Urządzenia elektryczne z osłoną ognioszczelną. Ćwiczenia laboratoryjne. Instrukcja do ćwiczenia. Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa

Transkrypt

1 Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Ćwiczenia laboratoryjne Instrukcja do ćwiczenia Urządzenia elektryczne z osłoną ognioszczelną Autor: dr inż. Sergiusz Boron Gliwice, wrzesień 2011

2 -2-1. Wprowadzenie Zgodnie z 610 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych w wyrobiskach zagrożonych wybuchem instaluje się maszyny i urządzenia budowy przeciwwybuchowej spełniające zasadnicze wymagania określone w przepisach dotyczących wyrobów podlegających ocenie zgodności. Zasadnicze wymagania, o których mowa w powyższym punkcie, znajdują się w stosownych dyrektywach Unii Europejskiej (tzw. dyrektywach nowego podejścia), które zostały wprowadzone do prawa polskiego odpowiednimi ustawami. Dyrektywy nowego podejścia zawierają zasadnicze (sformułowane bardzo ogólnikowo) wymagania związane z bezpieczeństwem, zdrowiem, ochroną konsumenta i ochroną środowiska. Do chwili obecnej przyjęto 26 dyrektyw, z których jedna dotyczy urządzeń instalowanych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Dyrektywa ta, skrótowo określana mianem ATEX, została wprowadzona do ustawodawstwa krajowego Rozporządzeniem Ministra Gospodarki w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochrony przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (Dz. U. Nr 263, poz z dn. 22 grudnia 2005 r.). Wyroby spełniające wymagania dyrektyw nowego podejścia powinny być oznakowane znakiem. Urządzenia elektryczne, będące przedmiotem dyrektywy ATEX, są klasyfikowane na dwie grupy, w związku z atmosferą wybuchową, w której będą użytkowane: grupa I urządzeń: urządzenia przeznaczone do pracy w podziemiach kopalń i w częściach ich instalacji powierzchniowych, w których jest prawdopodobne wystąpienie zagrożenia wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego, grupa II urządzeń: urządzenia przeznaczone do pracy w innych przestrzeniach, w których jest prawdopodobne wystąpienie atmosfery wybuchowej. Urządzenia grupy I dzieli się na dwie kategorie: kategoria M1 obejmująca urządzenia o bardzo wysokim poziomie ochrony, które powinny pozostawać zdolne do działania nawet w przypadku rzadko występującej awarii urządzenia w obecności atmosfery wybuchowej; uzyskuje się to przez zastosowanie dwóch niezależnych rodzajów budowy przeciwwybuchowej (np. urządzenie hermetyzowane masą izolacyjną umieszczone wewnątrz osłony ognioszczelnej) lub zapewnienie bezpieczeństwa przy dwóch niezależnych uszkodzeniach (wymaganie to może być spełnione tylko przez urządzenia w wykonaniu iskrobezpiecznym ia ), kategoria M2 obejmująca urządzenia o wysokim poziomie ochrony, uzyskanym przez zastosowanie jednego rodzaju budowy przeciwwybuchowej, przy czym przewiduje się wyłączenie zasilania tych urządzeń, gdy pojawi się atmosfera wybuchowa (zgodnie z 247 rozporządzenia [3] w przypadku, gdy w wyrobisku zawartość metanu wynosi powyżej 2%, niezwłocznie wyłącza się sieć elektryczną i unieruchamia maszyny i urządzenia, przy czym obowiązek ten nie dotyczy urządzeń elektrycznych, które mogą być eksploatowane przy dowolnej zawartości metanu w powietrzu). Spośród możliwych rodzajów budowy przeciwwybuchowej w górnictwie wykorzystuje się (litery w nawiasach są symbolami przypisanymi poszczególnym rodzajom wykonania): urządzenia budowy wzmocnionej (e), urządzenia z osłoną ognioszczelną (d), urządzenia z osłoną gazową z nadciśnieniem (p),

3 -3- urządzenia z osłoną piaskową (q), urządzenia hermetyzowane (m), urządzenia iskrobezpieczne (ia, ib lub ic), urządzenia budowy specjalnej (s). Najczęściej stosowanym, w odniesieniu do kopalnianych urządzeń elektroenergetycznych, rodzajem budowy przeciwwybuchowej jest osłona ognioszczelna, charakteryzująca się tym, że elementy mogące zainicjować zapłon gazowej atmosfery wybuchowej są zamknięte w osłonie wytrzymującej ciśnienie powstające podczas wewnętrznego wybuchu mieszaniny wybuchowej i zapobiegającej przeniesieniu się wybuchu do atmosfery wybuchowej, otaczającej osłonę. Szczegółowe wymagania dotyczące konstrukcji i badań tych urządzeń zawarte są w normach [1] i [2]. 2. Charakterystyczne cechy budowy urządzeń z osłoną ognioszczelną 2.1 Wymagania dotyczące temperatury Maksymalna temperatura powierzchni urządzeń elektrycznych grupy I nie powinna przekraczać (p [1]) 150 C na dowolnej powierzchni, na której może osadzić się warstwa pyłu węglowego, 450 C tam, gdzie osadzanie się warstwy pyłu węglowego jest wykluczone. Jeżeli możliwe jest otwarcie obudowy zanim minie czas niezbędny do ochłodzenia nagrzanych powierzchni części wewnętrznych do temperatury niższej od podanych powyżej, to urządzenia powinny być oznakowane napisem ostrzegawczym UWAGA PO WYŁĄCZENIU NAPIĘCIA ODCZEKAJ... MINUT PRZED OTWARCIEM lub UWAGA NIE OTWIERAJ W OBECNOŚCI ATMOSFERY WYBUCHOWEJ (p. 6.3 i 29.8 [1]) Materiały i kształt obudowy Wysokie wymagania w zakresie wytrzymałości mechanicznej sprawiają, że w praktyce osłony ognioszczelne urządzeń elektrycznych górniczych wykonuje się z blachy stalowej lub z żeliwa. Materiały użyte do konstrukcji obudów urządzeń elektrycznych nie powinny zawierać więcej niż 15% ogółem aluminium, magnezu i tytanu oraz więcej niż 6% ogółem magnezu i tytanu (p [1]) (uderzenie żelaza, szczególnie zardzewiałego, o element wykonany ze stopów lekkich może powodować powstawanie iskier, które mogą zainicjować wybuch). Jeżeli osłona posiada kilka łączących się ze sobą przedziałów może wystąpić zjawisko spiętrzenia ciśnienia polegające na tym, że wybuch w jednym z przedziałów może spowodować sprężenie mieszaniny wybuchowej w innym przedziale i zwielokrotnienie ciśnienia gazów powybuchowych. Z tego względu należy unikać tego typu rozwiązań (p [2]). Puste osłony ognioszczelne (niewyposażone w aparaturę elektryczną) można certyfikować jako tzw. podzespoły Ex, co umożliwia użycie obudowy przez innych producentów bez konieczności powtarzania wszystkich badań. Osłony powinny mieć w takim przypadku prostą geometrię (z kwadratowymi, prostokątnymi lub cylindrycznymi przekrojami poprzecznymi) i ze zbieżnością nie przekraczającą 10%. Stosunek dowolnego głównego wymiaru do innego głównego wymiaru nie powinien być większy niż 4:1 (p. D.3.2 [2]). Wyposażenie osłony może być zabudowane w ten sposób, aby minimum 20% powierzchni dowolnego przekroju pozostało wolne, co zapewni swobodny przepływ gazu i niezakłócony przebieg wybuchu (p. D.3.10 [2]) Elementy mocujące

4 -4- Poluzowanie lub usunięcie elementów niezbędnych do zapewnienia przeciwwybuchowości lub uniemożliwiających dostęp do nieizolowanych części czynnych powinno być możliwe wyłącznie z użyciem narzędzia (p. 9.1 [1]). Łby śrub powinny być zabezpieczone gniazdami ochronnymi lub osłonami (p. 9.2 [1] i 11.1 [2]). Niedopuszczalne jest stosowanie elementów mocujących z tworzyw sztucznych lub stopów lekkich (p [2]). Elementy mocujące nie powinny przechodzić na wylot przez ściany osłony ognioszczelnej. Pozostała grubość ściany osłony ognioszczelnej d (rys. 1) powinna wynosić co najmniej jedną trzecią średnicy śruby, ale nie mniej niż 3 mm (p i 11.6 [2]). Rys. 1. Sposób wykonania otworów na śruby Drzwi lub pokrywy szybko otwierane i zamykane wyposażone są w mechanizm umożliwiający otwarcie lub zamknięcie za pomocą prostej manipulacji, takiej jak przesunięcie dźwigni lub przekręcenie pokrętła. Mechanizm powinny charakteryzować dwa ruchy robocze: jeden ryglujący lub odryglowujący drugi otwierający lub zamykający (p [2]) Blokady i aparatura łączeniowa Drzwi lub pokrywy szybko działające powinny mieć mechaniczną blokadę z odłącznikiem, tak aby osłona zachowała właściwości osłony ognioszczelnej dopóki odłącznik jest zamknięty, natomiast odłącznik mógł być zamknięty jedynie przy zamkniętych drzwiach (pokrywie) (p [2]). Blokada powinna być tak skonstruowana, aby pogorszenie jej skuteczności nie było możliwe za pomocą śrubokręta, kleszczy i podobnych narzędzi (p. 10 [1]). Mechanizm uruchamiający odłącznik powinien umożliwiać zablokowanie go w położeniu otwarcia za pomocą kłódki (p [1]). Aparatura łączeniowa powinna być blokowana przez zabezpieczenia zwarciowe i ziemnozwarciowe w celu uniemożliwienia wielokrotnego załączania napięcia do sieci dotkniętej zakłóceniem (p [1]). Drzwi lub pokrywy mocowane śrubami (ewentualnie gwintowe) powinny być wyposażone w tabliczkę z napisem NIE OTWIERAĆ POD NAPIĘCIEM (p [2]). Nie dopuszcza się aparatury łączeniowej ze stykami zanurzonymi w ciekłym dielektryku palnym (p [1]). Jeżeli aparatura łączeniowa zawiera odłącznik, to powinien on odłączać wszystkie bieguny a położenie zestyków odłącznika powinno być widoczne lub stan rozwarcia wskazywany w niezawodny sposób. Odłączniki, które nie są przeznaczone do

5 -5- załączania i wyłączania pod obciążeniem, powinny być elektrycznie lub mechanicznie zblokowane z odpowiednim urządzeniem do wyłączania pod obciążeniem (p [1]). Obudowy zawierające bezpieczniki topikowe powinny być wyposażone w blokadę zezwalającą na dostęp do bezpieczników tylko przy odłączonym zasilaniu albo urządzenie powinno być oznakowane napisem ostrzegawczym NIE OTWIERAĆ POD NAPIĘCIEM (p. 19 [1]) Złącza ognioszczelne Miejsca styku odpowiednich powierzchni dwóch elementów osłony, noszące nazwę złącz ognioszczelnych, powinny być wykonane w sposób uniemożliwiający przeniesienie się wewnętrznego wybuchu do atmosfery wybuchowej otaczającej osłonę (p. 3.3 [2]). Konstrukcja złączy powinna być odpowiednia do obciążeń mechanicznych, na jakie są narażone. Ich powierzchnie mogą być zabezpieczone przed korozją, jednakże pokrywanie ich farbą jest niedopuszczalne. Powszechnie stosowanym sposobem zabezpieczenia przed korozją jest pokrywanie powierzchni złączy smarem (p. 5.1 [2]). W przypadku złącz kołnierzowych nie powinno być zamierzonego prześwitu pomiędzy powierzchniami (z wyjątkiem szybko zamykanych drzwi lub pokryw) (p. 5.2 [2]). Jeżeli występuje prześwit to nie powinien nigdzie przekraczać maksymalnych wartości natomiast długość złączy nie powinna być mniejsza niż wartość minimalna. Graniczne wartości parametrów złącz ognioszczelnych podano w tabeli 1. Tabela 1. Minimalna długość złącza i maksymalny prześwit dla osłon ognioszczelnych grupy I złącza kołnierzowe, cylindryczne lub cylindryczno-kołnierzowe Minimalna długość złącza L mm Dla objętości cm 3 V 100 Maksymalny prześwit mm Dla objętości cm 3 100<V 500 Dla objętości cm 3 500<V 2000 Dla objętości cm 3 V> ,30 9,5 0,35 0,35 0,08 12,5 0,40 0,40 0,40 0, ,50 0,50 0,50 0,50 Jeżeli złącze jest przerwane przez otwory przeznaczone do przejścia śrub, odległość l do krawędzi otworu (rys. 2) nie powinna być mniejsza niż (p [2]): 6 mm jeżeli długość złącza L < 12,5 mm, 8 mm jeżeli długość złącza 12,5 L < 25 mm, 9 mm jeżeli długość złącza L 25 mm. W zasadzie w złączach ognioszczelnych nie stosuje się uszczelek (nie dotyczy to wpustów kablowych), jeżeli jednak są stosowane, to nie powinny być uwzględniane przy określaniu długości złącza ognioszczelnego ani nie powinny go dzielić (p. 5.4 [2]).

6 -6- Rys. 2. Długość złącza ognioszczelnego 3.6. Skrzynki zaciskowe Skrzynki zaciskowe powinny być budowy przeciwwybuchowej i tak wykonane, aby łatwo można było przyłączać przewody elektryczne (p [1]). Wewnątrz skrzynki zaciskowej, w pobliżu innych zacisków przyłączeniowych, powinien być umieszczony zacisk przyłączeniowy przewodu ochronnego (p [1]). Urządzenia elektryczne w obudowie metalowej powinny mieć dodatkowy zewnętrzny zacisk przyłączeniowy przewodu ochronnego (nie dotyczy to urządzeń przewidzianych do przemieszczania pod napięciem i zasilanych przewodem zawierającym żyłę ochronną) (p [1]). Zaciski przyłączeniowe przewodów ochronnych powinny umożliwiać przyłączenie co najmniej jednego przewodu o przekroju, który podano w tabeli 2 (p [1]). Zaciski zewnętrzne powinny umożliwić przyłączenie przewodu o przekroju co najmniej 4 mm 2 (p [1]). Tabela 2. Minimalne przekroje przewodów ochronnych Przekrój przewodów fazowych instalacji, S mm 2 S 16 Minimalny przekrój odpowiedniego przewodu ochronnego, S p mm 2 16 < S S > Wpusty kablowe Wpust kablowy, czyli osprzęt przeznaczony do wprowadzenia do urządzenia jednego lub kilku kabli (przewodów), może być wykonany jako integralna część urządzenia lub jako urządzenie certyfikowane oddzielnie, w które można wyposażyć obudowę urządzenia podczas jego instalowania (tzw. wpust kablowy Ex). Podstawowe elementy wpustów kablowych przedstawiono na rys. 3 (p. A.2.1 [1]). S 0,5 S

7 -7- Rys. 3. Podstawowe elementy wpustów kablowych 1 korpus wpustu, 2 kabel (przewód), 3 pierścień uszczelniający, 4 dławik Pierścień uszczelniający zapewnia szczelność pomiędzy wpustem a kablem (przewodem) pod wpływem siły wywieranej na niego przez dławik. Wpusty kablowe powinny zapewniać takie mocowanie kabla lub przewodu, aby zapobiec przekazywaniu wywieranego na niego naciągu lub skręcania na przyłączenia (p. A [1]). Wpusty nie powinny mieć ostrych krawędzi, zdolnych do uszkodzenia kabla lub przewodu (p. A [1]). Krawędź wejściowa powinna być zaokrąglona (p. A [1]). Wpusty kablowe powinny być tak skonstruowane, aby ich poluzowanie lub zdemontowanie było możliwe tylko przy użyciu narzędzi (p. A.2.5 [1]). Nieużywane otwory w ścianach obudowy (np. niewykorzystane wpusty kablowe) powinny być zamknięte elementami zaślepiającymi spełniającymi wymagania osłony ognioszczelnej. Element zaślepiający powinien być możliwy do usunięcia tylko przy użyciu narzędzia (p [1]) 3.8. Znakowanie Część główna urządzenia elektrycznego powinna być oznakowana w widocznym miejscu. Oznakowanie (rys. 4) powinno zawierać (p [1] i 56.1 [4]): nazwę i adres producenta, oznakowanie wraz z numerem indentyfikacyjnym jednostki notyfikowanej, odpowiedzialnej za fazę kontroli produkcji, serię lub typ urządzenia, numer fabryczny (jeżeli się je stosuje), rok produkcji, specjalne oznaczenie zabezpieczenia przeciwwybuchowego wraz z symbolem grupy i kategorią urządzeń, znak Ex (norma [6], która do r. była zharmonizowana z dyrektywą ATEX, stanowiła, że wymagane jest oznaczenie EEx, w związku z tym urządzenia produkowane w latach posiadają oznaczenie EEx), symbol wskazujący rodzaj użytej budowy przeciwwybuchowej; jeżeli zastosowano więcej niż jeden rodzaj budowy, należy w porządku alfabetycznym podać symbole wszystkich rodzajów, symbol grupy urządzenia elektrycznego, w razie potrzeby symbol Ta lub Tamb wraz ze specjalnym zakresem temperatury otoczenia (jeżeli zakres temperatury otoczenia, w jakiej urządzenie może być

8 -8- eksploatowane wynosi od -20 C do +40 C to dodatkowe oznakowanie nie jest potrzebne), względnie symbol X wskazujący na specjalne warunki stosowania, nazwę lub znak wydawcy certyfikatu oraz oznaczenie certyfikatu (dwie ostatnie cyfry roku certyfikowania, a za nimi numer kolejny certyfikatu w tym roku). Rys. 4. Przykład oznakowania urządzenia z osłoną ognioszczelną 4. Program ćwiczenia Należy dokonać oględzin wskazanego przez prowadzącego ćwiczenie urządzenia budowy przeciwwybuchowej z osłoną ognioszczelną. Ocenić zgodność badanej osłony z wybranymi wymaganiami normatywnymi poprzez następujące sprawdzenia (w nawiasach podano odpowiednie rozdziały niniejszej instrukcji): badanie ogólne osłony(3.2), pomiar wymiarów głównych poszczególnych komór badanej osłony (3.2), pomiar grubości ścianek osłony, sposób mocowania elementów niezbędnych do zapewnienia przeciwwybuchowości (drzwi, pokrywy liczba i średnica śrub mocujących, zabezpieczenie przed samoodkręcaniem i wypadaniem, gniazda ochronne itp.), działanie mechanizmu szybkiego otwierania i zamykania drzwi (3.3), wyposażenie urządzenia w aparaturę łączeniową (3.4), działanie blokady pomiędzy odłącznikiem a drzwiami komory głównej (3.4), możliwość obserwacji położenia zestyków odłącznika (3.4), działanie blokady uniemożliwiającej otwarcie odłącznika pod obciążeniem (3.4), działanie blokady uniemożliwiającej załączenie łącznika po zadziałaniu zabezpieczenia zwarciowego (3.4), sposób zabezpieczenia złącz ognioszczelnych przed korozją (3.5), pomiar parametrów złącz ognioszczelnych długość szczeliny, prześwit, długość szczeliny w miejscu mocowania (3.5),

9 -9- zakres stosowania uszczelek (3.5), wyposażenie pokryw w tabliczki ostrzegawcze (3.1, 3.4), dostęp do zacisków przyłączowych w skrzynkach zaciskowych, średnica śrub zaciskowych, oznaczenie zacisków (3.6), umiejscowienie zacisków przyłączeniowych przewodów ochronnych wewnętrznych i zewnętrznych (3.6), budowa wpustów kablowych zaokrąglenie krawędzi, szerokość pierścieni uszczelniających (3.7), zaślepienie niewykorzystanych otworów w obudowie (3.7), sposób i kompletność oznakowania (3.8). 5. Sprawozdanie z ćwiczenia Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: opis przebiegu ćwiczenia, dane z tabliczki znamionowej badanego urządzenia, wyniki wykonanych w ramach ćwiczenia oględzin, pomiarów i badań zgodnie z programem ćwiczenia, ewentualne dodatkowe punkty podane przez prowadzącego ćwiczenie, własne uwagi i wnioski wynikające z ćwiczenia. 6. Literatura 1. PN-EN :2009 Atmosfery wybuchowe Część 0: Sprzęt Podstawowe wymagania (oryg.). 2. PN-EN :2010 Atmosfery wybuchowe Część 1: Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon ognioszczelnych "d". 3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz oraz z 2006 r. Nr 124, poz. 863). 4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochrony przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (Dz. U. Nr 263, poz z dn. 22 grudnia 2005 r.). 5. PN-EN 13237:2005 Przestrzenie zagrożone wybuchem Terminy i definicje dotyczące urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. 6. PN-EN 50014:2004 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem Wymagania ogólne (norma wycofana r., zharmonizowana z dyrektywą ATEX do r.)