ГОСТ 31610.0-2019 (IEC 60079-0:2017). Межгосударственный стандарт. Взрывоопасные среды. Часть 0. Оборудование. Общие требования

Приложение H

(справочное)

 

НАПРЯЖЕНИЕ НА КОНЦАХ ВАЛА, ВЫЗЫВАЮЩЕЕ ИСКРЕНИЕ

В ПОДШИПНИКЕ ДВИГАТЕЛЯ ИЛИ НА ШЕЙКЕ.

РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ РАЗРЯДА

 

H.1 Общие требования

 

Потенциальным источником воспламенения для мощных машин и двигателей любого размера с питанием через преобразователь может быть искрение подшипника или вала из-за синфазного напряжения (СФН) или циркулирующих токов вала. Напряжение, наведенное или переданное валу машины, может вызвать ток, величина которого ограничена полным сопротивлением смазочной пленки в подшипнике. Напряжение вала обычно считают напряжением заряженного конденсатора, при этом емкость создается ротором, статором и подшипниками. Когда потенциал вала на смазочной пленке достигает значения напряжения диэлектрического пробоя, происходит разряд. Разряд может вызвать образование ямок в подшипнике. Отказ подшипника может привести к нагреву подшипника.

Соединительное устройство вала, которое подключает вал машины к тому же напряжению, что и раму (корпус) машины рядом с подшипником, может быть установлено внутри и снаружи машины, чтобы способствовать продлению срока службы подшипников в основном за счет закорачивания конденсатора и, таким образом, уменьшения до минимума искрения на подшипнике и продления его срока службы.

Соединительные устройства вала или подшипники, установленные внутри машины или оболочки с видом взрывозащиты "d" или "p", не являются источником воспламенения для окружающей взрывоопасной среды. Соединительные устройства вала или подшипники, установленные внутри или с внешней стороны машины с видом взрывозащиты "e" или с внешней стороны машины с видом взрывозащиты "d" или "p", могут представлять риск воспламенения, который должен быть снижен. В настоящем приложении содержится руководство по оценке возможности применения соединительных устройств вала, если не применяются виды взрывозащиты "d" или "p".

 

H.2 Оценка риска воспламенения с помощью расчета энергии воспламенения

 

Пиковые значения энергии воспламенения могут быть измерены или рассчитаны, если известны некоторые параметры. Затем полученная энергия разряда может быть сравнена с минимальной энергией воспламенения конкретного горючего материала или группы оборудования, как показано в таблице H.1.

Максимальная энергия емкостного разряда в искре E, Дж, может быть рассчитана с помощью следующего уравнения:

 

E = 1/2CU², (H.1)

 

где C - общая емкость ротора и подшипников, в которых возникает напряжение U (Ф);

U - наивысшее возможное пиковое напряжение вала с учетом влияния переходных процессов (В).

Емкость определяют для распределенной площади поверхностей от вращающегося узла до заземленных частей машины. Эти поверхности обычно находятся между ротором и статором и между опорными несущими поверхностями на каждом конце вала. Все значения емкости складывают для получения общего значения емкости, которое используется для расчета максимальной энергии разряда E.

Примечание - Для машин с питанием через преобразователь значение U оценивают с запасом, как равное 10% синфазного напряжения преобразователя. Напряжение вала можно также вывести из эффекта взаимосвязи синфазного режима между емкостью обмотка/ротор и емкостью ротор/корпус.

 

Значение емкости конденсатора C (Ф) может быть определено с помощью соответствующей формулы с учетом геометрических параметров конденсатора. Например, для конденсатора, состоящего из концентрических цилиндров, можно применить любую из приведенных ниже формул:

 

(H.2)

 

где - диэлектрическая проницаемость материала, кроме воздуха, между поверхностями (Ф/м);

l - длина цилиндра, м;

a <*> - внешний диаметр, м;

b <*> - внутренний диаметр, м.

Примечание - Для воздуха диэлектрическая проницаемость равна 8,85·10^-12 Ф/м. Для масла или консистентной смазки диэлектрическая проницаемость составляет от 18·10^-12 до 25·10^-12 Ф/м.

 

--------------------------------

<*> Внутренний диаметр и внешний диаметр частей двигателя, для которого рассчитывают C, например статора, ротора, вала, подшипникового щита, подшипника и т.д. Допускается использовать радиус вместо диаметра, если его будут использовать вместо диаметров для обеих частей.

 

Риск воспламенения эффективно предотвращается, когда определенная максимальная энергия разряда E ниже, чем минимальная энергия воспламенения конкретного горючего материала или значений, указанных в таблице H.1, для соответствующих групп/подгрупп оборудования. Для практической оценки в отдельных случаях следует использовать кривые, приведенные на рисунке H.4.

 

Таблица H.1

 

Максимально допустимая энергия

 

Группа I	Подгруппа IIA	Подгруппа IIB	Подгруппа IIC	Группа III
0,2 мДж	0,2 мДж	0,06 мДж	0,02 мДж	0,2 мДж

 

H.3 Определение напряжения вала для вращающейся машины

 

Выходное напряжение инвертера имеет измеримый компонент синфазного напряжения. Синфазное напряжение индуцирует напряжение вала в машине с питанием через инвертер. В то время как синфазное напряжение стремится в среднем к нулю в течение определенного периода времени, появляющиеся пиковые отклонения представляют интерес.

Необходимо использовать осциллограф и датчик для электрического подключения к вращающемуся валу двигателя с помощью небольшой проводящей щетки. Контрольный контакт датчика заземлен через корпус машины. Скачки напряжения вала и тока, вызванные широтно-импульсным выходом приводов двигателя, могут быть очень малы, часто в микросекундном диапазоне измерения. Это необходимо учитывать при выборе установочных параметров.

 

H.4 Расчет емкости C для вращающейся машины

 

Емкость C зависит от распределенной площади поверхностей от вращающегося узла до заземленных частей двигателя. Изоляция, разделяющая эти металлические части, - это воздух в зазоре между ротором и статором или смазочные материалы, например масло и консистентная смазка, в подшипниках вала.

Значение емкости конденсатора может быть определено с помощью соответствующей формулы с учетом геометрических параметров той части вращающейся машины, которая создает эту емкость.

Для вращающейся машины возможно возникновение емкости между следующими частями:

1) корпусом внутреннего подшипника и валом;

2) корпусом внешнего подшипника и валом;

3) валом и подшипниками для машины с подшипниками скольжения;

4) внутренней и внешней обоймами подшипника, находящимися в контакте с каждым шариком шариковых подшипников;

5) ротором и статором;

6) статором и корпусом.

Необходимо получить от изготовителя подробные геометрические параметры вращающейся машины, чтобы использовать в уравнениях соответствующие размеры.

Каждое значение емкости может быть определено по формуле для цилиндрической части, как показано в уравнении (H.2). Описание подшипника скольжения приведено на рисунке H.1. Зазор между ротором и статором показан на рисунке H.2.

 

 

a - внешний диаметр; b - внутренний диаметр

 

Примечания

1 Подшипник скольжения может быть цилиндрическим (ровный зазор подшипника), или с двумя (эллиптическими), или с четырьмя выступами. Можно уменьшить зазор подшипника на коэффициент несущей способности в зависимости от типа подшипника, как объяснено выше.

2 Поскольку в нормальных условиях работы зазоры подшипника несимметричны и вал не вращается концентрично с подшипником, при расчете емкости, как правило, учитывают меньшие значения зазора вал-подшипник.

3 В подшипниках скольжения часто устанавливают изоляцию между корпусом подшипника и стойкой подшипника, и последовательный монтаж уменьшает общую емкость подшипника. Эту изоляцию обычно учитывают при расчете общей емкости подшипника, за исключением случаев, когда емкость изоляции была шунтирована проводником.

 

Рисунок H.1 - Емкость в зазоре подшипника скольжения

между шейкой и внешним корпусом подшипника

 

 

 

 

a - внешний диаметр; b - внутренний диаметр

 

Рисунок H.2 - Воздушный зазор между статором и ротором

 

Шариковый подшипник показан на рисунке H.3. Для шариковых подшипников общая емкость - это сумма емкостей, рассчитанных для каждой отдельной секции шарикового подшипника. C_b - емкость подшипника Ф, рассчитываемая по формуле

 

(H.3)

 

где N_b - число шариков;

- относительная диэлектрическая проницаемость смазки;

- диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

R_b - радиус шарика подшипника, м;

R_c - радиальный зазор подшипника, м.

 

 

 

 

1 - воздушный зазор; 2 - подшипник; 3 - крышка подшипника

 

Рисунок H.3 - Типичные поверхности, образующие

конденсаторы между валом двигателя и землей

 

H.5 Расчет энергии разряда E для вращающейся машины

 

Все значения емкости, определенные для элементов вращающейся машины, складывают для получения значения общей емкости, которое используют для расчета максимальной энергии разряда E с помощью формулы (H.1).

Рассчитанная минимальная энергия воспламенения должна быть меньше, чем указанная в таблице H.1 для соответствующего газа, чтобы подтвердить возможность применения устройства вал-заземление во взрывоопасной зоне.

 

H.6 Оценка с применением эталонных кривых

 

Для оценки можно использовать рисунок H.4. Как правило, применяют следующую методику:

- определяют условия наиболее неблагоприятного случая для получения напряжения и емкости рассматриваемой вращающейся машины;

- проверяют, что параметры полученной цепи приемлемы в соответствии с эталонными кривыми на рисунке H.4.

Любая точка слева от кривой, где напряжение и емкость для наиболее неблагоприятного случая пересекаются, будет не способна вызвать зажигание материала указанной группы.

Цепь, полученная для целей этой оценки, может быть испытана с помощью искрообразующего механизма, если испытание предпочтительнее оценки.

 

 

Рисунок H.4 - Графики воспламенения при емкостной нагрузке