Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa

Ćwiczenia laboratoryjne

Instrukcja do ćwiczenia

Autor: dr inż. Sergiusz Boron

Gliwice, wrzesień 2011

Urządzenia elektryczne z osłoną ognioszczelną

-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. 2203 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-

• 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. 5.3.2.1 [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]).

2.2. 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. 8.1.1. [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. 12.3

[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]).

3.3. Elementy mocujące

-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. 11.2 [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. 11.5 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. 3.11 [2]).

3.4. 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. 17.2.1 [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. 18.3 [1]). Aparatura łączeniowa powinna być blokowana przez

zabezpieczenia zwarciowe i ziemnozwarciowe w celu uniemożliwienia wielokrotnego

załączania napięcia do sieci dotkniętej zakłóceniem (p. 18.3 [1]). Drzwi lub pokrywy

mocowane śrubami (ewentualnie gwintowe) powinny być wyposażone w tabliczkę z napisem

„NIE OTWIERAĆ POD NAPIĘCIEM” (p. 17.2.2 [2]).

Nie dopuszcza się aparatury łączeniowej ze stykami zanurzonymi w ciekłym dielektryku

palnym (p. 18.1 [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-

załączania i wyłączania pod obciążeniem, powinny być elektrycznie lub mechanicznie

zblokowane z odpowiednim urządzeniem do wyłączania pod obciążeniem (p. 18.2 [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]).

3.5. 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

Maksymalny prześwit mm

Dla objętości

cm3

V≤100

Dla objętości

cm3

100<V≤500

Dla objętości

cm3

500<V≤2000

Dla objętości

cm3

V>2000

6 0,30 – – –

9,5 0,35 0,35 0,08 –

12,5 0,40 0,40 0,40 0,40

25 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. 5.2.4 [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-

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. 14.2 [1]). Wewnątrz skrzynki zaciskowej, w

pobliżu innych zacisków przyłączeniowych, powinien być umieszczony zacisk

przyłączeniowy przewodu ochronnego (p. 15.1 [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. 15.2 [1]). Zaciski przyłączeniowe

przewodów ochronnych powinny umożliwiać przyłączenie co najmniej jednego przewodu o

przekroju, który podano w tabeli 2 (p. 15.4 [1]).

Zaciski zewnętrzne powinny umożliwić przyłączenie przewodu o przekroju co najmniej

4 mm2

(p. 15.4 [1]).

Tabela 2. Minimalne przekroje przewodów ochronnych

Przekrój przewodów fazowych instalacji, S mm2

Minimalny przekrój odpowiedniego przewodu ochronnego, Sp

mm2

S ≤ 16 S

16 < S ≤ 35 16

S > 35 0,5⋅S

3.7. 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]).

-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.2.3.1 [1]). Wpusty nie powinny mieć ostrych krawędzi,

zdolnych do uszkodzenia kabla lub przewodu (p. A.2.4.1 [1]). Krawędź wejściowa powinna

być zaokrąglona (p. A.2.4.2 [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.

16.4 [1])

3.8. Znakowanie Część główna urządzenia elektrycznego powinna być oznakowana w widocznym miejscu.

Oznakowanie (rys. 4) powinno zawierać (p. 29.1 [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 1.10.2008 r. była zharmonizowana z dyrektywą ATEX,

stanowiła, że wymagane jest oznaczenie EEx, w związku z tym urządzenia

produkowane w latach 2004-2008 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-

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-

• 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 60079-0:2009 Atmosfery wybuchowe – Część 0: Sprzęt – Podstawowe

wymagania (oryg.).

2. PN-EN 60079-1:2010 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. 1169 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. 2203 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 1.03.2007 r., zharmonizowana z dyrektywą ATEX do 1.10.2008 r.)