Opublikowano: 14.01.2024

Poprawiono: 19.03.2025

Zabezpieczanie silników o budowie Ex eb

 

Streszczenie

Publikacja dotyczy zabezpieczania silników indukcyjnych o budowie przeciwwybuchowej „Ex eb”, pracujących w sposób ciągły przy stałym obciążeniu (praca S1) za pomocą wyłączników silnikowych lub przekaźników cieplnych. Oznaczenie „eb”  zastąpiło używane wcześniej oznaczenie „e”.

 

W silnikach o budowie wzmocnionej „Ex eb” przeznaczonych do używania w atmosferach wybuchowych ochrona w czasie normalnej pracy i w czasie uszkodzeń polega na obniżeniu możliwości powstania: nadmiernego nagrzewania, iskrzenia i nagromadzenia ładunków elektrostatycznych.
W przypadku silników o budowie Ex eb, temperatura dopuszczalna nie może być przekroczona w czasie rozruchu i normalnej pracy oraz w przypadku awarii, np. utknięcia wirnika.
Z tego względu silniki muszą być poprawnie zabezpieczone przed przeciążeniem, a ich rozruch musi być monitorowany.
Urządzeniem zabezpieczającym przed przeciążeniem może być:

• urządzenie o działaniu zależnym od prądu, monitorujące wszystkie fazy zasilania, zgodne z normą PN-EN 60947-4-1;
• urządzenie do bezpośredniej kontroli temperatury uzwojenia;
• inne równoważne urządzenie.

Istotnym elementem decydującym o bezpieczeństwie silników o budowie wzmocnionej są urządzenia zabezpieczające zamontowane poza przestrzeniami zagrożonymi wybuchem. Takimi urządzeniami zabezpieczającymi silniki „Ex eb” są przeważnie wyłączniki silnikowe lub przekaźniki cieplne. Urządzenia zabezpieczające, które są montowane poza przestrzeniami zagrożonymi wybuchem, ze względu na wpływ na bezpieczeństwo w przestrzeniach zagrożonych, również podlegają Dyrektywie ATEX:
„Urządzenia zabezpieczające, urządzenia sterujące i urządzenia regulacyjne przeznaczone do użytku poza przestrzeniami zagrożonymi wybuchem, ale które są wymagane do bezpiecznego funkcjonowania urządzeń i systemów ochronnych lub mają wpływ na ich bezpieczne funkcjonowanie w odniesieniu do ryzyka wybuchu, są również objęte zakresem dyrektywy” [3].

W oznaczeniach tych urządzeń zabezpieczających stosuje się nawiasy w oznaczeniach kategorii, przykładowo urządzenie oznaczone II (2) GD jest przeznaczone do silników o kategorii 2, eksploatowanych w gazowych lub pyłowych atmosferach wybuchowych w strefach 1 lub 21.

 

 Fotografia 1. Wyłącznik silnikowy f-my SIEMENS

 

Zabezpieczenie nadprądowe „w stanie zimnym” powinno zadziałać przed upływem największego dopuszczalnego czasu rozruchu tE, przy uwzględnieniu stosunku prądu rozruchowego początkowego do prądu znamionowego IA/IN.

 

Rysunek 4. Zależność pomiędzy czasem pracy silnika, a temperaturą uzwojeń z uwzględnieniem czasu tE.
1 – krzywa nagrzewania w czasie normalnej pracy, 2 – krzywa nagrzewania w przypadku zablokowania wirnika, A – temperatura początkowa (otoczenia),
B – temperatura ustalona, C – temperatura dopuszczalna

 

Czas tE jest ustalany dla każdego typu silnika, w taki sposób aby nie można było przekroczyć maksymalnej dopuszczalnej temperatury. Maksymalne temperatury, które nie mogą zostać przekroczone, są podzielone na klasy temperaturowe i oznaczone: T1 (450 ºC), T2 (300 ºC), T3 (200  ºC) T4 (135  ºC).

 

Rysunek 2. Krzywa najmniejszych dopuszczalnych czasów nagrzewania (tE)

 

 

Czas tE nie może być mniejszy niż 7 s, w przypadku silników niskiego napięcia lub 5 s w przypadku silników wysokiego napięcia. Stosunek IA/IN nie może być większy niż 10. Wartości IA/IN i tE są podane na tabliczkach znamionowych silników o budowie wzmocnionej.

 

Fotografia 2. Tabliczka znamionowa silnika ExSh 80-2B f-my BESEL S.A o budowie przeciwwybuchowej Ex eb

 

Silnik, którego tabliczka znamionowa została przedstawiona na Fotografii 2 ma czas tE = 8s i stosunek prądów IA/IN = 5,25. Stosunkowo krótki czas tE = (8s), może powodować problemy z doborem właściwego wyłącznika silnikowego lub przekaźnika cieplnego i dlatego bardziej odpowiednim zabezpieczeniem może okazać się przekaźnik do bezpośredniego pomiaru temperatury uzwojeń – silnik jest wyposażony w termistor(y) PTC-120. W przypadku stosowania wyłącznika silnikowego lub przekaźnika cieplnego, odpowiednie przy krótkich czasach tE mogą być urządzenia o klasie wyzwalania 5 lub 10.

Wyzwalacz cieplny urządzenia zabezpieczającego powinien być nastawiony na prąd znamionowy silnika IN [1] i dobrany tak, aby dla stosunku prądów IA/IN chronionego silnika, czas wyłączenia nie przekraczał podanego czasu tE. Maksymalna dopuszczalna tolerancja dla czasu tE wynosi + 20 %.

 

Rysunek 3. Charakterystyka wyłącznika silnikowego z zaznaczonym prądem IA i czasem tE [9]

 

Czas bezpośredniego rozruchu powinien być krótszy niż czas tE, tak aby nie powodować zbędnego zadziałania urządzenia zabezpieczającego.

 

Rysunek 4. Zależność pomiędzy czasem pracy silnika, a temperaturą uzwojeń z uwzględnieniem czasu tE.
1 – krzywa nagrzewania w czasie normalnej pracy, 2 – krzywa nagrzewania w przypadku zablokowania wirnika, A – temperatura początkowa (otoczenia),
B – temperatura ustalona, C – temperatura dopuszczalna

 

Nadmierne nagrzewanie silników trójfazowych może być również spowodowane utratą jednej z faz zasilania i dlatego obecność faz powinna być monitorowana. Dotyczy to szczególnie silników z uzwojeniami skojarzonymi w trójkąt, w których uszkodzenie może pozostać nie wykryte przez długi czas, zwłaszcza jeżeli wystąpi w czasie pracy silnika. Silniki trójfazowe niewielkiej mocy z uzwojeniami skojarzonymi w trójkąt, mogą się uruchamiać pomimo braku jednej z faz.

 

Rysunek 5. Miejsce włączenia przekaźnika cieplnego w obwód silnika Ex eb w przypadku zastosowania rozruchu gwiazda-trójkąt

 

 

W przypadku zastosowania rozruchu gwiazda-trójkąt przekaźnik cieplny włącza się w obwód silnika w miejscu pokazanym na Rysunku 5. Prąd przekaźnika powinien być ustawiony na wartość prądu fazowego If = In/1,73. Takie umiejscowienie zabezpieczenia przeciążeniowego chroni uzwojenie silnika w przypadku w którym nie nastąpi przełączenie w trójkąt oraz zwiększa czułość na zanik fazy.

W przypadku zastosowania przekształtników takich jak pośrednie przemienniki częstotliwości, przekształtniki łącznie z silnikami podlegają ocenie producentów. W przypadku eksploatacji przekształtników i silników bez takiej oceny, należy zastosować inne skuteczne zabezpieczenie np. bezpośredni pomiar temperatury uzwojeń.

Montaż instalacji i dobór urządzeń powinien być wykonany przez osoby wykwalifikowane, zgodnie z normą PN-EN 60079-14. Dokumentacje dotyczące doboru, łącznie z charakterystykami urządzeń zabezpieczających powinny być przechowywane łącznie z dokumentacją eksploatacyjną.
Okresowe kontrole stanu technicznego powinny obejmować m.in. sprawdzenie zgodności urządzeń z dokumentacją i sprawdzenie nastaw zabezpieczeń. Kontrole wykonuje się zgodnie z normą PN-EN 60079-17, a remonty i naprawy zgodnie z normą PN-EN 60079-19.

Dla silników, w których naprawiano uzwojenie obniża się czas tE o 75% zgodnie z wymaganiami normy na remonty urządzeń eksploatowanych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem PN-EN 60079-19. Silniki remontowane oznacza się zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 60079-19. Czasu tE nie zmienia się, jeżeli uzwojenie jest naprawiane zgodnie z zaleceniami producenta silnika.

Jeżeli w trakcie eksploatacji podjęto decyzję o przeprowadzeniu próby zadziałania urządzenia zabezpieczającego, to taką próbę w miejscu eksploatacji można przeprowadzić wyłącznie po wykluczeniu możliwości spowodowania wybuchu. Silniki o niewielkiej mocy można sprawdzać w warunkach znamionowych przy zablokowanym wirniku.
W przypadku większych silników badanie można przeprowadzić przez obciążenie obwodu z badanym wyłącznikiem silnikowym lub przekaźnikiem cieplnym prądem o odpowiedniej wartości lub przez zablokowanie wirnika. Czas badania nie może przekraczać 1,5 tE, ze względu na możliwość uszkodzenia uzwojeń.

 

 

1. PN-EN 60079-14:2014-06 Atmosfery wybuchowe -- Część 14: Projektowanie, dobór i montaż instalacji elektrycznych
2. PN-EN 60079-17:2015-05 Atmosfery wybuchowe -- Część 17: Kontrola i konserwacja instalacji elektrycznych
3. M. Świerżewski Urządzenia elektryczne w przestrzeniach  zagrożonych wybuchem
4. H. Greiner Explosion protected electric motors. Selection, adjustment and testing of current-dependent overload protective devices (Ex Magazine 2007)
5. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 6 czerwca 2016 r. w sprawie wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej
6. DYREKTYWA 94/9/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 23 marca 1994 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich dotyczących urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem
7. Dyrektywa ATEX 2014/34/UE
8. “ATEX GUIDELINES” 4TH EDITION – September 2012 Update December 2013
9. Katalog firmy ETI - 04_ETICON_PL_2022_2023