Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Asynchronní motory v prostředí s nebezpečím výbuchu

Elektro 7-8/2000

Ing. Vojtěch Kulda, CSc., ELCOM a. s.

Asynchronní motory v prostředí s nebezpečím výbuchu

1. Úvod

Prostředí s nebezpečím výbuchu klade zvýšené požadavky na vlastnosti asynchronních motorů. Jejich smyslem je vyrobit motor tak, aby se nemohl stát potenciálním zdrojem výbuchu a požáru. Podle způsobu, jakým je splnění těchto požadavků dosaženo, se rozlišují různá konstrukční provedení asynchronních motorů, která jsou založena na různých principech ochrany před nebezpečím výbuchu. Ne každý zvolený princip ochrany, a tím provedení motoru, je vhodný do každého prostředí. Musí být rozlišeno, zda jde o plynné nebo prašné prostředí s nebezpečím výbuchu. Prostředí, do kterého je motor určen, je zakódováno v označení každého výrobku pro prostředí s nebezpečím výbuchu.

2. Klasifikace zařízení

2.1 Skupina zařízení I. Kategorie M1
Do této kategorie jsou zařazena zařízení, která jsou konstruována a v případě nutnosti doplňkově vybavena speciálními ochrannými prostředky tak, aby zařízení byla schopna provozu v souladu s provozními parametry stanovenými výrobcem a aby zajišťovala velmi vysokou úroveň ochrany. Zařízení této kategorie jsou určena pro použití v podzemních částech dolů a v povrchových instalacích částí těchto dolů, které jsou ohroženy metanem nebo hořlavým prachem. Zařízení této kategorie musí splňovat požadavek, aby zůstala funkční i při výjimečných událostech ve vztahu k zařízení v přítomnosti výbušné atmosféry a aby se vyznačovala takovými prostředky ochrany proti výbuchu, že:

a) při poruše jednoho z použitých prostředků je zajištěna dostatečná úroveň bezpečnosti alespoň ještě jedním dalším nezávislým prostředkem ochrany,

b) při vzniku dvou vzájemně nezávislých poruch je zajištěna dostatečná úroveň bezpečnosti.

2.2 Skupina zařízení I. Kategorie M2
Zahrnuje zařízení konstruovaná tak, aby byla schopna provozu podle provozních parametrů stanovených výrobcem a aby zajišťovala vysokou úroveň ochrany. Zařízení této kategorie jsou určena pro použití v podzemních částech dolů a v povrchových instalacích dolů, kde je pravděpodobnost vzniku ohrožení metanem nebo hořlavým prachem. U těchto zařízení se předpokládá, že při vzniku výbušné atmosféry budou vypnuta. Ochranné prostředky pro zařízení této kategorie zajišťují dostatečnou úroveň ochrany v běžném provozu a také v  těžších provozních podmínkách, jež vznikají zejména hrubým zacházením a změnami okolního prostředí.

2.3 Skupina zařízení II. Kategorie 1
V této kategorii jsou zařazena zařízení, která jsou konstruována tak, aby byla schopna provozu ve shodě s provozními hodnotami stanovenými výrobcem a zajišťovala velmi vysokou úroveň ochrany.

Zařízení této kategorie jsou určena pro použití v prostorech, ve kterých je výbušná atmosféra tvořena plyny, párami, mlhami nebo prachovzdušnou směsí přítomna trvale, po dlouhou dobu, nebo často. Zařízení této kategorie musí zajišťovat dostatečnou úroveň ochrany i při výjimečných událostech ve vztahu k zařízení v přítomnosti výbušné atmosféry. Vyznačují se takovými prostředky ochrany proti výbuchu, že:

a) při poruše jednoho z použitých prostředků je zajištěna dostatečná úroveň bezpečnosti alespoň ještě jedním dalším nezávislým prostředkem ochrany,

b) při vzniku dvou vzájemně nezávislých poruch je zajištěna dostatečná úroveň bezpečnosti.

2.4 Skupina zařízení II. Kategorie 2
Zahrnuje zařízení, která jsou konstruována tak, aby byla schopna provozu ve shodě s provozními parametry stanovenými výrobcem a zajišťovala vysokou úroveň ochrany. Zařízení této kategorie jsou určena pro použití v prostorech, ve kterých je vznik výbušné atmosféry vytvořené plyny, párami, mlhami nebo prachovzdušnou směsí pravděpodobný. Ochranné prostředky pro zařízení této kategorie zajišťují dostatečnou úroveň ochrany i při často vznikajících poruchách nebo selháních zařízení, se kterými je třeba běžně počítat.

2.5 Skupina zařízení II. Kategorie 3
Zahrnuje zařízení, která jsou konstruována tak, aby byla schopna provozu ve shodě s provozními parametry stanovenými výrobcem a aby zajišťovala běžnou úroveň ochrany. Zařízení této kategorie jsou určena pro použití v prostorech, kde není pravděpodobný vznik výbušné atmosféry vytvořené plyny, párami, mlhami nebo prachovzdušnou směsí, a jestliže výbušná atmosféra vznikne, bude přítomna pouze zřídka a pouze po krátké časové období. Konstrukce zařízení této kategorie zajišťuje dostatečnou úroveň bezpečnosti při běžném provozu.

3. Klasifikace prostředí
K tomu, aby nastal výbuch nebo byla zapálena výbušná nebo hořlavá směs, musí být tato směs na konkrétním místě přítomna v nadkritické koncentraci a množství. Iniciačním impulsem může být kterákoliv z mnoha příčin:

  • povrchová část elektrického nebo jiného zařízení s teplotou vyšší než bezpečnou,
  • elektricky nebo mechanicky vyvolané jiskření,
  • rozžhavené části zařízení,
  • plameny nebo horké plyny,
  • elektrostatická elektřina,
  • úder blesku,
  • elektromagnetické pole,
  • ultrazvuk,
  • adiabatická (bez výměny tepla s okolím) komprese,
  • proudící plyny a chemické reakce.

3.1 Prostředí s výbušnou atmosférou vytvořenou plyny, párami nebo mlhami

ZONE 0
Prostředí v prostorech, ve kterých je výbušná atmosféra vytvořena plyny, párami nebo mlhami přítomna trvale, po dlouhou dobu nebo často.

ZONE 1
Prostředí v prostorech, ve kterých je za běžného provozu vznik výbušné atmosféry vytvořené plyny, párami nebo mlhami pravděpodobný.

ZONE 2
Prostředí v prostorech, ve kterých za běžného provozu není pravděpodobný vznik výbušné atmosféry vytvořené plyny, párami nebo mlhami, a pokud výbušná atmosféra vznikne, bude přítomna pouze zřídka a pouze po krátké časové období.

3.2 Prostředí s výbušnou atmosférou vytvořenou prachovzdušnou směsí hořlavého prachu

ZONE 20
Prostředí v prostorech, ve kterých je výbušná atmosféra vytvořená prachovzdušnou směsí hořlavého prachu přítomna trvale, po dlouhou dobu nebo často.

ZONE 21
Prostředí v prostorech, ve kterých za běžného provozu je vznik výbušné atmosféry vytvořené oblakem prachovzdušné směsi hořlavého prachu pravděpodobný.

ZONE 22
Prostředí v prostorech, ve kterých za běžného provozu není pravděpodobný vznik výbušné atmosféry vytvořené oblakem prachovzdušné směsi hořlavého prachu, a pokud výbušná atmosféra vznikne, bude přítomna pouze zřídka, a pouze po krátké časové období.

4. Teplotní třídy

4.1 Skupina zařízení I
Ve skupině zařízení I jsou na rozdíl od skupiny II přípustné pouze dvě teploty:

a) 150 °C – pro místa, na kterých se může usazovat uhelný prach ve vrstvě,

b) 450 °C – pro místa, u nichž je vyloučena možnost usazování vrstvy uhelného prachu (prachotěsně utěsněné prostory).

Tab. 1. Rozdělení teplotních tříd
Teplotní třída Povrchová teplota
T1 450 °C
T2 300 °C
T3 200 °C
T4 135 °C
T5 100 °C
T6 85 °C

4.2 Skupina zařízení II
Pro zařízení skupiny II jsou pro všechny druhy ochran před nebezpečím výbuchu pevně definovány teplotní třídy (tab. 1), které stanovují maximální přípustnou povrchovou teplotu zařízení.

Provozovatel při výběru, resp. projektant při dimenzování zařízení musí nejprve klasifikovat prostředí, a v prostředí s nebezpečím výbuchu vzít ohled:

  • na v ZONE 0 až 2 zápalnou teplotu plynů, par nebo mlh (tab. 2),
  • na v ZONE 20 až 22 zápalnou teplotu prachovzdušné směsi a mezní teplotu pro vznik doutnání usazeného prachu (tab. 3).

Tab. 2. Příklady plynů a jejich zápalných teplot

Sk. Teplotní třídy
T1 T2 T3 T4 T5 T6
  Látka °C Látka °C Látka °C Látka °C Látka °C Látka °C
IIA aceton 540 i-amylacetát 380 benziny 220 až 300 acetaldehyd 140        
etan 515 n-butan 365 nafta 220 až 300            
etylacetát 460 n-butylalkohol 340 topný olej 220 až 300            
etylchlorid 510 cyklohexanon 430                
amoniak 630                    
benzol 555                    
kyselina octová 485                    
oxid uhelnatý 605                    
metan 595                    
metanol 455                    
naftalín 520                    
fenol 595                    
propan 470                    
toluol 535                    
IIB svítiplyn 560 etylakohol 425 sirovodík 270 etyléter 180        
    etylen 425                
    etylenoxid 440                
IIC vodík 560 acetylen 305             sirouhlík 95

Tab. 3. Příklady prachů a jejich zápalných teplot TZ a mezních teplot pro vznik doutnání TD

Skupina prachů Teplotní třídy
T2 T3 T4
Látka TZ TD Látka TZ TD Látka TZ TD
Dřevo, vlákniny       bavlna 560 350      
      celulóza 500 370      
      dřevěný prach, špony 410 310      
      korek 470 300      
      papír 540 300      
      rašelina 360 295      
Potraviny, krmiva kakao 580 460 obilí 370 280      
pšeničná mouka 480 450 krmná směska 520 295      
      sušené mléko 440 340      
      tabák 450 300      
      čaj 510 300      
      prach z řízků cukrovky 460 290      
Uhlí, přírodní látky             hnědé uhlí 380 225
            černé uhlí 550 245
Chemické produkty směs PVC 530 380       kaučuk 450 220
                 
Kovy magnezium 610 410 hliník 530 280 bronz 390 260
zinek 570 440 železo 310 300      
      mangan 330 285      

5. Druhy provedení asynchronních motorů pro ZONE 1 a 2
Zařízení určená do prostředí s nebezpečím výbuchu musí být obecně provedena tak, že za chodu nesmí zapálit žádnou hořlavou směs, resp. iniciovat výbuch. To lze splnit různými způsoby:

a) uzavřením dílů zařízení, které mohou dosáhnout zápalné teploty, resp. iniciovat výbuch do tlakově odolného závěru, který při iniciaci výbuchu uvnitř závěru, resp. zapálení směsi zabrání jejich přenesení mimo prostor přesně definovaný závěrem,

b) konstrukcí a technologickými opatřeními, která vyloučí možnost vzniku zápalné teploty,

c) konstrukcí a technologickými opatřeními, která vyloučí možnost inicializace výbuchu,

d) uzavřením dílů zařízení, které mohou dosáhnout zápalné teploty, resp. iniciovat výbuch do závěru, který bude profukován nekontaminovaným médiem, jež zabrání nahromadění par a plynů a tím dosažení koncentrace, při níž by mohly explodovat, resp. být zapáleny,

e) velikost energie v proudových obvodech je omezena tak, že iniciace výbuchu, resp. dosažení zápalné teploty jsou vyloučeny.

Použité způsoby ochrany lze tam, kde je to smysluplné, kombinovat. To znamená, že na jedné části zařízení lze použít jeden princip ochrany a na druhé části, kde je to výhodnější, použít jiný. Označení principu ochrany na zařízení pak musí obsahovat všechny použité typy způsobů ochrany. Obecné požadavky na zařízení do prostředí s nebezpečím výbuchu definuje ČSN EN 50014. K hlavním obecným požadavkům, vyplývajícím z této normy pro motory určené do prostředí s nebezpečím výbuchu, patří:

  • je-li požadavek na jiný rozsah teploty okolí než standardní –20 °C až +40 °C, musí být za číslem shody certifikátu uvedeno X, a ve speciálních podmínkách použití musí být v certifikátu uveden skutečný teplotní rozsah,
  • ve skříňce svorkovnice musí být v blízkosti ostatních připojovacích svorek umístěna svorka pro připojení uzemňovacího vodiče nebo vodiče pro vzájemné pospojování,
  • je-li ve skříňce svorkovnice připojen ochranný vodič, musí být všechny kovové části kostry s tímto bodem spojeny, aby nemohl vzniknout potenciálový rozdíl,
  • části motorů a oběžná kola ventilátorů ze slitin obsahujících hořčík nesmějí obsahovat víc než 6 % hořčíku,
  • mezera mezi oběžným kolem ventilátoru a krytem ventilátoru nesmí být menší než 1/100 průměru ventilátoru, minimálně však 1 mm,
  • oběžná kola ventilátorů s obvodovou rychlostí nad 50 m/s musí mít izolační odpor menší než 1 GW,
  • díly kostry a kryt ventilátoru musí vydržet bez deformace rázovou zkoušku energií 7 J, aniž by zkouška měla vliv na funkční vlastnosti zvoleného principu ochrany před nebezpečím výbuchu; kryt ventilátoru se nesmí zdeformovat, po zkoušce nesmí zachytávat ventilátor o svůj kryt,
  • předepsané minimální krytí IP54 všech neizolovaných částí pod napětím,
  • předepsané minimální krytí IP44 všech izolovaných částí,
  • vertikální motory s hřídelí směrem dolů musí být vybaveny stříškou zabraňující propadnutí malých těles, mřížkou sání ventilátoru nebo jinou zábranou se stejným účinkem.

Podle zvoleného principu ochrany před nebezpečím výbuchu, přesně definovaného v návaznosti na obecnou normu ČSN EN 50014, konkrétní ČSN EN, se rozlišují různé druhy provedení asynchronních motorů:

  • v pevném provedení – EEx d, ČSN EN 50018
  • v zajištěném závěru – EEx e, ČSN EN 50019
  • s vnitřním přetlakem – EEx p, ČSN EN 50016
  • s ochranou typu n – EEx a, ČSN EN 50021

Obr. 1. Obr. 2.

U asynchronních motorů se z mnoha důvodů se ukázalo výhodné používat u motorů v pevném závěru svorkovnici v zajištěném provedení. Označení takového provedení motoru je pak EEx de. V současné době se pouze 2 % motorů v pevném závěru vyrobí v čistém provedení pevný závěr – EEx d. K nejvýznamnějším provedením motorů patří motory v pevném závěru a v zajištěném provedení. Téměř všechny motory lze vyrobit v pevném závěru, s výjimkou velkých výkonů v megawattové oblasti, kde jejich výroba přestává být z řady důvodů technicky reálná nebo ekonomicky hospodárná. Naopak provedení v přetlakovém závěru je významné v oblasti velkých výkonů, u kterých přes potřebu vyřešit přívod a odvod nekontaminovaného média pro provětrávání často představuje nejefektivnější a často jediné možné řešení. Řešení provětrávání zejména u malých výkonů naopak celou instalaci nadměrně prodražuje. Platí zásada, že se má vždy přijmout takové technické řešení, aby v ZONE 0 nebylo nutné motor použít. Je-li to nevyhnutelně nutné, musí být motor navržen, vyroben a schválen státní zkušebnou pro konkrétní podmínky použití. Výjimkou v tomto směru jsou velké cisternové lodě, pro které se dodávají motory s tzv. dvojitou bezpečností: motor je vyroben v pevném závěru a zároveň splňuje požadavky zajištěného provedení.

5.1 Motory v provedení: pevný závěr

Příklad označení: II 2 G EEx d IIC T4

Oblast použití: Motory v provedení pevný závěr jsou zařízení kategorie 2 a jsou určeny pro použití v ZONE 1 a ZONE 2.

Princip: Všechny části motoru, které mohou dosáhnout zápalné teploty, resp. iniciovat výbuch, jsou uzavřeny do tlakově odolného závěru, který při iniciaci výbuchu, resp. zapálení směsi uvnitř závěru, zabrání jejich přenesení mimo prostor přesně ohraničený závěrem.

Konstrukce a návrh motoru musí samozřejmě splňovat požadavky ČSN EN 60034-1 a norem souvisejících, jako u běžných motorů. Motor je elektricky a tepelně navržen tak, že povrchové části pevného závěru nepřekročí mezní přípustnou teplotu, která odpovídá definované tepelné třídě. Dovolené oteplení vinutí může odpovídat použité izolační třídě. Na rozdíl např. od motorů v zajištěném provedení nemusí být oteplení vinutí žádným způsobem redukováno. Pro ochranu před překročením mezních teplot povrchových částí pevného závěru při přetížení motoru je plně postačující klasická nadproudová ochrana nebo ochrana pomocí termistorů a tepelného relé. Konstrukce a výroba motoru v pevném závěru jsou náročné, zejména u motorů větších výkonů, na dodržení tzv. mezních spár (vzduchových mezer) mezi jednotlivými konstrukčními díly motoru, přes které se výbuch, resp. zapálení směsi uvnitř motoru nesmí přenést do okolního prostředí. Spáry jsou podle explozivních účinků výbušných směsí rozděleny do tří základních skupin: IIA, IIB, IIC. Skupina IIC přitom klade na mezní spáry nejpřísnější požadavky. S tím souvisí skutečnost, že pro motory ve skupině IIC nejsou povolena kluzná ložiska. Maximální velikost spár pro každou skupinu je definována ČSN EN 50018 a závisí na mnoha faktorech (tab. 4).

Tab. 4. Mezní rozměry spár pro skupinu IIC

Druh spáry Délka spáry Šířka spáry podle volného objemu uvnitř pevného závěru
100 cm3 100 až 500 cm3 500 až 2 000 cm3 2 000 cm3
Rovinně válcová spára 12,5 mm 0,15 mm 0,15 mm 0,15 mm
25 mm 0,18 mm 0,18 mm 0,18 mm 0,18 mm
40 mm 0,20 mm 0,20 mm 0,20 mm 0,20 mm
Válcová spára 6 mm 0,10 mm
9,5 mm 0,10 mm 0,10 mm
12,5 mm 0,15 mm 0,15 mm 0,15 mm
25 mm 0,15 mm 0,15 mm 0,15 mm 0,15 mm
40 mm 0,20 mm 0,20 mm 0,20 mm 0,20 mm
Válcové spáry pro ucpávky hřídelí točivých elektrických strojů s valivými ložisky 6 mm 0,15 mm
9,5 mm 0,15 mm 0,15 mm
12,5 mm 0,25 mm 0,25 mm 0,25 mm
25 mm 0,25 mm 0,25 mm 0,25 mm 0,25 mm
40 mm 0,30 mm 0,30 mm 0,30 mm 0,30 mm

Tab. 5. Přípustné oteplení a teplota vinutí motoru v zajištěném provedení

Izolační třída E B F H
Standardní oteplení – EEx d 75 °C 80 °C 105 °C 125 °C
Teplota vinutí při teplotě okolí 40 °C – EEx d 115 °C 120 °C 145 °C 165 °C
Snížené oteplení – EEx e 65 °C 70 °C 90 °C 115 °C
Snížená teplota vinutí – EEx e při teplotě okolí 40 °C 105 °C 110 °C 130 °C 155 °C

Obr. 3.

Vlastnosti pevného závěru jsou předmětem přísných zkoušek. V rámci prototypové zkoušky se vykonává dynamická tlaková zkouška výbuchem, v rámci kusových zkoušek se vykonává statická tlaková zkouška částí pevného závěru a kontrola dodržení mezních spár, odpovídající dané skupině. Podle skupin mezních spár a teplotních tříd by se teoreticky mohlo vyrábět až osmnáct různých provedení motorů v pevném závěru. To nemá ani technický, ani ekonomický význam, protože požadavky na teplotní třídy T1 až T3 povrchu pevného závěru splňuje běžný asynchronní motor z principu standardního konstrukčního řešení. Dosažení spár pro třídu IIB do osové výšky 400 mm nevyžaduje zvláštního výrobního opatření. Proto většina výrobců vyrábí jako standardní provedení EEx de IIB T4. Výjimkou je specializovaný výrobce, firma LOHER AG, která do osové výšky 315 mm vyrábí jako základní provedení EEx de IIC T4. Provedení pro skupinu IIC a vyšší teplotní třídy se dodávají jako nestandardní provedení.

5.2 Motory v zajištěném provedení

Příklad označení: II 2 G EEx e II T3

Oblast použití: Motory v  zajištěném provedení jsou zařízení kategorie 2 a jsou určeny pro použití v ZONE 1 a  ZONE 2.

Princip: Všechny části motoru, které mohou dosáhnout zápalné teploty, resp. iniciovat výbuch, musí být navrženy a konstruovány tak, aby v žádném provozním stavu nemohla vzniknout nepřípustně vysoká teplota a nemohlo nastat jiskření a výboje. Dodatečnými mechanickými, elektrickými a tepelnými opatřeními je zvýšena bezpečnost tak, aby i při poruše byla vyloučena iniciace výbuchu.

Motory v zajištěném provedení se od ostatních provedení a běžných motorů odlišují nadstandardními úpravami, které zvyšují jejich provozní bezpečnost. Tyto úpravy spočívají zejména v:

  • snížení jmenovitého oteplení vinutí podle EN 50019 proti běžným motorům o 10 °C (tab. 5), s čímž koresponduje snížení jmenovitého výkonu motoru. Za běžných provozních podmínek tomu teoreticky odpovídá dvojnásobné prodloužení životnosti vinutí,
  • zvýšené ochraně proti vnikání prachu a vlhkosti, zejména do ložisek a skříňky svorkovnice,
  • použití krytů ventilátorů se zvýšenou pevností,
  • zajištění statorového a rotorového paketu (svazků vinutí) proti pootočení, resp. posunutí,
  • zachování minimální „bezpečné“ velikosti vzduchové mezery mezi statorem a rotorem, jejíž velikost je závislá na průměru rotoru a synchronních otáčkách motoru,
  • použití svorkovnicových skříněk a svorkovnic splňujících zvýšené požadavky na přeskokové vzdálenosti a vznik plazivých proudů,
  • zajištění všech přívodních vodičů ve svorkovnicích proti samovolnému uvolnění,
  • použití izolačních materiálů s vysokou odolností proti plazivým proudům a dvojité impregnace vinutí schválenou impregnační látkou,
  • použití lakovaných vodičů s izolací, se zvýšenou odolností vůči průrazu, o minimálním průřezu 0,25 mm,
  • rotorová klec musí být vyrobena tlakovým litím nebo pájením natvrdo; konstrukcí je třeba zabránit vzniku jiskření mezi tyčemi klece a rotorovým paketem,
  • výrobce musí určit a na štítku motoru vyznačit záběrný proud a oteplovací dobu tE, aby mohla být zvolena vhodná, proudově závislá ochrana proti nedovoleným teplotám,
  • dalších požadavcích – viz ČSN EN 50019.

Motory v zajištěném provedení se mohou použít pouze ve spojení se schváleným typem ochrany proti tepelnému přetížení, která motor chrání proti nepřípustnému oteplení za trvalého chodu i v chodu nakrátko (se zablokovaným rotorem). U motorů s kotvou nakrátko je tento požadavek splněn, není-li doba reakce proudově závislé ochrany delší než oteplovací časová konstanta tE udaná výrobcem motoru pro jeho tepelnou třídu. Minimální hodnoty časových konstant tE pro jednotlivé tepelné třídy jsou předepsané ČSN EN 50019.

5.3 Motory s vnitřním přetlakem

Příklad označení: II 2 G EEx p II T4

Oblast použití: Motory s vnitřním přetlakem jsou zařízení kategorie 2 a jsou určeny pro použití v ZONE 1 a  ZONE 2.

Princip: Všechny části motoru, které mohou dosáhnout zápalné teploty, resp. iniciovat výbuch, jsou uzavřeny do závěru, ve kterém je za chodu zařízení trvale udržováno nekontaminované médium, jež zabraňuje nahromadění par a plynů a dosažení koncentrace, při které by mohla nastat exploze, resp. zapálení.

Rozlišují se dva druhy závěrů s vnitřním přetlakem:

a) s dynamickým přetlakem. Motor je před spuštěním provětrán a v motoru se za chodu udržuje trvale dynamický přetlak, který zabraňuje vytvoření nepřípustné koncentrace kontaminovaného média. Dynamickým přetlakem se rozumí, že do motoru se trvale přivádí velké množství nekontaminovaného média, kterým se motor neustále provětrává a zároveň chladí. Je to způsob, který je náročný na množství provětrávacího média, vyžaduje i vyřešení odvodu média z prostoru motoru.

b) se statickým přetlakem. Motor je před spuštěním provětrán a v motoru se za chodu udržuje trvale statický přetlak, který zabraňuje vytvoření nepřípustné koncentrace kontaminovaného média. Statickým přetlakem se rozumí, že do motoru se za chodu trvale přivádí pouze malé množství nekontaminovaného média, které hradí ztráty způsobené netěsností závěru. Médium neslouží k chlazení motoru.

Z principu tohoto typu ochrany před nebezpečím výbuchu vyplývá, že norma klade především přísné požadavky na zařízení doplňující přetlakový závěr – řídicí jednotku, průtokoměr, tlaková čidla a ovládání přívodu média, místo na konstrukci a vlastnosti motoru.

Základní požadavky na realizaci přetlakového závěru:

  • použité médium nesmí být hořlavé a chemicky agresivní vůči přívodnímu potrubí a částem motoru,
  • přívodní potrubí musí být dimenzováno na 1,5násobek jmenovitého provozního tlaku,
  • pro zajištění ochrany před iniciací výbuchu nebo zapálením – plamenem nebo jiskrou vzniklou v motoru musí motor s připojeným potrubím splňovat požadavky na krytí IP40,
  • u provedení s dynamickým přetlakem se musí médium odvádět do prostor bez nebezpečí výbuchu nebo je třeba instalovat zábrany pro zabránění úniku jisker do prostoru mimo závěr,
  • řídicí jednotka musí před každým startem motor provětrat pětinásobkem volného objemu uvnitř motoru, včetně přívodního a odvodního potrubí,
  • řídicí jednotka musí motor okamžitě odepnout, jestliže tlak média nebo jeho průtok klesnou pod mezní hodnotu,
  • jestliže by vypnutím vznikl nebezpečný provozní stav, smí být vypnutí nahrazeno varovným signálem do nadřazeného systému.

Provedení v přetlakovém závěru se používá hlavně pro velké výkony, zejména pro skupinu IIC, vyšší teplotní třídy a u motorů, u kterých přímo z principu jejich funkce vzniká jiskření (kroužkové asynchronní motory, synchronní motory), u kterých to často je jediné možné řešení.

5.4 Motory s ochranou typu n

Norma rozlišuje zařízení:

  • neobsahující zdroje jisker, výbojů, horké plochy – označení EEx n A,
  • obsahující zdroje jisker, výbojů, horké plochy – označení EEx n C, EEx n R, EEx n L, EEx n P.

Oblast použití: Asynchronní motory s kotvou nakrátko s ochra-nou typu n jsou zařízení kategorie 3 a jsou určeny pouze pro použití v ZONE 2. Nepovažují se za zařízení obsahující zdroje jisker, výbojů a horké plochy – patří proto do skupiny n A. Motory s ochranou typu n se někdy také nazývají „non sparking“.

Příklad označení: II 3 G EEx n A II T4

Princip: Ochranu typu n A lze použít u zařízení, která jsou konstruovaná tak, že při běžném užívání a podle normy stanovených abnormálních provozních stavů je riziko vzniku jisker, výbojů nebo horkých ploch, které by mohly iniciovat výbuch, resp. dosáhnout zápalné teploty, minimální. Zároveň se předpokládá, že za běžného provozu nemůže nastat oddálení nebo oddělení částí zařízení, které jsou částmi elektrického obvodu a jsou pod napětím.

Základní požadavky na vlastnosti ochrany typu n u zařízení pro ZONE 2 jsou u všech modifikací shodné:

  • kryt stroje, ve kterém jsou holé živé části, musí mít minimálně krytí IP54, pro všechny ostatní části se vyžaduje krytí alespoň IP20 (pozn.: tyče a kruhy rotorových klecí se pro účely krytí nepovažují za holé živé části),
  • svorkovnice musí mít vždy vzhledem k vnějšku stroje krytí IP54,
  • přeskokové vzdálenosti musí minimálně dosahovat dvou třetin vzdáleností předepsaných pro ZONE 1,
  • vzdálenosti pro zabránění vzniku plazivých proudů musí minimálně dosahovat poloviny vzdáleností předepsaných pro ZONE 1,
  • hodnota energie pro rázovou zkoušku je asi polovina hodnoty předepsané pro ZONE 1.

Obr. 4.

Další požadavky viz ČSN EN 50021, odst. 10.

5.5 Speciální požadavky na vn motory v provedení EEx e a EEx n A
Na základě vyhodnocení poznatků z havárií vn motorů v provedení EEx e a EEx n A byl učiněn závěr, že nejkritičtějším okamžikem z hlediska ochrany před nebezpečím výbuchu je rozběh vn motoru. Proto vznikla norma ČSN ENV 50269, která zpřísňuje podmínky pro instalaci tohoto druhu vn motorů v podobě dodatečných, zpřísňujících požadavků zvyšujících bezpečnost provozu zejména při startu. Na základě rozboru podmínek instalace a vlastností motoru (tab. 6 a 7) se stanovují tzv. rizikové faktory statoru a rotoru, které musí být nižší nebo rovny mezní hodnotě. Je-li jejich hodnota vyšší, musí být uskutečněny buď dodatečné zkoušky na motoru stanovené normou, nebo musí být vnitřní prostor motoru před startem provětrán za stejných podmínek jako u provětrávaného závěru.

Podmínky stanovení rizikových koeficientů jsou velmi přísné a většina vn motorů požadované meze nesplní. Dodatečné zkoušky předepsané normou vyžadují dobudovat speciální zkušební prostory, které v tuto chvíli nemá žádný z evropských výrobců k dispozici. Zároveň se vede diskuse o účelnosti jejich vybudování, protože náklady na zkoušky by ve většině případů setřely cenový rozdíl mezi těmito motory a motory v pevném závěru. Jestliže motor rozbor rizikových koeficientů nesplní, stojí proto uživatel před rozhodnutím instalovat provětrávací zařízení, resp. použít dražší, ale pro instalaci jednodušší motor v pevném závěru.

6. Asynchronní motory pro ZONE 21 a 22
Prostředí obsahující prachovzdušné směsi jsou proti prostředím s plyny a párami daleko nebezpečnější „délkou působení“ a násobením účinků. Po skončení úniku plynů, resp. par, se postupně zřeďuje jejich koncentrace a snižuje se nebezpečí výbuchu, až do stavu bez nebezpečí v asýbuchu. U prachovzdušných směsí se nebezpečí naopak násobí, protože prach se usazuje a následně vždy vzniká nebezpečí zapálení a doutnání usazeného prachu nebo např. při otřesech jeho opětovné zvíření.

Stejně jako u plynů, existují u prachovzdušných směsí hranice koncentrace, v rámci kterých může nastat výbuch. Minimální koncentrace se pohybuje mezi 20 a 60 g/m3, maximální mezi 2 a 6 kg/m3. Prach o hrubosti větší než 0,4 mm je již nevýbušný. Důležitá je i zápalná teplota prachovzdušné směsi a mezní teplota pro vznik doutnání usazeného prachu. Povrchová teplota horkých ploch, na kterých se prach usazuje, nesmí přestoupit dvě třetiny zápalné teploty prachovzdušné směsi a zároveň musí být o 75 °C nižší než mezní teplota pro vznik doutnání usazené vrstvy prachu. Tato teplota je stanovena pro tloušťku vrstvy do 5 mm. Každá vrstva prachu obecně zhoršuje odvod tepla a působí jako tepelná izolace. Proto s vyšší předpokládanou tloušťkou usazené vrstvy prachu se musí zvětšovat teplotní odstup. Například pro tloušťku 25 mm se doporučuje odstup již 175 °C (obr. 5). Na štítku motorů pro tento typ prostředí musí být povinně uvedena maximální povrchová teplota při teplotě okolí 40 °C.

Obr. 5.

Obecně je rozšířená mylná domněnka, že bez dalších úprav lze použít motor v pevném závěru do ZONE 21, resp. 22. To v žádném případě nelze, protože rozměry spár pevného závěru se pohybují v rozmezí 0,1 až 0,75 mm, ale prachovzdušná směs je tvořena prachem o hrubosti v rozmezí 0,02 až 0,4 mm.

Podle zvoleného principu ochrany před nebezpečím výbuchu, přesně definovaného v návaznosti na obecnou ČSN EN 50014 a na požadavky EN 50281-1-1-2, se rozlišují dva různé druhy provedení asynchronních motorů pro ZONE 21 a 22:

  • s ochranou krytím – EEx tD; EN je ve fázi návrhu,
  • s vnitřním přetlakem – EEx pD; provedení motorů vychází ze zásad EN 50016.

Platí zásada, že se vždy má přijmout takové technické řešení, aby v ZONE 20 nebylo nutné motor použít. Je-li to nevyhnutelně nutné, motor musí být navržen, vyroben a schválen státní zkušebnou pro konkrétní podmínky použití.

6.1 Motory s ochrannou krytím

Principy: Provedení pro ZONE 21 a pro ZONE 22 s vodivým prachem.
Motor je vyroben v prachotěsném provedení v krytí IP65, které zamezuje proniknutí jakémukoliv množství prachu do vnitřních částí motoru.

Příklad označení: II 2 D EEx tD II T4

Obr. 6.

Provedení pro ZONE 22 s nevodivým prachem.
Motor je vyroben v provedení se zvýšenou ochranou proti prachu v krytí IP54, která zamezuje proniknutí prachu do vnitřních částí motoru v množství umožňujícím iniciaci výbuchu, vzniku abnormálního zaprášení a usazování vrstev prachu ve vnitřních částech motoru.

Příklad označení: II 3 D EEx tD II T4

Požadavky na provedení motorů jsou shrnuty v tab. 8. Zároveň musí být splněny obecné zásady pro teplotu povrchu, které jsou uvedeny v kapitole 6.

7. Závěr
V chemickém a petrochemickém průmyslu, ale i v dalších průmyslových odvětvích je množství prostor klasifikovaných jako prostory s nebezpečím výbuchu plynů, par a prachovzdušných směsí. Dlouholeté zkušenosti ukazují, že asynchronní motory mohou v těchto prostorech spolehlivě pracovat, pokud je pro dané prostředí vybrán správný typ ochrany před nebezpečím výbuchu, motoru je věnována náležitá odborná péče a motory opravuje opravna mající k této činnosti oprávnění státní zkušebny.

Více informací o motorech LOHER AG pro prostředí s nebezpečím výbuchu poskytne
Ing. Vojtěch Kulda, CSc., ELCOM a. s. na nové adrese:

BESNET CENTRUM
Novodvorská 994
142 21 Praha 4
tel.: +420 2 44 04 24 67
fax: +420 2 4404 24 58
e-mail: vojtech.kulda@elcom.cz
internet: http://www.elcom.cz

Tab. 6. Hodnocení možnosti vzniku zápalných výbojů ze statorového vinutí. Rizikové faktory iniciace

Vlastnost Hodnota Faktor
Jmenovité napětí > 11 kV 6
> 6,6 kV do 11 kV 4
> 3,3 kV do 6,6 kV 2
> 1 kV do 3,3 kV 1
Četnost spouštění v provozu > 1/h 3
>1/den 2
>1/týden 1
< = 1/týden 0
Doba mezi generálními prohlídkami > 10 let 3
> 5 let do 10 let 2
> 2 roky do 5 let 1
< = 2 roky 0
Krytí IP < IP44 5
IP44 a IP54 2
IP55 1
> IP55 0
Okolní prostředí velmi špinavé nebo mokré 4
průměrné podmínky podle skutečnosti
čisté 0
Maximální hodnota rizikového faktoru: 6

Tab. 7. Hodnocení rizika jiskření na vzduchových mezerách na rotorové kleci. Rizikové faktory iniciace

Vlastnost Hodnota Faktor
Konstrukce klece rotoru vkládaná rotorová klec 2
hliníková, tlakově odlévaná 0
Počet pólů 2 2
4 až 8 1
> 8 0
Jmenovitý výkon > 500 kW na pól 2
> 200 kW do 500 kW na pól 1
< = 200 kW na pól 0
Radiální chladicí kanály v rotoru ano: L < 200 mm 2
ano: L >= 200 mm 1
ne 0
Šikmé drážky ve statoru nebo rotoru ano 2
ne 0
Přesahující části na rotoru shoda 0
neshoda 2
Teplotní třída T1/T2 2
T3 1
T4/T5/T6 0
Maximální hodnota rizikového faktoru: 5

Tab. 8. Požadavky na provedení motorů

Požadavek Kategorie 2 Kategorie 3
  ZONE 21 ZONE 22
Stupeň krytí proti vniku prachu do částí motoru IP6X IP5X
Obsah hořčíku v dílech ze slitin z lehkých kovů < 6 % < 6 %
Tepelné vlastnosti nekovových částí jako u „e“ jako u „n“
Izolační odpor kostry, krytu ventilátoru < 1 GW < 1 GW
Izolační odpor oběžného kola ventilátoru při všech rychlostech < 1 GW < 1 GW
Propojení pro vyrovnání potenciálových rozdílů částí kostry jako u „e“ jako u „n“
Stupeň krytí proti vniku prachu do průchodek IP6X IP5X
Stupeň krytí vnějšího ventilátoru jako u „e“ jako u „e“
Stříška u vertikálního provedení (IM V1) jako u „e“
Upevnění ventilátoru a jeho krytu jako u „e“ jako u „e“ nebo „n“
Vzdálenosti ventilačního systému jako u „e“
Vzdušné vzdálenosti a povrchové cesty jako u „e“ jako u „e“
Literatura:

[1] KÖHLER, M.: Explosiongeschützte Drehstrommotoren nach den Europäischen Normen. 1985.

[2] WEHRING, H.: Explosionsschutz elektrischer Anlagen. 1995.

[3] GREINER, H.: Explosionsschutz bei Drehstrom-Getriebemotoren. 1997.

[4] GREINER, H.: Stand der Normung von Staubexplosionsgeschützten elektrischen Betriebsmitteln. 1998.

[5] LIMBACHER, B. – BERNER, W.: Elektrische Betribsmittel der Zündschutzart „n“ für explosionsgefährdete Bereiche der ZONE 2. 1998.

[6] Handbuch, Stand und künftige Entwicklung des explosiongeschützten elektrischen Antriebs anlässlich „50 Jahre Explosionsschutz“ bei Loher“. 1999.

[7] Nařízení vlády č. 176 Sb. 1997.

[8] ČSN EN 50014:1995 Nevýbušná elektrická zařízení. Všeobecné požadavky.

[9] ČSN EN 50016:1997 Nevýbušná elektrická zařízení. Závěr s vnitřním přetlakem „p“.

[10] ČSN EN 50018:1997 Nevýbušná elektrická zařízení. Pevný závěr „d“.

[11] ČSN EN 50019:1996 Nevýbušná elektrická zařízení. Zajištěné provedení „e“.

[12] ČSN EN 50021:1995 Specifikace pro elektrická zařízení s typem ochrany „n“.

[13] ČSN P ENV 50269:1998 Hodnocení a zkoušení vn elektrických točivých strojů v nevýbušném provedení.