, не превышающих ток срабатывания.

Автоматические выключатели (автоматы)

Для более надежной защиты электрических сетей от токов перегрузки и КЗ применяются автоматические выключатели, которые одновременно могут служить для нечастых коммутаций электрических сетей. Поэтому их следует широко использовать в электроустановках пожаро- и взрывоопасных производств.

Автоматы различают по их быстродействию. Ниже рассматриваются только небыстродействующие автоматы, получившие большое распространение на промышленных предприятиях, у которых собственное время отключения не менее 10 мс.

Автомат состоит из корпуса, подвижных и неподвижных контактов, дугогасительных камер, механизма управления, механизма свободного расцепления и расцепителя.

Корпус автомата выполнен из пластмассы, фарфора или стали и состоит из основания, на котором непосредственно монтируют части автомата и крышки. Корпус закрывает все части, обеспечивая безопасность персонала при срабатывании автомата и его обслуживании.

У многих автоматов контакты каждого полюса заключены в дугогасительную камеру, где дуга гасится дроблением и деионизацией ее в щелях между поперечными металлическими пластинками.

Механизм управления обеспечивает моментное замыкание и размыкание контактов с постоянной скоростью, не зависящей от скорости движения кнопки или рычага. Он может представлять собой рычаг с рукояткой или кнопку включения и отключения, по положению которых определяется коммутационное положение контактов автомата.

Основным узлом, обеспечивающим автоматическое срабатывание автомата при ненормальном режиме, является расцепитель. В автоматах наиболее часто используются расцепители максимального тока, которые срабатывают при токе, превышающем ток установки. В зависимости от встраиваемых расцепителей максимального тока автоматы изготовляются с электромагнитным расцепителем М, тепловым расцепителем Т и комбинированным расцепителем МТ (т.е. электромагнитным и тепловым).

Н а рис. 6.1 представлены автоматы с электромагнитным расцепителем. Во включенном положении автомат удерживает защелка 4, сцепленная с рычагом 3 рукоятки 10. Пружина 7 обеспечивает надежность этого сцепления. При нормальном токе якорь 8 защелки 4 стремится притянуть к сердечнику электромагнита 9, но этому препятствует пружина. Когда ток в защищаемой цепи превышает установленное значение (например, при КЗ), якорь 8 притягивается к сердечнику, защелка поворачивается на оси 5 и освобождает рычаг 3. После этого под действием отключающей пружины 2 и собственного веса подвижного контакта 1 автомат отключается. Положение защелки при отключенном автомате определяется упором якоря 6.

Рис. 6.1. Принципиальная схема однополюсного автомата с электромагнитным расцепителем максимального тока без выдержки времени: а – электрическая схема: б – монтажная схема

Тепловые реле

Тепловые реле обычно применяются для защиты электродвигателей с длительным режимом работы (рабочий период составляет не менее 30 мин) от опасного нагрева при длительных перегрузках.

Тепловое реле (рис. 6.2) состоит из четырех основных элементов: нагревателя 7, включаемого последовательно в защищаемую от перегрузки сеть; биметаллической пластинки 8 из двух спрессованных металлических пластин с различными коэффициентами линейного расширения; системы рычагов и пружин; контактов 6 и 5. Когда через нагревательный элемент 7 проходит ток, превышающий номинальный ток электродвигателя, выделяется такое количество тепла, что незакрепленный (на рисунке левый) конец биметаллической пластинки изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (т.е. опускается) и выводит защелку 1 из зацепления. В этот момент под действием пружины 3 верхний конец рычага 2 поднимается, размыкает контакты 6 и 5, разрывает цепь управления магнитного пускателя. Кнопка 4 служит для ручного возврата рычага 2 в исходное положение после срабатывания реле. Для регулирования тока установки служит специальное устройство 9.