摘要：文章闡述了可燃性粉塵的特點及可燃性粉塵環(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，通過一個提取車間內(nèi)部粉塵爆炸危險區(qū)域的電氣設(shè)計實例，系統(tǒng)闡述了可燃性粉塵危險環(huán)境的分區(qū)原則、電氣設(shè)備選型、線路短路滅弧保護設(shè)計、防雷防靜電設(shè)計等，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場所的設(shè)計水平的要求。
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；電氣防火限流式保護器；安科瑞安躍強
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產(chǎn)損失。因此，在這可燃性粉塵環(huán)境下的電氣設(shè)計，不僅要嚴格按照國家設(shè)計標準、規(guī)范要求，正確選用粉塵防爆電氣設(shè)備，還可以結(jié)合時下較新技術(shù)，采用針對線路電弧保護的新產(chǎn)品，其中電氣防火限流式保護器就是比較合理的線路短路滅弧產(chǎn)品。
2.相關(guān)標準和規(guī)范
在可燃性粉塵危險環(huán)境的電氣設(shè)計中，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《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》(AQ 3009-2007)。
(5)設(shè)計規(guī)范《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(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、外殼的防護類型、粉塵危險區(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、制造和檢驗，并且，在可燃性粉塵危險環(huán)境用電氣設(shè)備選型及粉塵危險區(qū)域劃分等方面上，GB 12476與國際標準IEC 61241、行業(yè)標準AQ 3009-2007是一致的，本次設(shè)計中電氣設(shè)備的選型將按照產(chǎn)品規(guī)范GB 12476.1-2000進行。
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)時間及粉塵層的厚度，可將可燃性粉塵危險環(huán)境分成20區(qū)、21區(qū)和22區(qū)三個區(qū)域等級。每個區(qū)的特性如下：20區(qū)在正常運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)為粉塵爆炸危險環(huán)境分區(qū)，21區(qū)在正常運行中，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，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。
?、蝾愲姎庠O(shè)備的表面溫度可分為T1-T6共6個組別：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標準中有關(guān)粉塵外殼存在著A、B兩種設(shè)計型式，分別代表了歐洲和北美兩種標準體系。雖然這兩種設(shè)計型式對于設(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、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)粉塵云低點燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當存在粉塵層厚度至5mm時，其表面溫度不應(yīng)超過相關(guān)粉塵層厚度為5mm的點燃溫度減去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)粉塵云低點燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當存在粉塵層厚度至12.5mm時，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)量的時候，選型要求才會有所差別。
具體到設(shè)計工程中，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、二層的一個房間。根據(jù)工藝條件，我們把這兩個房間劃分為可燃性粉塵爆炸危險環(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，粉塵云低點燃溫度為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、現(xiàn)場操作柱等)只需要高于以下標準：DIP A22 TA 85℃(或TA，T6)IP6X，即可滿足提取車間可燃性粉塵危險環(huán)境的電氣設(shè)計要求。
4.防雷設(shè)計
依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057-2010)第3.0.3條的第7點：具有2區(qū)或22區(qū)爆炸危險場所的建筑物，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，當一、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，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區(qū)域面積并未達到提取車間的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準進行設(shè)計，但對可燃性粉塵危險區(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措施進行 設(shè)計。
5.防靜電接地設(shè)計
對可燃性粉塵危險環(huán)境內(nèi)可能產(chǎn)生靜電危險的設(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)計中，可燃性粉塵危險環(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.線路短路滅弧保護設(shè)計
電氣防火限流式保護器專門用于低壓配電線路中短路滅弧保護和過載保護，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、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，當發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護，可顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。
本工程設(shè)計選用了安科瑞ASCP系列的電氣防火限流式保護器，其產(chǎn)品具有功能豐富，型號多樣等特點，具體如下表所示：
本設(shè)計中根據(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)計中將所有限流式保護器通過其自帶的RS485通訊組網(wǎng)后，連接到安科瑞的Acrel-6000/B電氣火災(zāi)監(jiān)控主機上，并將主機設(shè)置在電工值班室內(nèi)，實現(xiàn)對所有限流式保護器監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。
7.設(shè)計中注意點
(1)由于對可燃性粉塵防爆缺乏充分的認識，某些電氣設(shè)計工程師不管是氣體爆炸危險場所還是可燃性粉塵危險場所，都選用氣體防爆電氣設(shè)備。這種做法是錯誤的，可燃性粉塵危險環(huán)境電氣設(shè)備與氣體防爆電氣設(shè)備的外殼防護要求不同，氣體防爆電氣設(shè)備在可燃性粉塵危險場所是沒有作用的，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)的可燃性粉塵危險環(huán)境用電氣設(shè)備不能阻止水進入其內(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場所用電氣設(shè)備具備以上功能，須在設(shè)計中指出設(shè)備須滿足IPX5以上的外殼防護等級要求。
(3)電氣防火限流式保護器在設(shè)計時應(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，因此在安裝時應(yīng)該注意保障其良好的通風散熱條件，不建議安裝在密閉的配電箱內(nèi)。
8.結(jié)語
在實際的設(shè)計過程中，要全方面、完善地做好一個可燃性粉塵危險環(huán)境工程的設(shè)計，需要工藝、通風、建筑等多個協(xié)調(diào)和配合，每個專業(yè)在各自的設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)都有相應(yīng)的設(shè)計要求，缺一不可。
同時也要求我們電氣設(shè)計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環(huán)境工程的設(shè)計，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，可燃性粉塵危險環(huán)境的設(shè)計水平一定能邁上一個新的臺階。
作者介紹：
安躍強，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網(wǎng)供配電。
