Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

рассчитаны 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 высо-

ком напряжении и небольшой силе тока. Их изготавливают, наматывая об-

моточные провода на каркас (каркасные катушки) или на шаблон (бескар-

касные катушки). Аналогичная технология

изготовления у трансформато-

ров, дросселей, катушек индуктивности, обмоток двигателя и т.д.

После сушки проверяют, нет ли обрыва в обмотке катушки и соответ-

ствует ли ее электрическое сопротивление заданным требованиям. Обмот-

ки катушек проверяют также на отсутствие замыкания между витками. По-

сле 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 горю-

чих конструкционных материалов

. Межвитковые замыкания возникают в

результате имеющихся дефектов у обмоточного провода. Основными де-

фектами, при которых возникают межвитковые замыкания, являются: не-

калиброванное сечение обмоточного провода, некачественное покрытие

обмоточного провода лаком, разрушение изоляционного покрытия обмо-

точного провода при механическом воздействии, перегрузка по току и

(или) напряжению обмоточного провода при эксплуатации. В результате

возникновения межвиткового замыкания ток в обмоточном проводе проте-

кает, 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 прово-

да. В результате уменьшения сопротивления обмоточного провода увели-

чивается

ток, протекающий по нему. При увеличении тока происходит до-

полнительный разогрев обмоточного провода, особенно в месте замыкания

витков, так как появляются переходные сопротивления в местах замыка-

ния. Далее процесс развивается аналогично рассмотренному, при этом

число короткозамкнутых витков увеличивается, а длина обмоточного про-

вода уменьшается. В результате аварийного электрического режима нагрев

обмоточного

провода может достигать температуры воспламенения конст-

рукционных материалов. При развивающемся тепловом режиме происхо-

дит деформация каркасов моточных изделий, в результате чего возникают

вторичные замыкания по цепи питания. Пожароопасный отказ моточных

комплектующих элементов является событием случайным, так как при

межвитковых замыканиях в обмоточном проводе могут развиваться элек-

трические режимы, приводящие к обрыву электрической цепи.

Пожарную опасность моточных изделий определяют в соответствии с

ГОСТ 20.57.406 (409-2). Уровень электрической перегрузки устанавлива-

ется 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 элек-

трическую перегрузку, прикладываемую к моточному комплектующему

элементу, постепенно повышают от предельно допустимого значения, уста-

новленного в техническом задании на моточный комплектующий элемент,

до значения, при котором выполняется одно из следующих

условий:

реализуется наибольшая перегрузка моточного комплектующего эле-

мента, задаваемая из условий возможного пожароопасного аварийного ре-

жима работы изделия в аппаратуре;

уровень перегрузки стабилизируется (например, дальнейшее увеличе-

ние мощности будет практически невозможно);

наступает отказ изделия, при котором устраняются условия перегруз-

ки изделия (например, обрыв электрической цепи).

Пожароопасный отказ моточного комплектующего элемента – собы

тие вероятное.

Глава 2

ВЫБОР И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНЫХ ЗОН И ПОМЕЩЕНИЙ

С НОРМАЛЬНОЙ 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 отрас-

лей промышленности связаны с использованием в технологических про-

цессах различных горючих веществ: жидких (бензин, дизельное топливо,

масло, спирт), газообразных (аммиак, водород, ацетилен, пропан, метан),

твердых (уголь, сера, фосфор). Часто технологический процесс производ-

ства протекает при высоких температурах и давлении. Все

это создает по-

вышенную опасность возникновения пожаров и взрывов.

Горючие газы и пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей,

смешиваясь с воздухом, кислородом или другими окислителями, при опре-

деленной температуре и концентрации могут образовывать горючие смеси.

Критериями сравнительной оценки степени их пожаро- и взрывоопасности

являются температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения, кон-

центрационные пределы

распространения пламени (воспламенения) и др.

Горючий газ (ГГ) - газ, способный образовывать с воздухом воспламе-

няющиеся и взрывоопасные смеси.

Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) - горючая жидкость, спо-

собная воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источ-

ника 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 ис-

точника 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 испыта-

ний) температура горючего

вещества, при которой над его поверхностью об-

разуются 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

устой-

чивое пламенное горение.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещест-

ва, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое

увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламен-

ным горением.

Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пла-

мени (воспламенения) - минимальное и максимальное содержание горюче-

го 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 взрывоопас-

ные смеси с воздухом уже при температуре в производственном помеще-

нии 10-35 °С, т.е. без дополнительного подогрева, так как эта температура

превышает температуру вспышки. Некоторые ЛВЖ образуют взрывоопас-

ные смеси при температуре ниже 0

С, например сероуглерод, ацетон, бен-

зин. Естественно, более опасными являются жидкости, образующие взры-

воопасные смеси паров с воздухом при обычных условиях без дополни-

тельного подогрева.

Таблица 2.1

Температура, °С

Концентрационный предел

воспламенения, % (об.)

Горючее

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 жидко-

сти не достигают этой температуры, и поэтому их пары не могут образо-

вывать 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 стано-

вится опасной только при определенной концентрации, т.е. в диапазоне

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 со-

стоянии, которая в смеси с воздухом

в определенной пропорции образует

пылевоздушную взрывоопасную смесь при нормальных атмосферных ус-

ловиях.

Характерным показателем пожароопасной характеристики пыли или

волокон является также температура тления.

Температура тления - температура вещества, при которой происхо-

дит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, за-

канчивающихся возникновением тления.

В табл. 2.2 приводятся параметры, характеризующие пожаро- и взры-

воопасность

пыли некоторых горючих веществ.

Таблица 2.2

Взвешенная пыль

Осевшая пыль; температура, °С,

Горючее вещество

Нижний кон-

центрацион-

ный предел

воспламене-

ния, г/м

Температура

воспламене-

ния, °С

тления

воспламене-

ния

самовоспла-

менения

Мука пробковая

Пыли мучные

Крахмал картофельный

Белок подсолнечный

пищевой

Сахар свекловичный

Мука древесная

20-30

40,3

26,3

8,9

11,2

460

410

430

360

430

325

Не тлеет,

обуглива-

ется

193

Не тлеет,

плавится

212

205

458

350

255

Взрывоопасные смеси воспламеняются в случае, если в электроуста-

новках находится источник зажигания в виде нагретого тела или пламени

(электрическая дуга КЗ, искра, возникающая при замыкании или размыка-

нии контактов, чрезмерно высокая температура на поверхности электро-

оборудования, превышающая температуру самовоспламенения взрыво-

опасных смесей, и т.п.).

Нормативная оценка классов взрыво- и

пожароопасных

зон и их размеров

Основополагающей задачей по обеспечению оптимальных вариантов

пожарной безопасности при применении электроустановок, молниезащиты

зданий и сооружений, а также средств и мер защиты взрыво- и пожаро-

опасных производств от разрядов статического электричества является

объективная оценка взрывоопасной и пожароопасной зоны и ее размеров.

От класса взрывоопасной или пожароопасной зоны зависят требова-

ния 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 взры-

воопасной 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 отно-

сительного объема взрывоопасной смеси (менее или равное 5%, более 5%),

а также времени испарения

ЛВЖ (менее или равное 1ч, более 1ч) в количе-

стве, 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 ΔР,

менее или равное 5 кПа или более 5 кПа.

Взрывоопасная зона – зона, в которой имеется или может образовать-

ся взрывоопасная газовая смесь в объеме, требующем специальных мер

защиты при конструировании, изготовлении и эксплуатации электроуста-

новок [49].

Пожароопасная зона – зона внутри и вне помещений, в пределах ко-

торой постоянно или периодически имеются (обращаются) горючие

мате-

риалы, 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 экс-

плуатирующей организации.

Классы взрывоопасных и пожароопасных зон характерных произ-

водств обычно содержатся в нормах технологического проектирования или

в отраслевых перечнях производств по взрывопожароопасности.

В проекте 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 – I

д (с учетом

прил. Г [49]); 20 и 21 – В – II; 22 – В – IIа. Обозначения классов пожаро-

опасных зон П-I, П-II, П-IIа и П-III не изменились (гл. 7.4 [1]).

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 оборудова-

ния).

Взрывоопасная зона класса 1 – зона, в которой газовая взрывоопасная

среда может образоваться при нормальной работе (здесь и далее нормаль-

ная 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 неис-

правностей, за исключением катастроф). По прил. Г [49], к зонам, характе-

ризующимся 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 вы-

соком давлении и без обслуживающего персонала);

2) горючие газы, ЛВЖ имеются в

таких количествах, что их воспла-

менение 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 вы-

тяжными зонтами; при расчетном избыточном давлении взрыва, не пре-

вышающем 0,5 кПа.

Взрывоопасная зона класса 20 – пространство, в котором взрывоопас-

ная пылевоздушная смесь присутствует постоянно (она может быть только

в пределах

корпусов технологического оборудования).

Взрывоопасная зона класса 21 - зона в помещении, в которой пылевоз-

душная 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 го-

рючие жидкости.

Пожароопасная зона П-II - зона в помещении, в которой имеются го-

рючие пыли или волокна, при воспламенении которых развивается избы-

точное давление взрыва, равное или менее 5 кПа.

Пожароопасная зона класса П-IIа - зона в помещении, в которой

имеются твердые или волокнистые не переходящие во взвешенное состоя-

ние горючие вещества, материалы.

Пожароопасная зона класса П-III - зона вне помещения, в которой

имеются горючие жидкости, пыли, волокна, твердые, в том числе волокни-

стые, 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 взрывоопас-

ной 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 взрывоопас-

ной 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 отсут-

ствии исходных данных зону принимают в виде цилиндра с радиусом, рав-

ным 5 м. Высоту отсчитывают от пола помещения - для тяжелых газов и

паров, от потолка помещения - для легких газов;

при расчетном избыточном давлении взрыва пылевоздушной взры-

воопасной 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 счи-

тается невзрывоопасным, если нет других факторов, создающих в нем

взрывоопасность.

В табл. 2.3 приведена классификация рассматриваемых взрыво- и по-

жароопасных зон, их

размеры и индексы обозначений (над чертой - по ре-

дакции проекта гл. 7.3 седьмого издания, а под чертой - по гл. 7.3 шестого

издания ПУЭ [1]).

Таблица 2.3

Вещества и материалы

Расчетное

избыточное

давление

взрыва, кПа

Категория по-

мещения по

НПБ 105-95

Класс взры-

во- или по-

жароопас-

ной зоны

Размеры взрыво-

или пожароопас-

ной зоны

Взрывоопасные установки в помещениях

Горючие газы, ЛВЖ с

всп

≤ 28 °С

Более 5 А

1, 2

В-I, В-Iа

Весь объем

помещения

ЛВЖ с

всп

> 28 °C

Более 5 Б

1, 2

В-1, В-Iа

Весь объем

помещения

Горючие газы, ЛВЖ

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

1, 2

В-Iб

Часть объема

помещения

Горючие пыли, волокна Более 5 Б

21, 22

В-II, В-IIа

Весь объем

помещения

Горючие пыли, волокна

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

21, 22

В-II, В-IIа

Часть объема

помещения

Горючие газы с

НКП > 15 % и резким за-

пахом (аммиак)

Более 5 А

В – Iа

Весь объем

помещения

То же

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

В – Iб

Часть объема

помещения

Вещества и материалы,

способные образовывать

взрывоопасные смеси при

взаимодействии с водой,

кислородом воздуха или

друг с другом

Более 5 А

В-Iа

Весь объем

помещения

То же

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

В – Iб

Часть объема

помещения

Перегретые ГЖ Более 5 Б

В –Iа

Весь объем

помещения

Перегретые ГЖ

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

В – Iб

Часть объема

помещения

Газообразный водород

Равно или

менее 5

В1 ÷ В3

В – Iб

Верхняя часть

помещения

(гл. 7.3 ПУЭ)

Наружные взрывоопасные установки

Горючие газы, ЛВЖ - -

1, 2

В-I, В-Iг

Согласно гл.7.3

ПУЭ

Горючие пыли, волокна - -

21, 22

В-II, В-IIа

Согласно гл.7.3

ПУЭ седьмого

изд.

Аналитическая оценка классов взрыво- и пожароопасных

зон и их размеров

Выше указывалось, что в основу аналитической оценки класса взрыво-

опасной и пожароопасной зоны и ее размеров положен количественный пока-

затель ΔР, т.е. расчетное избыточное давление взрыва взрывоопасной смеси.

Расчет избыточного давления взрыва ΔР. Порядок расчета заклю-

чается в следующем

Массу вещества m, кг, участвующего в образовании реактивных зон

взрывоопасных концентраций, определяют по формуле

Z, (2.1)

где m

∗

- масса вещества, которая может быть аккумулирована в объеме по-

мещения, кг; Z - коэффициент участия горючего во взрыве, который мо-

жет 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 темпе-

ратуры 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) рас-

считывают по формуле

ΔP = (P

max

– P

)((m ⋅100) / (V

св

г.п

ст

)), (2.2)

где Р

mах -

максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздуш-

ной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа. Определяется

экспериментально или по справочным данным (например, см. прил. 5[3]),

при отсутствии данных допускается принимать Р

mах

равным 900 кПа;

- 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 по-

мещение, и определяемая по формулам (2.1), (6) и (11) [5], кг; V

св - свобод-

ный объем помещения, м

, допускается принимать 0,8 V

геом

; ρ

г.п

- плот-

ность газа или пара при расчетной температуре, кг⋅м

-3

; С

ст

- стехиометри-

ческая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об); К

- коэффициент,

учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса

горения. Допускается принимать равным 3.

Стехиометрическую концентрацию горючего вещества определяют по

формуле

ст

= 100 / (1+4,84β), (2.3)

где β – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения, оп-

ределяемый по формуле

β = n

+ (n

– n

) / 4 – n

/ 2, (2.4)

, n

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

Плотность пара или газа определяют по формуле

г.п

= 12,15 M / (t

+ 273), (2.5)