Chơng VIII:Cơ sở lý thuyết an toàn nổ VIII.1.Khái niệm chung Khi tiếp xúc với tia lửa điện (hồ quang điện) hỗn hợp khí nổ có thể bắt cháy và gây nổ. Sóng nổ sẽ tạo nên áp lực rất lớn trên các vách chắn và vỏ thiết bị điện. Nh đã biết đối với mỗi hỗn hợp khí nổ đều có giới hạn trên và giới hạn dới của hàm lợng khí nổ. Trong khoảng giới hạn đó mới xuất hiện khả năng nổ. Khi giảm hoặc tăng hàm lợng khí nổ ra ngoài giới hạn nói trên thì khả năng nổ sẽ bị loại trừ và chỉ có khả gây cháy. Đối với môi trờng có hàm lợng khí nổ thấp hơn giới hạn dới thì đợc xếp vào loại môi trờng an toàn nổ. Trong các xí nghiệp mỏ hầm lò theo điều kiện an toàn xác suất thì hàm lợng khí CH 4 đạt tới 0,5 ữ 2% tuỳ theo loại luồng gió cần phải cắt điện, đình chỉ công việc và đa ngời ra khỏi khu vực nguy hiểm. Khi xảy ra nổ hỗn hợp khí nổ áp lực của sóng nổ rất lớn làm cho áp suất khí quyển ở tâm nổ có thể đạt tới 10atm. Dới tác dụng của sóng nổ có thể làm bắn ra các chi tiết dẫn điện đang cháy dở hoặc làm cho các ngọn lửa từ tâm phát sinh cháy nhanh chóng lan ra ngoài môi trờng. Khi đó tuỳ theo khả năng thông gió của mỏ mà ngọn lửa cháy cục bộ hoặc lan truyền ra toàn mỏ. Cơ sở của biện pháp an toàn nổ là nhằm giảm áp suất lan truyền của sóng nổ và ngọn lửa để đảm bảo không đủ năng lợng gây cháy và lan truyền trong môi trờng. Mặt khác các biện pháp đó cũng nhằm đảm bảo cho thiết bị khỏi h hỏng khi xảy ra các vụ nổ khí trong lòng của nó. VIII.2.Dùng vỏ phòng nổ để đảm bảo an toàn nổ Đối với đại bộ phận các mạch điện lực hồ quang phát sinh giữa các tiếp điểm thờng có công suất lớn hơn giá trị công suất gây cháy tối thiểu. Trong trờng hợp đó việc sử dụng các vỏ phòng nổ để bảo vệ các mạch điện lực là biện pháp cần thiết. Hình thức vỏ phòng nổ đạt đợc bằng cách đặt các thiết bị điện vào bên trong vỏ phòng nổ. Điều lý tởng là dùng vỏ tuyệt đối kín để khí nổ không có khả năng thâm nhập vào bên trong vỏ. Nhng thực nghiệm cho thấy khí nổ hỗn hợp nổ Mêtan- không khí có nồng độ nguy hiểm nhất (9ữ 10)% bên trong vỏ kín thì áp suất nổ có tính đến ảnh hởng làm nguội của thành vỏ và các nguyên nhân khác (thể tích trống bên trong vỏ, hình dạng của vỏ, vị trí nguồn gây nổ, loại nguồn gây nổ.vv ) có thể đạt tới 7,4 kg/cm 2 . Khi nguồn gây nổ là hồ quang điện thì áp suất nổ tăng lên, do ngoài nhiệt lợng sinh ra bởi phản ứng cháy còn phụ thêm một nhiệt lợng đáng kể của hồ quang. Trong thực tế vỏ tuyệt đối kín không thuận lợi cho vận hành và trong nhiều trờng hợp không có khả năng thực hiện, vì thế sự lu thông giữa môi trờng bên trong vỏ và bên ngoài qua khe hở của mặt ghép các phần của vỏ không thể tránh khỏi. Loại vỏ phòng nổ này phải chịu đợc áp suất nổ khi sự nổ xảy ra bên trong vỏ và ngăn chặn truyền lan sự nổ ra môi trờng bên ngoài. Vỏ của thiết bị điện đợc chế tạo theo nguyên tắc nh vậy gọi là vỏ không thấm nổ. Vỏ không thấm nổ cần có các bản chất cơ bản sau: - Tính chịu nổ là khả năng đủ chắc chắn để chịu đợc áp suất nổ bên trong mà không bị h hỏng và không bị biến dạng d. 98 - Tính không thấm nổ là khả năng của mặt ghép giữa các phần của vỏ ngăn chặn sự truyền nổ từ bên trong vỏ ra môi trờng nổ bên ngoài. Xác suất cho phép truyền nổ ra bên ngoài bằng 10 -8 ở chế độ làm việc bình thờng và bằng 10 -4 ở chế độ có ngắn mạch hồ quang bên trong vỏ. Các thiết bị điện có vỏ không thẩm nổ, tuỳ theo điện áp định mức và dòng ngắn mạch hồ quang đợc phân thành các phân nhóm ở bảng VIII-1: Bảng VIII-1. Phân nhóm Điện áp định mức, V Dòng ngắn mạch hồ quang, A 1B 2B 3B 4B Không quy định đến 100 Từ 100 đến 220 Từ 220 đến 1140 Lớn hơn 1140 Đến 100 Từ 100 đến 450 Lớn hơn 100 Lớn hơn 100 Tính hợp lý của khe hở đợc tính toán xuất phát từ nhận xét sau: + Nếu bề rộng khe hở càng lớn thì càng giảm đợc áp suất nổ bên trong vỏ nhng sản phẩm phụt qua nó cha đợc làm nguội đến mức không còn khả năng Căn cứ vào các lý luận trên đối với các khoảng trống trong vỏ (khoang, hốc) an toàn nổ, để giảm áp suất nổ thì chúng đợc nối với nhau bằng các khe hở đủ lớn, và giữa lòng vỏ với môi trờng cũng có những khe hở nhất định. Mặt khác do yêu cầu làm nguội ngọn lửa lan từ trong lòng vỏ ra ngoài môi trờng hoặc hạn chế khả năng bắn ra môi trờng các phần tử nung nóng để khe hở phải có bề rộng hạn chế. Nh vậy việc giải quyết yêu cầu giảm áp suất nổ trong vỏ an toàn nổ và yêu cầu không thoát nổ có mâu thuẫn. Trong chế tạo TBĐ mỏ để thoả mãn các yêu cầu đó ngời ta kéo dài khe hở bằng cách sử dụng các khe hở phẳng cộng, khe hở xi lanh, hay khe hở dạng zíczắc, mặc dù về cấu tạo biện pháp này cũng hạn chế độ kích thớc thiết bị. - Đối với TBĐ tồn tại một giá trị bề rộng khe hở giới hạn với giá trị khe hở giới hạn đó có thể đảm bảo đợc tính không thoát nổ của vỏ. - Khi xuất hiện các hồ quang ngắn mạch có công suất lớn vỏ phòng nổ đ- ợc chế tạo bằng thép chịu áp suất trên 10 atm. Các loại dây dẫn đặt trong vỏ an toàn nổ phải có cách điện tơng đối bền về nhiệt và cơ khí, cách điện đó phải chịu đợc tác dụng của hồ quang. Mặt khác để giảm tác dụng của hồ quang lên trong vỏ phòng nổ còn phải đặt các thiết bị bảo vệ ngắn mạch và đặt các thiết bị bảo vệ rò điện nhằm hạn chế khả năng giảm chất lợng của vỏ phòng nổ và hạn chế khả năng gây cháy mỏ. - Việc thử nghiệm vỏ phòng nổ có nhiều yêu cầu nhng chủ yếu là thử tính chịu nổ và không thấm nổ: + Tính chịu nổ có thể dùng phơng pháp thử thuỷ lực bằng cách làm kín các khe hở nắp ghép và tăng áp suất nớc bên trong vỏ đến giá trị 100 kPa hoặc đến 150 kPa tuỳ thuộc vào nhóm của thiết bị điện mỏ. 99 0 P d Hình VIII-1. gây nổ môi trờng bên ngoài. Còn tình trạng sẽ ngợc lại khi giảm bề rộng và tăng bề dài của khe. Trên hình VIII-1 giới thiệu quan hệ giữa áp suất nổ với tỉ lệ giữa tổng tiết diện khe hở và thể tích của khoảng trống. Từ đó thấy rằng khi vỏ hoàn toàn kín áp suất nổ sẽ rất lớn. khi tăng tiết diện khe hở đến một mức nào đó thì áp suất nổ tăng lên không đáng kể. + Thử tính không thấm nổ đợc thực hiện trong buồng thử nổ, trong buồng này cũng nh trong vỏ chứa đầy hỗn hợp nổ nguy hiểm. Ví dụ: Hỗn hợp Mêtan- Không khí + Việc thử vỏ khi có ngắn mạch hồ quang bên trong cũng tơng tự nh thử tính không thấm nổ nhng để kích nổ hỗn hợp nổ bên trong vỏ là hồ quang do ngắn mạch. VIII.3.Đảm bảo an toàn nổ bằng cách sử dụng các chất điện môi Nhợc điểm của vỏ phòng nổ là phải chế tạo vỏ tơng đối phức tạp, nặng và tơng đối đắt tiền. Để hạn chế ảnh hởng của hồ quang đến môi trờng có thể dùng biện pháp khác đó là bảo vệ nổ bằng cách chứa đầy thể tích bên trong vỏ các chất điện môi rắn, lỏng hoặc khí để ngăn không cho môi trờng nổ tiếp xúc đợc với các bộ phận phát tia lửa và các bộ phận có điện áp của thiết bị điện. Nhờ đặc tính cách điện và truyền nhiệt của chất điện môi đó nên khả năng gây cháy của hồ quang giảm nhiều. Tuỳ theo chất điện môi chứa bên trong mà thiết bị đợc phân thành các nhóm khác nhau sau: VIII.3.1.Thiết bị điện sử dụng điện môi rời - Trong các thiết bị điện thờng sử dụng cát thạch anh để làm điện môi an toàn nổ. Hình thức bảo vệ khỏi nổ này đợc thực hiện bằng cách vùi sâu bên trong vỏ các bộ phận dẫn điện, các bộ phận có điện áp của TBĐ dới lớp bảo vệ bằng cát thạch anh. Cát thạch anh đợc đổ đầy trong vỏ của TBĐ có độ hạt từ 0,25 đến 1,6 mm không chứa các hạt kim loại, hàm lợng của cát thạch anh không thấp hơn 96%, độ chứa hơi ẩm không quá 0,05% khi nhiệt độ môi trờng không khí bằng 20 2 0 C. Điện trở suất trung bình không nhỏ hơn 10 10 .cm khi nhiệt độ môi trờng không khí là 20 2 0 C. - Việc sử dụng cát thạch anh làm phơng tiện bảo vệ khỏi nổ đợc phép đối với: + Thiết bị điện có vỏ không tháo rời; + Điện trở khởi động và điều chỉnh tốc độ; + Thiết bị điện không có bộ phận dẫn điện, không bọc cách điện; + Chiều dày của lớp cát bảo vệ đối với TBĐ điện áp đến 6kV có công suất ngắn mạch lớn hơn 10 kVA đợc xác định theo công thức: H h = 1,26. 3 2 . t I ng h ; (VIII-1) và: H hm = 0,31. 3 2 . t I ng h ; (VIII-2) trong đó: H h - Chiều dày lớp cát bảo vệ (mm) là khoảng cách nhỏ nhất từ các bộ phận có điện của thiết bị điện đến bề mặt lớp cát hoặc thành vỏ để hồ quang không thể thoát khỏi mặt cát bảo vệ hoặc phóng ra thành vỏ qua cát. H hm - Chiều dày lớp cát bảo vệ phía trên màn chắn (mm) là khoảng cách nhỏ nhất từ các phần điện đến màn chắn, màn chắn bảo vệ tấm kim loại có khoan nỗ và đợc tiếp đất cẩn thận. I h = n 1 .I ng - Dòng ngắn mạch hồ quang ba pha, A; I ng - Dòng ngắn mạch ba pha hoàn toàn, A; 100 n- Bội dòng ngắn mạch hoàn toàn so với dòng ngắn mạch hồ quang; tuỳ theo điều kiện và vị trí xảy ra ngắn mạch hồ quang mà có thể lấy n = 1,3ữ 2,6. t ng - Thời gian tồn tại ngắn mạch hồ quang(s) đợc xác định bằng thời gian tác động của thiết bị bảo vệ khỏi ngắn mạch, nhng không đợc vợt quá 0,2s. + Ưu điểm cơ bản của cát thạch anh là nó không phải là chất cách điện dễ cháy. Ngoài ra nhờ có cát làm cách điện nên có khả năng thu hẹp khoảng cách giữa các pha trong thiết bị điện. + Nhợc điểm: Trọng lợng nặng, có khả năng hút ẩm cao. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch hồ quang có thể tạo nên các rãnh trong khối cát và do đó ngọn lửa sẽ lan tràn ra môi trờng bên ngoài. VIII.3.2.Thiết bị sử dụng điện môi lỏng Trong công nghiệp hiện nay sử dụng dầu biến áp là một điện môi lỏng. Bảo vệ khỏi nổ dạng này bằng cách bố trí các phần dẫn điện vào trong thùng chứa dầu, để chúng đợc phủ một lớp bảo vệ. Dầu chứa vào thùng là cách điện không cháy đợc. Điện áp chọc thủng của dầu khi thử phóng điện giữa hai điện cực cách nhau 2,5 mm không nhỏ hơn 10kV và 25kV đối với thiết bị điện điện áp đến 1000V và hơn lớn hơn 1000V. Thiết bị điện phòng nổ dạng chứa dầu tuỳ theo điện áp định mức của dòng ngắn mạch kim loại đợc phân thành các nhóm trong bảng VIII-2: Bảng VIII-2. Phân nhóm Điện áp định mức U đ , V Dòng điện ngắn mạch hồ quang I nm , A 1M 2M 3M 4M 65 127 600 6000 100 450 1500 10.000 - Lớp dầu để bảo vệ khỏi nổ cần phải bảo vệ cả khi có phóng điện tia lửa, và khi có ngắn mạch hồ quang. Bảo vệ khỏi nổ do tia lửa gây ra có thể thực hiện đợc nếu thời gian tồn tại ngắn mạch hồ quang không quá 0,01s, hoặc công suất ngắn mạch hồ quang không quá 60kVA ở thiết bị có điện áp 127V. - Chiều dày lớp dầu bảo vệ khi không có màn chắn H i và khi có màn chắn H im (mm) theo điều kiện phóng tia lửa đợc xác định: H i = 0,15N và H im = 0,08N; (VIII-3) trong đó: N = 1,73I.U- Công suất cắt mạch tính toán của thiết bị (kVA). I- Dòng cắt mạch (A). U- Điện áp mạng(V). - Để giảm chiều dày lớp dầu bảo vệ cần sử dụng màn chắn bằng lới hoặc tấm kim loại có khoan lỗ để thoát khí và đợc gắn cố định vào thành thùng. Chiều dày lớp dầu bảo vệ khi có màn chắn H im (mm) và thời gian tồn tại ngắn mạch hồ quang 0,2s đợc xác định: H im = H m + H d +H p, ; (VIII-4) trong đó: H m = 35. n I - Chiều dày lớp hạt đệm vào các tấm màn chắn bằng kim loại có khoan lỗ; I n - Dòng ngắn mạch ba pha kim loại ở các cực của nguồn cung cấp, A; H d - Chiều dày lớp dầu để cách điện, mm; H p = 10mm- Chiều dày lớp dầu dự phòng phía trên màn chắn. 101 + Ưu nhợc điểm: Dầu biến áp giá thành rẻ, tính dẫn nhiệt cao nhng là một chất dễ cháy, khi cháy phát sinh nhiều khí nổ, tính cách điện không ổn định cho nên dầu biến áp là một điện môi không an toàn nổ. VIII.3.3.Thiết bị sử dụng điện môi rắn Để tạo ra thiết bị an toàn nổ ngời ta sử dụng các điện môi rắn nh nhựa đ- ờng, nhựa êpôtit. Ngời ta bao phủ các vật dẫn điện trong quá trình điện môi nóng chảy, ở điều kiện bình thờng điện môi rắn lại và làm cách điện giữa các phần dẫn điện ra vỏ thiết bị. Nhờ điện môi rắn nên có thể hạn chế đợc sự thâm nhập của độ ẩm vào cách điện và ngăn không cho khí nổ tiếp xúc với các phần dẫn điện, do đó làm cho thiết bị an toàn nổ. Từ đặc tính của nó, điện môi rắn chỉ đợc sử dụng hạn chế ở các bộ phận cố định. VIII.3.4.Thiết bị sử dụng điện môi khí Trong TBĐ việc sử dụng điện môi không khí là rất phổ biến. Song hỗn hợp Mêtan- Không khí là hỗn hợp nổ khí nguy hiểm. Hiện nay ở một số các TBĐ cao áp đã sử dụng khí SF 6 để làm điện môi (khí êlega-sunfuahexafco). Khí SF 6 là một chất khí chống cháy tốt, có thể chịu đợc nhiệt độ đến 800 0 C mà không bị phân huỷ. Nớc axít, kiềm đều không phân huỷ đợc nó, khả năng dẫn nhiệt của SF 6 đạt đến 3,15 lần so với không khí. Khi sử dụng khí SF 6 công suất sử dụng tơng đơng về thể tích có thể tăng từ 1,5 ữ 2 lần. Mặc dù điện môi khí có các u điểm nh trên nhng hiện nay trong mỏ còn cha đợc sử dụng do yêu cầu thiết bị phải tuyệt đối kín, đồng thời phải có thiết bị nén khí vào trong quá trình sử dụng. Ngoài ra cần phải có các thiết bị kiểm tra hàm lợng không khí và áp suất của điện môi. VIII.4.Một số biện pháp khác trong chế tạo TBĐ an toàn nổ Ngoài các dạng phổ biến kể trên, tuỳ theo đặc điểm làm việc của TBĐ có thể đợc chế tạo theo một số nguyên lý bảo vệ khỏi nổ khác. VIII.4.1.Bảo vệ khỏi nổ bằng các tấm ghép Một trong các nhợc điểm của vỏ phòng nổ là hạn chế khả năng làm nguội các TBĐ, đặc biệt là khả năng lu thông giữa môi trờng bên trong và bên ngoài vỏ. Trong nhiều thiết bị điện sự lu thông thờng xuyên là rất cần thiết,ví dụ: với ắc quy nếu sự lu thông kém thì trong quá trình làm việc khí Hiđrô thoát ra không đợc nhanh chóng hoà loãng vào môi trờng sẽ trở thành hỗn hợp nổ hết sức nguy hiểm. Trong trờng hợp nh vậy, vỏ cần có diện tích các lỗ thông giữa bên trong và bên ngoài đủ lớn. Để đạt đợc mục đích này ở các lỗ thông của vỏ cần gắn các tấm tạo thành mạng vách ngăn. Tính an toàn nổ đạt đợc khi khe hở giữa các tấm không lớn hơn 0,5mm, và bề dài tấm theo khe không hỏ hơn 50mm. Các tấm đợc chế tạo từ kim loại không rỉ và có bề dày không nhỏ hơn 0,5mm. VIII.4.2.Bảo vệ khỏi nổ bằng thổi khí có áp suất d Thực chất của biện pháp bảo vệ này là đặt các bộ phận dẫn điện, mạch từ của TBĐ vào trong vỏ kín và bên trong vỏ đợc thổi thờng xuyên bằng không khí sạch hoặc khí kém có áp suất d để ngăn không cho môi trờng nổ thâm nhập vào bên trong vỏ. Việc thổi khí nh vậy có thể đợc thực hiện theo chu trình kín hoặc hở. VIII.4.3.Sử dụng hiệu ứng cháy không có ngọn lửa Phơng pháp này nhằm ngăn ngừa sự tích luỹ đến nồng độ nguy hiểm của hỗn hợp nổ bên trong vỏ thiết bị điện phòng nổ. Nhờ các chất xúc tác khác nhau (hợp chất platin, Pôlôđi, vonfram và một số kim loại khác) mà khí nổ thâm nhập 102 vào bên trong vỏ bị ôxy hoá nhanh nhng không tạo ra nhiệt độ cao, đồng thời chất xúc tác cũng hấp thụ các phần tử khí cháy và các sản phẩm do ôxy hoá tạo ra. VIII.4.4.Sử dụng liên hệ không tiếp điểm giữa phụ tải và nguồn cung cấp Xu hớng tránh không sử dụng vỏ phòng nổ cồng kềnh và đắt tiền. Để đảm bảo không nổ đối với các TBĐ thờng phát sinh tia lửa khi làm việc là tìm cách loại trừ tia lửa. Một trong những biện pháp nh vậy là thực hiện sự liên hệ không tiếp điểm giữa phụ tải và nguồn. Ví dụ: Dùng thiết bị đóng cắt mạch bằng sử dụng tiristor, liên hệ không tiếp điểm cũng có thể thực hiện theo nguyên lý khác nh điều chỉnh thế, liên hệ đồng bộ (xenxin), liên hệ biến áp v.v Ví dụ điển hình của liên hệ không tiếp điểm là hệ thống vận tải bằng tàu điện cao tần trong mỏ. VIII.4.5.Bảo vệ khỏi nổ bằng cách kiểm tra và cắt sớm Các loại thiết bị điện mỏ nh: Đèn điện, cáp điện, máy nổ mìn điện .v.v Khó có khả năng đảm bảo tính an toàn nổ hoặc an toàn tia lửa bằng các biện pháp thông thờng. Trong các trờng hợp này, phơng pháp để đảm bảo tính an toàn khỏi nổ là sử dụng thiết bị nhằm kiểm tra và cắt chúng khỏi nguồn trớc khi có thể phát sinh nguy hiểm (cắt sớm). Phơng pháp kiểm tra và cắt sớm nhằm cắt tự động thiết bị ra khỏi nguồn nếu trong thiết bị có triệu chứng dẫn tới nguy cơ về nổ, hoặc trớc khi môi trờng nổ kịp tiếp xúc với phần tử h hỏng của thiết bị còn có khả năng gây nổ. Câu hỏi ôn tập Chơng VIII 1- Điều kiện gây cháy nổ môi trờng mỏ là gì? Mục đích của việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết an toàn nổ? 2- Các biện pháp nhằm đảm bảo an toàn nổ trong mỏ là gì? u nhợc điểm và phạm vi ứng dụng của các biện pháp đó? Đối với vỏ phòng nổ cần phải thoả mãn các yêu cầu gì? Việc thử nghiệm vỏ phòng nổ cần phải đảm bảo những yêu cầu chủ yếu nào? 3- u nhợc điểm của các chất điện môi dùng để đảm bảo an toàn nổ trong các thiết bị điện mỏ và phạm vi ứng dụng của các thiết bị điện chứa các chất điện môi đó? Các biện pháp khác trong chế tạo thiết bị an toàn nổ là gì? 103 . Chơng VIII :Cơ sở lý thuyết an toàn nổ VIII.1.Khái niệm chung Khi tiếp xúc với tia lửa điện (hồ quang điện) hỗn hợp khí nổ có thể bắt cháy và gây nổ. Sóng nổ sẽ tạo nên áp lực rất. của việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết an toàn nổ? 2- Các biện pháp nhằm đảm bảo an toàn nổ trong mỏ là gì? u nhợc điểm và phạm vi ứng dụng của các biện pháp đó? Đối với vỏ phòng nổ cần phải thoả mãn. cháy nhanh chóng lan ra ngoài môi trờng. Khi đó tuỳ theo khả năng thông gió của mỏ mà ngọn lửa cháy cục bộ hoặc lan truyền ra toàn mỏ. Cơ sở của biện pháp an toàn nổ là nhằm giảm áp suất lan truyền