Silniki i napędy do stref zagrożonych wybuchem

W strefach zagrożonych wybuchem priorytetowe znaczenie ma wyeliminowanie ewentualnych źródeł zapłonu i zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania sprzętu elektrycznego. W tym celu stosowane są tzw. urządzenia w wykonaniu przeciwwybuchowym, które zmniejszają lub eliminują zagrożenie eksplozją.

Wymóg przystosowania do pracy w strefach niebezpiecznych dotyczy także silników. W wersji przeciwwybuchowej są one projektowane zgodnie z wytycznymi opisującymi różne typy ochrony. Wybór silnika wyposażonego w odpowiednie zabezpieczenie zależy od warunków pracy, co definiują odpowiednie normy.

W poszczególnych krajach zdefiniowano szereg wytycznych dotyczących urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Aby ujednolicić te uregulowania, na terenie Unii Europejskiej wprowadzono ogólną dyrektywę ATEX 94/9/EC określającą m.in. kryteria podziału urządzeń na grupy i kategorie.

Dyrektywa zawiera też omówienie potencjalnych źródeł zapłonu, wskazówki na temat doboru materiałów, projektowania i budowy urządzeń oraz informacje związane z oznaczeniami. Standardy obowiązujące w poszczególnych krajach od tej pory zyskały status norm zharmonizowanych z dyrektywą ATEX.

Stanowią jej uzupełnienie, ponieważ sama dyrektywa zawiera jedynie ogólne informacje i wytyczne. Od lipca 2003 roku producenci mogą wprowadzać na rynek wyłącznie urządzenia i systemy ochronne zgodne z omawianą dyrektywą. Zawarte w niej regulacje zostały przyjęte w Polsce dwa lata później. W grudniu 2005 roku minister gospodarki wydał rozporządzenie wprowadzające przepisy zawarte w dyrektywie ATEX 94/9/WE.

ALFABET OCHRONY SILNIKÓW

Istnieje kilka metod ochrony silników pracujących w strefach zagrożonych wybuchem łatwopalnego gazu. Polegają one na zastosowaniu ognioszczelnej obudowy (ochrona typu "d"), ochrony ciśnieniowej (typ "p"), wzmocnionej obudowy (typ "e") oraz obudowy nieiskrzącej (typ "n").

W przypadku ochrony typu "d" nie ma możliwości przejścia ognia na zewnątrz silnika, a z kolei ochrona typu "p" zapobiega przedostaniu się wybuchowej mieszanki do wnętrza silnika. W tej metodzie ochrony wewnątrz obudowy silnika znajduje się czyste powietrze wtłaczane pod ciśnieniem.

Ochrona typu "n" lub "e" daje natomiast gwarancję, że silnik nie będzie stanowił źródła zapłonu w czasie normalnej pracy (typ "n") oraz w razie awarii (typ "e"). W silnikach w wykonaniu przeciwwybuchowym często wykorzystywane jest połączenie ochrony typu "d" (ognioszczelnej) i obudowy wzmocnionej typu "e".

Informacje o poszczególnych metodach ochrony można znaleźć w odpowiednich normach zharmonizowanych z dyrektywą ATEX.

Innym z parametrów charakteryzujących silniki do pracy w strefach Ex jest klasa temperaturowa (tabela 1). Określa ona maksymalną temperaturę silnika, która nie zostanie przekroczona nawet w najtrudniejszych warunkach pracy. Wybierając silnik pracujący w konkretnej klasie temperaturowej należy, brać pod uwagę temperaturę zapłonu mieszanki wybuchowej występującej w otoczeniu. Zyskuje się wówczas pewność, że w momencie kontaktu silnika z łatwopalnym gazem nie nastąpi eksplozja.

OD "d" DO "e"

Obudowa silnika zapewniająca ochronę typu "d" powinna być zaprojektowana w taki sposób, aby ewentualne źródła zapłonu występujące wewnątrz nie miały kontaktu z wybuchową atmosferą w otoczeniu urządzenia. Osłona silnika powinna zatem wytrzymać ciśnienie wytworzone w wyniku wewnętrznej eksplozji, natomiast wszelkie możliwe otwory w obudowie muszą być zaprojektowane tak, aby nie dopuścić do przepływu gorącego gazu. Ważne jest też, aby żaden z elementów znajdujących się na zewnątrz obudowy nie był potencjalnym źródłem iskry.

Ochronę typu "d" opisuje norma PN-EN 60079-1 Atmosfery wybuchowe – Część 1: Urządzenia przeciwwybuchowe w osłonach ognioszczelnych "d". Jest to norma zharmonizowana z dyrektywą ATEX.

Silniki o specjalnej, wzmocnionej obudowie typu "e" charakteryzują się z kolei wysokim stopniem ochrony. Zastosowanie maszyny tego rodzaju gwarantuje brak możliwości wystąpienia źródła zapłonu w jakiejkolwiek postaci, zarówno w trakcie normalnej pracy, jak i w sytuacji awaryjnej (np. przy zablokowaniu wirnika).

Normy wymagają, aby silnik w obudowie wzmocnionej typu "e" zawierał dwa oddzielne zabezpieczenia – przed przeciążeniem i przed wzrostem temperatury z innych powodów. Wymagane jest też odpowiednie zabezpieczenie na wypadek zaniku napięcia w jednej fazie, ponieważ może wówczas dojść do przegrzania silnika w wyniku zwiększonego poboru prądu z pozostałych dwóch faz.

OCHRONA TYPU "n"

W przypadku ochrony typu "n" silnik powinien być skonstruowany w taki sposób, aby niemożliwe było iskrzenie w czasie normalnej pracy urządzenia, a więc w zakresie parametrów znamionowych zalecanych przez producenta.

Ochrona nie obejmuje w tym wypadku sytuacji awaryjnych mogących być przyczyną niepożądanego wzrostu temperatury silnika. Na polskim rynku wiele firm oferuje silniki charakteryzujące się ochroną typu "n". Jedną z nich jest Fabryka Maszyn Elektrycznych Indukta z Bielska-Białej.

Oferuje ona trójfazowe silniki indukcyjne klatkowe jednobiegowe, które według informacji producenta spełniają wymogi dyrektywy ATEX 94/9/WE oraz normy zharmonizowanej: PN-EN 60079-15 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów – Część 15: Konstrukcja, badanie i znakowanie elektrycznych urządzeń rodzaju budowy przeciwwybuchowej "n". Silniki nA produkowane przez firmę Indukta zgodnie z klasyfikacją dyrektywy ATEX należą do grupy II i kategorii 3G.

Są to zatem silniki przeznaczone do pracy w środowisku przemysłowym innym niż kopalnie, gdzie zagrożenie wybuchem jest spowodowane występowaniem łatwopalnych gazów. Silniki te należą do klasy temperaturowej T3 lub T4 i są przeznaczone do pracy w strefie 2. W strefie tej wystąpienie wybuchowej atmosfery przy wykonywaniu zwykłych czynności jest mało prawdopodobne, a jeżeli już wystąpi, to będzie trwało przez krótki czas. Zastosowanie ochrony typu "n" jest tu uzasadnione małym prawdopodobieństwem wystąpienia wybuchowej atmosfery w otoczeniu silnika.

JAK ZABEZPIECZYĆ SILNIK TERMICZNIE?

tE – maksymalny czas trwania awarii silnika, po którym powinno zadziałać zabezpieczenie, A – maksymalna temperatura otoczenia, B – temperatura silnika przy obciążeniu znamionowym (przy najgorszych warunkach zasilania), C – maksymalna dopuszczalna temperatura silnika, D – temperatura zapłonu mieszaniny wybuchowej w otoczeniu silnika, E – wzrost temperatury silnika przy obciążeniu znamionowym (w najgorszych warunkach zasilania), F – krzywa wzrostu temperatury w przypadku awarii silnika.

Ochrona przed termicznymi skutkami przeciążenia polega na zastosowaniu odpowiedniego elementu, którego działanie jest uzależnione od natężenia prądu. Przykładem może tu być bimetalowy przekaźnik przeciążeniowy. Przepływ prądu przez uzwojenie nagrzewające element bimetalowy powoduje wzrost temperatury elementu i jego odkształcenie.

Nadmiernie wygięty element uruchamia wyłącznik odcinający zasilanie silnika. Wadą przekaźników bimetalowych jest zależność szybkości zadziałania zabezpieczenia od temperatury zewnętrznej – im wyższa temperatura otoczenia, tym szybsza reakcja elementu bimetalowego na wzrost temperatury spowodowany przeciążeniem.

Aby zminimalizować niekorzystny wpływ tego zjawiska, często są stosowane dodatkowe elementy kompensujące. Przykładem elementów do termicznego zabezpieczania silników są bimetalowe przekaźniki przeciążeniowe serii Z oferowane przez firmę Moeller. Producent deklaruje zgodność tych elementów z wymogami dyrektywy ATEX 94/9/WE.

Przekaźniki te zapewniają ochronę silnika przed uszkodzeniem m.in. w wyniku przeciążenia oraz zaniku fazy. Gdy występuje trójfazowe przeciążenie silnika pod wpływem wzrostu temperatury, trzy elementy bimetalowe wyginają się w identyczny sposób powodujący wyzwolenie styku pomocniczego odcinającego zasilanie.

Jeżeli natomiast jeden z elementów bimetalowych zostanie odkształcony w inny sposób lub jego kształt nie zmieni się w ogóle, wówczas odpowiedni układ wykryje różnicę położenia poszczególnych elementów i wyzwoli styk pomocniczy realizujący zabezpieczenie przed zanikiem fazy.