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北京科技大学
毕业论文
浅论交流防爆电机电气性能及设计理念
学生姓名:
学号:
学院:
北京科技大学
函授站点:
山西省永济市
专业:
电气工程及自动化
指导教师:
二零一二年四月
浅论交流防爆电机电气性能及设计理念
摘要简要说明了隔爆型电机的工作环境,即含有爆炸性气体环境的矿井下。
从电气性能、隔爆性能、产品图纸、技术文件、隔爆面缺陷处理等五个方面并以YBC系列隔爆型三相异步电动机为例介绍了隔爆型电机的设计特点。
其主要特点是:
(1)功率等级、安装尺寸及转速的对应关系与DIN42673一致,同时考虑到与YB系列的继承性和Y2系列的互换性,作了必要调整,更加有效和适用。
(2)全系列采用F级绝缘,温升按B级考核。
(3)噪声限值比YB系列低,接近YB系列的I级噪声,振动限值与YB系列相当。
(4)外壳防护等级提高到IP55。
(5)全系列选用低噪声深沟球轴承,机座中心高在180mm以上电机设注排油装置。
(6)电机散热片有平行水平分布和辐射分布两种,以平行水平分布为主。
(7)主要性能指标达到20世纪90年代初国际先进水平。
关键词隔爆型电动机隔爆面隔爆接合面
目录
0.前言---------------------------------3
1.防爆电机分类及相关标准-----------------4
1.1产品分类--------------------------------------
1.2产品系列及其特点----------------------------------
2本次设计电机电气性能方面-------------
2.1电机电负荷的选择--------------------------------
2.2绕组绝缘的选择----------------------------------
2.3温度传感器的安装--------------------------------
3在隔爆性能设计方面---------------------------------
3.1接线盒结构-----------------------------------------
3.2电缆引入口---------------------------------------
3.3电机外壳接地---------------------------------------
3.4隔爆电动机的外壳结构-------------------------------
4产品图纸设计方面---------------------
4.1防爆标志------------------------------------------
4.2技术要求-------------------------------------------
4.3水压试验-
4.4坚固零件
5技术文件设计方面
6隔爆面的缺陷处理方面
6.1加工隔爆面缺陷处理
6.2不动隔爆面缺陷处理
6.3不允许处理缺陷
6.4隔爆面修复方法
0引言
在煤矿井下及其他工业中的一些工作场所,空气中存在有各种各样的爆炸性气体、蒸汽等混合物,若遇到点火源(火源、热源)就可能引起爆炸和火灾,其破坏力很大,对人身和设备都会带来极大危害。
为了防止这类事故的发生,在有爆炸危险的场合必须用隔爆型电动机,以保证安全。
引起爆炸的原因有两个:
一是使用的场所中存有危险浓度的爆炸性混合物(爆炸性气体、蒸汽与空气的混合物);二是存有引燃这些危险物质的点火源。
隔爆电动机的隔爆结构,就是不使电动机成为会引燃外部爆炸性混合物点火源的一种结构,电动机之所以成为点火源是由于:
(1)在运转过程中由于绝缘损伤造成短路或断路而引起的火花;
(2)电动机导电零件连接的松动和由于潮气或导电物质的积聚等影响而引起的电弧火花;
(3)由于机械故障及其他原因而导致电机过载、堵转等而产生的高温。
防爆电机是一种可以在易燃易爆厂所使用的一种电机,运行时不产生电火花。
防爆电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。
此外,在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。
防爆电机作为主要的动力设备,通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。
随着科技、生产的发展,存在爆炸危险的场所也在不断增加。
例如,食用油生产过去是用传统的压榨法工艺,20世纪70年代以后,我国开始引进国外先进的浸出油工艺,但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂,己烷是易燃易爆物质;因此浸出油车间就成了爆炸危险场所,需要使用防爆电机和其他防爆电气产品。
又如,近年来我国公路发展迅速,一大批燃油加油站出现,也给防爆电机提供了新的市场。
H级高压三相异步防爆电动机以其耐热性好、电机使用寿命长和运行可靠而逐步得到用户的青睐。
据了解,国外发达国家80年代末已开始应用H级6kV及以上的高压电机,而在我国低压H级电机应用较早,但80年代末和90年代初才开始应用3kV电机,大多用在机车牵引上。
制约H级高压(6kV及以上)三相异步电动机发展的主要因素是:
难以找到既满足耐热要求又满足线圈电气性能(主要是介损指标)的主绝缘材料。
因此,在设计隔爆电机时要根据其使用的环境及类别进行设计,现以一种使用在I类环境、水冷式,YBC系列三相异步电动机为例,介绍其隔爆设计。
1防爆电机分类及相关标准
1.1产品分类
1.1.1.按电机原理分
可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。
1.1.2.按使用场所分
可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机。
1.1.3.按防爆原理分
可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等。
1.1.4.按配套的主机分
可分为煤矿运输机用防爆电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。
此外,还可以按额定电压、效率等技术指标来分,如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等。
本文按防爆原理分类介绍。
1.2产品系列及其特点
1.2.1.隔熄型电机
它采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。
但是,这种外壳并非是密封的,周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入电机内部。
当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸,这时电机的隔爆外壳不仅不会损坏或变形,而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时,也不能引燃周围的爆炸性气体混合物。
我国当前广泛应用的低压隔爆型电机产品的基本系列是YB系列隔爆型三相异步电机,它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。
防爆性能符合GB3836.1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836.2—83《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d”,》的规定;电机功率范围为O.55—200kW,相对应的机座号范围是机座中心高为80—315nun;防爆标志为dI、dIIAT4、dIIBT4,分别适用于煤矿井下固定式设备或工厂IIA、IIB级,温度组别为T1—T4组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所;主体外壳防护等级为IP44,也可制成IP%4,接线盒防护等级为IP54;额定频率为50Hz,额定电压为380、1660、1140、380/660、660/140V;电机绝缘等级为F级,但按B级考核定子绕组的温升,具有较大的温升裕度。
低压隔爆型三相异步电机派生系列的主要型号有:
YB系列(dIIcT4)(机座中心高为80—315mm),YBSO系列(小功率,机座中心高为63—90mm),YBF系列(风机用,机座中心高为63—160mm),YB—H系列(船用,机座中心高为80~280mm),YB系列(中型,机座中心高为355—450mm),YBK系列(煤矿用,机座中心高为100—315mm),YB—W、B—TH、YB—WTH系列(机座中心高为80—315mm),YBDF—WF系列(户外防腐隔爆型电动阀门用,机座中心高为80—315mm)及YBDC系列(隔爆型电容起动单相异步电机,机座中心高为71—100mm)和YBZS系列起重用隔爆型双速三相异步电机。
另外,还有YB系列高压隔爆型三相异步电机(机座中心高为355~450mm,560—710mm)。
行业联合设计的YB2系列已于1四年底通过了全国鉴定,将逐步取代YB系列,成为我国隔爆型三相异步电机的基本系列。
YB2系列共15个机座号(机座中心高为63、355nmm),功率范围为O.12—315kW。
1.2.2.增安型电机它是在正常运行条件下不会产生电弧、火花或危险高温的电机结构上,再采取一些机械、电气和热的保护措施,使之进一步避免在正常或认可的过载条件下出现电弧、火花或高温的危险,从而确保其防爆安全性。
我国当前应用的低压增安型的基本系列是YA系列增安型三相异步电动机,它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。
防爆性能符合GB3836.1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836.3—83《爆炸性环境用防爆电气设备增安型电气设备“e”》的规定;功率范围为O.55~90kW,相对应的机座中心高为80—280mm;防爆标志为eIITl、eIIT2、eIIT3,分别适用于工厂中具有温度组别为Tl—T3组爆炸性混合物并具有轻微腐蚀介质的场所;主体外壳的防护等级为IP54,接线盒防护等级为IP55;额定频率为50Hz,额定电压为380V;电机采用F级绝缘。
低压增安型电机派生系列的主要型号有:
YASO系列小功率增安型三相异步电机(机座中心高为56—90mm),YA—W、YA—WFl系列户外、户内防腐增安型三相异步电机(机座中心高为80—280mm)。
目前,已完成YA2、系列的行业联合设计工作,并正在组织试制,以取代YA系列。
YA2全系列共15个机座号(机座中心高为63—355mm),功率范围为0.12—400kW,将使我国增安型电机达到国际上同类产品20世纪80年代先进水平。
高压(6kV)增安型三相异步电机系列有:
YA355—450,功率160—450kW;YA560—900,功率500—1800kW;YAm355—630水冷,功率220—2500kw;YAKK355~630空—空冷,功率185—2000kW。
1999年试制生产的TAKW4000—20/2600、4000kW增安型无刷励磁同步电机,是适应炼油厂石油深加工加氢装置需要而发展的新型防爆电机。
其特点是:
(1)满足增安型防爆电机的要求,采取一系列可靠的防止火花、电弧和危险高温的措施,可以安全运行于2区爆炸危险场所。
(2)采用无刷励磁,设置旋转整流盘和静态励磁柜,励磁控制系统可靠;顺极性转差投励准确,无冲击;励磁系统失步保护可靠,再整步能力强;线路设计合理,放电电阻在工作中不发热;励磁电流调节范围宽。
(3)同步机、交流励磁机及旋转整流盘同轴。
整流盘位于主电机和励磁机之间,或置于轴承座之外。
(4)外壳防护等级为IP54。
(5)采用F级绝缘,温升按B级考核。
(6)改变传统的下水冷为上水冷,即水冷却器置于电机上部。
(7)设增安型防潮加热器,固定在电机底部的罩内,用于停机时加热防潮用。
(8)选优质原材料,电气及机械计算留有较大裕度,能满足运行可靠性和增安型电机的温度要求。
(9)设置有完善的监控措施;主接线盒内设置用于差动保护的增安型自平衡电流互感器;定子绕组埋设工作和备用的铂热电阻,分度号为Pt100;设漏水监控仪,监控水冷却器的泄漏;两端座式滑动轴承分别设现场温度显示仪表和远传信号端子。
1.2.3.正压型电机是正压型电气设备的一种。
其结构特点是:
(1)配置有一套完整的通风系统,电机内部不存在可能影响通风的结构死角。
(2)外壳和管道由不燃材料制成,并具有足够的机械强度。
(3)外壳及主管道内相对于外界大气保持足够大的正压。
(4)电机须有安全保护装置(如时间继电器和流量监测器),以保证足够的换气量,还必须有壳内气压欠压的自动保护或报警装置。
(5)外壳上的快开门或盖须有与电源联锁的装置。
我国目前尚无统一的正压型电机系列产品。
1.2.4无火花型电机:
是指在正常运行条件下,不会点燃周围爆炸性混合物,且一般又不会发生点燃故障的电机。
与增安型电机相比,除对绝缘介电强度试验电压、绕组温升、te(在最高环境温度下达到额定运行最终温度后的交流绕组,从开始通过起动电流时计起至上升到极限温度的时间)以及起动电流比不像增安型那样有特殊规定外,其他方面与增安型电机的设计要求一样。
无火花型电机符合GB3836.1—83和GB3836.8—87《爆炸性环境用防爆电气设备无火花型电气设备“n”》的规定。
设计上注重电机的密封措施,主体外壳防护等级为IP54、IP55,接线盒为IP55。
额定电压在660V以上的电机,其空间加热器或其他辅助装置的连接件应置于单独的接线盒内。
目前,国内已研制、生产了YW系列无火花型电机产品(机座中心高度为80~315mm)。
防爆标志为nIIT3,适用于工厂含有温度组别为T1—T3组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的2区场所。
额定频率为50Hz,额定电压为380、660、380/660V,电机采用F绝缘,但按B级考核定子绕组的温升限值,具有较大的温升裕度及较高的安全可靠性,功率为0.55~200kW。
1.2.5.粉尘防爆电机:
指其外壳按规定条件设计制造,能阻止粉尘进入电机外壳内或虽不能完全阻止粉尘进入,但其进入量不妨碍电机安全技术运行,且内部粉尘的堆积不易产生点燃危险,使用时也不会引起周围爆炸性粉尘混合物爆炸的电机。
其特点是:
(1)外壳具有较高的密封性,以减少或阻止粉尘进入外壳内,即使进入,其进入量也不致于形成点燃危险。
(2)控制外壳最高表面允许温度不超过规定的温度组别。
目前,已用于国家粮食储备库的机械化设备上。
粉尘防爆电气设备的国家标准为GBl2476.1—90《爆炸性粉尘环境用防爆电气设备》。
发展趋势
1.2.6.矿用防爆电机
(1)发展大功率电机:
目前世界上采煤机的最大装机容量已超过1200kw,其驱动电机功率达600kW;相适应的采区工作面刮板输送机的最大装机容量已超过1500kW,其驱动电机功率已达725kW。
国内目前的采煤机驱动电机最大功率是400kW,刮板输送机驱动电机最大功率是315kW。
(2)发展3.3kV、6kV和IOkV级电压的矿用电机:
这是因为普及综合机械化采煤机组后采区走向加长,导致电压降增大,同时大功率电机的使用也要求提高电压等级。
(3)发展矿用双速电机:
为了适应煤矿输送机低速起动和高速运行的工作需要,国外矿用刮板输送机都是采用双速电机驱动的。
但目前国产矿用双速电机的功率范围、性能指标及配套控制开关的性能等与国外先进水平相比均有一定差距。
(4)提高矿用电机的可靠性:
矿用防爆电机的工况条件较差,电机频繁大负荷起动、负荷变化大、电压波动大、环境温度高且有一定的腐蚀性等,这些都影响电机的使用可靠性和寿命。
(5)加快矿用防爆电机的更新换代。
(6)统一矿用防爆电机的标准。
1.2.7.石化系统用防爆电机
(1)增安型和无火花型电机的需求将呈上升趋势。
石化系统的用户在使用实践中;已认识到发展我国增安型和无火花型电机的必要性。
此外,大量20世纪70年代弓[进装置中配套的增安型、无火花型电机目前已到了采用合适的国产品替代的时候。
(2)防爆电机的可靠性已越来越被石化系统用户关注。
石化企业发展日趋装置大型化、运行连续化,要求系统运行实现长周期、免维修或少维修。
因此,防爆电机就成为保证上述要求的关键设备。
(3)防爆和高效变频调速电机已成为石化用户迫切要求开发的节能产品。
近年已系列生产了YBx、YAX防爆高效电机,投入市场后很受用户欢迎。
防爆电机节能有两方面工作:
一是研制高效率防爆电机产品,二是大量开发各种防爆调速电机的专用产品,尤其是将具有巨大节能潜力的风机、泵和压缩机配套的电机设计为调速电机。
(4)沿海石化企业的发展带来的新要求。
我国沿海一带将建一批炼油厂,原油均需进口,而进口原油含硫量高、腐蚀性严重,因而要求防爆电机提高防腐性能;另外进口原油均需海运,其储油罐就需要配套高扬程大流量油泵的防爆电机。
(5)我国西部石油工业的大发展,要求开发适于沙漠干热环境的防爆电机产品。
加氢装置配套用的中大容量的增安型无刷励磁同步电机的市场需要将逐年增长。
2本次设计电机电气性能方面
2.1电机电负荷的选择
因为该电机为应用在I类环境,即为煤矿用电机,其电机表面的温度在可能堆积粉尘时,允许最高温度不超过150℃。
该电机为机壳水冷结构,因此在进行电磁计算时选择合理的发热因数和磁负荷,使其在最恶劣环境下工作时电机温度不超过限值,经型式试验其实际温升为72.9K,机壳温度为32.0℃,保证有足够的安全裕量。
目前,H级3kV及以下电机在国内已稳定地批量生产,其绝缘结构按电压等级可分为两类:
一是千伏级低压散绕或成型类;二是3kV级成型类。
前者使用的绝缘材料主要是:
散绕类线圈用聚酯亚胺漆包线(QZY-1/180或QZY-2/180)或聚酯严胺/聚酰胺亚胺复合漆包线(QZY/XY-1/200或QZY/XY-2/200),成型类线圈用烧结线MYFB-25/180或MYFB-30/180或SBMYFB-30/180,一般地,导线绝缘即匝间绝缘,对地绝缘(主绝缘)一般均采用NHN;后者使用的绝缘材料主要有:
线圈所用的导线绝缘即匝间绝缘,使用的电磁线为烧结线SBMYFB-40/180或SBMYFB-30/180对地绝缘用有机硅玻璃布补强粉云母带或环氧二苯醚玻璃补强粉云母带,采取模压工艺。
上述两类绝缘结构的电机绕组浸烘均需H级浸渍漆进行绝缘处理。
2.2绕组绝缘的选择
隔爆电动机的工作环境中的相对湿度往往较高,有时还含有腐蚀性气体,容易损坏绕组绝缘,故该电机绕组的绝缘结构采用了特殊的绝缘工艺处理,进行真空压力浸漆时提高了真空度,从而提高防爆的可靠性并保证绕组寿命。
2.3温度传感器的安装
通过在绕组上安装温度传感器,在电机出现堵转等故障或严重过载时进行预警,保护电机的同时可避免出现爆炸事故。
3在隔爆性能设计方面
隔爆型是电机的一种防爆型式,其外壳能够承受住通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物的内部爆炸而不损坏,并且不会引起外部由一种或多种可燃性气体或蒸气形成的爆炸性环境的点燃。
其主要靠电机隔爆接合面的长度、间隙、粗糙度,即隔爆接合面的三要素,来保证电机的防爆性能。
按JB/T50132—1999《中型高压电机定子线圈成品产品质量分等》标准,对于3kV级定子线圈不予考虑介损指标,而对6kV及以上电压等级的三相异步电机进行介损指标考核。
当3kV级定子线圈采用有机硅玻璃布补强粉云母带或环氧二苯醚玻璃布补强粉云母带作为主绝缘时,由于不考虑介损指标,其他电气性能全部合格。
事实上:
有机硅玻璃布补强粉云母带或环氧二苯醚玻璃布补强粉云母带,在热压固化时的化学反应是缩聚反应,在形成高分子物同时析出一些低分子副产物,这些低分子副产物有一部分夹在已固化的绝缘层内,严重影响6kV及以上电压等级的定子线圈的常态和热态介损。
理论分析和试验均已证明:
采用有机硅玻璃布补强粉云母带或环氧二苯醚玻璃布补强粉云母带,作为6kV及以上电压等级的定子线圈主绝缘时,热态介损测量值(2013%~2413%)比JB/T50132—1999《中型高压电机定子线圈成品产品质量分等》标准规定值(≤10%)高出许多。
从隔爆方面来说,其基本要求具有以下几点:
3.1接线盒结构
为了防止接线端子间产生飞弧和沿绝缘体表面产生严重爬电,接线端子间、端子与外壳间的最小电气间隙和沿表面的最小漏电距离应符合《防爆规程》的规定;接线盒的材料应选用漏电性和耐电弧性较好的塑料压制,或在接线盒内涂刷耐电弧绝缘漆。
3.2电缆引入口
在电缆引入口须有弹性密封圈紧包电缆周围,使电缆引入口具有良好的密封性和隔爆性。
3.3电机外壳接地
为防止外壳带电,对地产生火花,外壳须按照《防爆规程》的要求进行可靠接地。
3.4隔爆电动机的外壳结构
隔爆电动机的外壳结构具有足够的机械强度,能承受内部爆炸所产生的巨大压力而不致破损,同时电动机外壳零件相连接的地方都制成有一定间隙、长度和表面粗糙度的隔爆面,当内部发生爆炸而泄出的火焰和灼热气体通过这些狭小光洁的缝隙后,不致点燃存在于隔爆外壳外部的爆炸性混合物。
该电机在进行隔爆设计时采用了三种隔爆结构,均符合GB3836的要求:
3.4.1止口隔爆
图1止口隔爆示意图
在机座与端盖的配合、接线盒与接线端子的配合中采用了此种结构。
机座与端盖的配合采用二台阶的隔爆结构,如图1所示,A面为隔爆面,与机座配合时最大隔爆间隙为0.136mm,最小隔爆间隙为0.022mm,隔爆长度20mm;B面为安装配合面,以保证装配精度。
对于6kV电机,为了减少线圈绝缘制造工序,一般导线绝缘即匝间绝缘。
我们与电磁线厂联系,为我们研制了SBMYFB-40/180、SBMYFEB-50/180两种H级绝缘的电磁线,通过改变电磁线的绝缘结构和加工工艺,两种电磁线的各项电气性能指标优于传统的双玻丝包薄膜绕包扁铜线SBEMB-50/155,特别是弯曲后击穿电压(与双玻丝薄膜绕包扁铜线相比)能提高20%左右,电磁线的4ɑ、4b弯曲后击穿电压≥515kV,大大提高了电机匝间绝缘的可靠性。
3.4.2平面隔爆
在接线盒与接线盒盖等的配合中采用了此种结构,隔爆长度最小为15.5mm,表面粗糙度Ra为3.2μm。
3.4.3圆筒隔爆
在封环与转轴的配合中采用了此种结构,隔爆长度大于25mm,单边最大间隙小于0.5mm,单边最小间隙大于等于0.075mm。
4产品图纸设计方面
4.1防爆标志
铭牌上除必须标明防爆类型,还应在产品的明显部位设有相应的、清晰的凸纹标志。
该电机为I类环境隔爆,标识为“ExdI”。
4.2技术要求
在涉及隔爆面的零件图中均需注明“隔爆面”、严禁磕碰隔爆面、在隔爆面上涂抹防锈油等,防止因损伤、锈蚀隔爆面而产生传爆。
在涉及隔爆接合面的组件图中均需注明“隔爆接合面”。
4.3水压试验
在涉及隔爆面的部件图中,需规定进行水压试验,压力1MPa,维持1分钟,以不连续滴水(每间隔大于10s滴水1滴即视为不连续滴水)为合格。
4.4坚固零件
隔爆接合面的紧固零件(如螺栓和螺母)须有防松装置。
紧固螺栓不允许穿透外壳,螺栓间相隔距离不应太大,防止隔爆接合面在爆炸压力下变形而失去作用。
根据经验,外壳紧固螺栓的设计可参考以下数据:
螺栓间距,对于I类隔爆等级的平面结构一般不大于120mm,止口结构一般不大于140mm。
螺栓个数,对平面结构一般不少于4个,止口结构不少于3个。
5技术文件设计方面
防爆电机技术文件的设计主要包括产品标准和使用说明书两种,其中以产品标准最为重要。
产品标准应能够直接指
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