摘要：文章闡述了可燃性粉塵的特點及可燃性粉塵環境粉塵爆炸的危害性，結合國家現行的電氣產品規范的要求，通過一個提取車間內部粉塵爆炸危險區域的電氣設計實例，系統闡述了可燃性粉塵危險環境的分區原則、電氣設備選型、線路短路滅弧保護設計、防雷防靜電設計等，結尾提出不斷利用新技術新產品提高可燃性粉塵危險場所的設計水平的要求。
關鍵詞：可燃性粉塵；電氣設備；高表面溫度；防雷防靜電設計；電氣防火限流式保護器；安科瑞安躍強
1.概述
所謂的可燃性粉塵環境，是指在大氣環境的條件下，粉塵或纖維狀的可燃性物質與空氣的混合物點燃后，燃燒將傳至全部未燃燒混合物的環境。隨著現代工業技術的發展，可燃性粉塵的危險場所在不斷增多，其危害變得不可避免，相應的粉塵爆炸事故也時有發生。1987年3月15日我國哈爾濱亞麻紡織廠發生的特大型亞麻粉塵爆炸事故，造成了巨大的人身傷亡和財產損失。因此，在這可燃性粉塵環境下的電氣設計，不僅要嚴格按照國家設計標準、規范要求，正確選用粉塵防爆電氣設備，還可以結合時下較新技術，采用針對線路電弧保護的新產品，其中電氣防火限流式保護器就是比較合理的線路短路滅弧產品。
2.相關標準和規范
在可燃性粉塵危險環境的電氣設計中，可以參考的國家規范和行業規范有：
(1)《可燃性粉塵環境用電氣設備(第①部分)：用外殼和限制表面溫度保護的電氣設備》(GB 12476.1-2000)第①節：電氣設備的技術要求。
(2)《可燃性粉塵環境用電氣設備(第2部分)：選型和安裝》(GB 12476.2-2010)。
(3)《粉塵防爆安全規程》(GB 15577-2007)。
(4)安全生產行業規范《危險場所電氣防爆安全規范》(AQ 3009-2007)。
(5)設計規范《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》(GB 50058-92)。
經研究可以發現：現行規范GB 12476.1-2000與現行國家設計規范GB 50058-92相比較起來，在電氣設備的型式、外殼的防護類型、粉塵危險區域的劃分、可燃性粉塵引燃溫度分組等多方面有著很多不一致。鑒于目前市場上大部分防爆電氣廠家的產品均按新產品規范GB 12476.1-2000設計、制造和檢驗，并且，在可燃性粉塵危險環境用電氣設備選型及粉塵危險區域劃分等方面上，GB 12476與國際標準IEC 61241、行業標準AQ 3009-2007是一致的，本次設計中電氣設備的選型將按照產品規范GB 12476.1-2000進行。
3.電氣設備選型
根據國家規范GB 12476及行業規范AQ3009-2007第4.2.2.3條，按照可燃性粉塵/空氣混合物出現的頻率和持續時間及粉塵層的厚度，可將可燃性粉塵危險環境分成20區、21區和22區三個區域等級。每個區的特性如下：20區在正常運行過程中可燃性粉塵連續出現或經常出現，其數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物和/或可能形成無法控制和較厚的粉塵層的場所及容器內部。21區為粉塵爆炸危險環境分區，21區在正常運行中，可能出現粉塵數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物但未劃入20區的場所。該區域包括：與充入或排放粉塵點直接相鄰的場所、出現粉塵層和正常操作情況下可能產生可燃濃度的可燃性粉塵與空氣混合物的場所。22區在異常條件下，可燃性粉塵偶爾出現并且只是短時間存在或可燃性粉塵偶爾出現堆積或可能存在粉塵層并且產生可燃性粉塵空氣混合物的場所。如果不能保證排除可燃性粉塵堆積或粉塵層時，則應劃分為21區。
可燃性粉塵環境的分區的程序及舉例可參考GB 12476.3-2007/IEC 61241-10：2004的附錄A或者AQ 3009-2007的附錄C。
對于電氣設計人員來說，選擇合理的粉塵防爆隔爆電器是消滅由電氣設備引起的電火花火源的可靠方法。
Ⅱ類電氣設備的表面溫度可分為T1-T6共6個組別：T1表面溫度450℃，T2表面溫度300℃，T3表面溫度200℃，T4表面溫度135℃，T5表面溫度100℃，T6表面溫度85℃。
目前IEC標準中有關粉塵外殼存在著A、B兩種設計型式，分別代表了歐洲和北美兩種標準體系。雖然這兩種設計型式對于設備的選型/安裝要求不同，但是具有相同的保護水平，是可以通用的。目前國內市場上的防爆電氣廠商大多按照A型設計、制造。
對于A型電氣設備，其高表面溫度應不超過相關粉塵云低點燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當存在粉塵層厚度至5mm時，其表面溫度不應超過相關粉塵層厚度為5mm的點燃溫度減去75K，即Tmax≤T5mm-75K，取兩者的小值。對于B型電氣設備，其表面溫度應不超過相關粉塵云低點燃溫度的2/3，即Tmax≤2/3Tcl。當存在粉塵層厚度至12.5mm時，其高表面溫度不應超過相關粉塵層厚度為12.5mm的低點燃溫度減去25K，即Tmax≤T12.5mm-25K，取兩者的較小值。
綜上所述，我們可以得出，A型電氣設備和B型電氣設備的選型要求在僅存在相關粉塵云的環境中是一致的，兩者只有在粉塵層厚度超過一定數量的時候，選型要求才會有所差別。
具體到設計工程中，本工程中建筑采用全現澆框架結構，生產類別為丙類，耐火等級為①級。建筑面積為10871m2，建筑主體為二層，建筑高度為19.3m。車間工藝主要通過微生物發酵液經過離心噴霧干燥、混合包裝得到恩拉霉素成品。干菌絲氣力輸送設備分別占據了建筑物一、二層的一個房間。根據工藝條件，我們把這兩個房間劃分為可燃性粉塵爆炸危險環境。
依據以上原則，我們可以分析出本次提取車間內部可燃性粉塵危險區域所需要選用電氣設備的防爆等級。由于提取車間內部干菌絲氣力輸送系統只有在異常的條件下，可燃性粉塵才會偶爾出現并且產生可燃性粉塵空氣混合物，因此可以將干菌絲氣力輸送系統所在的房間劃分為粉塵防爆22區。
而干菌絲作為化工飼料，其在高溫時，粉塵云低點燃溫度為130℃。由于電氣設備距離粉塵釋放源有一定的距離，現場又采取了除塵措施，從而可以排除粉塵層堆積厚度達到5mm或12.5mm的情況。
Tmax≤2/3Tcl=86.7℃
可知選擇的可燃性粉塵環境用電氣設備(包括燈具、電機、現場操作柱等)只需要高于以下標準：DIP A22 TA 85℃(或TA，T6)IP6X，即可滿足提取車間可燃性粉塵危險環境的電氣設計要求。
4.防雷設計
依據《建筑物防雷設計規范》(GB 50057-2010)第3.0.3條的第7點：具有2區或22區爆炸危險場所的建筑物，應劃為第②類防雷建筑物。本提取車間的干菌絲氣力輸送系統所占房間應劃分為第②類防雷建筑物部分。
又根據本規范的第4.5.1條第3點，當一、二類防雷建筑物部分的面積之和小于建筑物總面積的30%，且不可能遭直接雷擊時，該建筑物可確定為第三類防雷建筑物。由于可燃性粉塵危險區域面積并未達到提取車間的30%，提取車間可劃分為第三類防雷建筑物，防直擊雷的措施按照第三類防雷建筑物標準進行設計，但對可燃性粉塵危險區域的第②類防雷建筑物部分，防閃電感應和防閃電涌侵入措施，應采取第②類防雷建筑物的保護措施進行 設計。
5.防靜電接地設計
對可燃性粉塵危險環境內可能產生靜電危險的設備和管道，均應采取防靜電接地。所有的金屬設備、裝置外殼、金屬管道、支架、構件、部件等，一般應采用防靜電直接接地；不便或工藝不允許直接接地的，可通過導靜電材料或制品間接接地。
具體設計中，可燃性粉塵危險環境內環形接地干線采用25×4熱鍍鋅扁鋼距地0.3m沿墻或鋼平臺明裝，過門及過道處接地干線則埋地暗敷。連接設備的接地支線采用25×4鍍鋅扁鋼埋地暗敷至設備。
6.線路短路滅弧保護設計
電氣防火限流式保護器專門用于低壓配電線路中短路滅弧保護和過載保護，可以合理克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，當發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，可顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
本工程設計選用了安科瑞ASCP系列的電氣防火限流式保護器，其產品具有功能豐富，型號多樣等特點，具體如下表所示：
本設計中根據不同末端回路的電流規格的不同，共選用了較大額定電流為20A的ASCP200-20D型產品67只，較大額定電流為40A的ASCP200-40D型產品46只，以及較大額定電流為63A的產品35只。
為提高監控的智能化，本設計中將所有限流式保護器通過其自帶的RS485通訊組網后，連接到安科瑞的Acrel-6000/B電氣火災監控主機上，并將主機設置在電工值班室內，實現對所有限流式保護器監測數據的遠程監控。
7.設計中注意點
(1)由于對可燃性粉塵防爆缺乏充分的認識，某些電氣設計工程師不管是氣體爆炸危險場所還是可燃性粉塵危險場所，都選用氣體防爆電氣設備。這種做法是錯誤的，可燃性粉塵危險環境電氣設備與氣體防爆電氣設備的外殼防護要求不同，氣體防爆電氣設備在可燃性粉塵危險場所是沒有作用的，反之亦然。因此，兩者不能互換使用。
(2)可燃性粉塵危險環境電氣設備根據外殼等級可分為防塵型和塵密型，但并不意味著該電氣設備具備了防水的功能，絕大多數的可燃性粉塵危險環境用電氣設備不能阻止水進入其內部，因此不能將這些設備直接安裝在戶外露天場所，也不能用水沖洗其外殼。如果想讓可燃性粉塵危險場所用電氣設備具備以上功能，須在設計中指出設備須滿足IPX5以上的外殼防護等級要求。
(3)電氣防火限流式保護器在設計時應注意其額定電流應與其前級的斷路器的額定電流保持一致。另外，由于其內部采用了固態開關作為開關器件，使用過程中會產生熱量，因此在安裝時應該注意保障其良好的通風散熱條件，不建議安裝在密閉的配電箱內。
8.結語
在實際的設計過程中，要全方面、完善地做好一個可燃性粉塵危險環境工程的設計，需要工藝、通風、建筑等多個協調和配合，每個專業在各自的設計領域內都有相應的設計要求，缺一不可。
同時也要求我們電氣設計人員不斷了解新技術和新產品，針對這種可燃性粉塵危險環境工程的設計，可以嘗試采用短路滅弧產品來減少由于線路老化、絕緣損失等原因造成的線路短路而引起的電弧光，這對于減少現場電氣火災事故具有較好的效果。希望通過設計人員的協同努力，并隨著國家新技術新產品的不斷出現和應用，可燃性粉塵危險環境的設計水平一定能邁上一個新的臺階。
作者介紹：
安躍強，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網供配電。
