Ochrona silników w strefach zagrożonych wybuchem. Przegląd zabezpieczeń.

W strefach Ex kluczowe jest zrozumienie, jakie zagrożenia najczęściej dotyczą silników oraz jakie wymogi muszą spełniać urządzenia ochronne. Niniejsze wprowadzenie do tematu ochrony silników w strefach zagrożonych wybuchem pokaże, na co zwrócić uwagę, aby takie zjawiska jak przegrzanie, zwarcie czy iskrzenia elektrycznych elementów silnika nie doprowadziły do jego uszkodzenia, a tym bardziej do wybuchu czy pożaru.

Analiza zagrożeń dla silników pracujących w strefach Ex 

Kiedy dobierasz jakiekolwiek urządzenia zabezpieczające zacznij od analizy potencjalnych zagrożeń. Tylko w momencie, kiedy będziesz ich świadomy, możesz im w pełni przeciwdziałać. Poniżej przedstawimy analizę zagrożeń dla silników elektrycznych, które – co istotne – dzięki prawidłowo dobranym wyłącznikom silnikowym Ex mogą być całkowicie wyeliminowane. Dla przykładu wyłącznik HARDO serii HCS1P posiada aż pięć zabezpieczeń, co pod względem zaawansowania stawia go w tym samym rzędzie ze znacznie droższym modelem GHG 635 od firmy EATON.

Przeciążenia silnika

Długotrwałe obciążenie przekraczające nominalne parametry silnika lub zbyt częste rozruchy powodują wzrost temperatury uzwojeń. Przegrzanie może uszkodzić izolację silnika i podnieść temperaturę powierzchni urządzenia do poziomu niebezpiecznego w atmosferze wybuchowej. W warunkach Ex silniki klasyfikowane są według klas temperaturowych (np. T3, T4), określających maksymalną temperaturę ich powierzchni w najgorszych warunkach pracy. Dzięki temu wiadomo, że nawet przy przeciążeniu silnik nie przekroczy temperatury mogącej zainicjować zapłon atmosfery wybuchowej.

Zwarcia elektryczne

Zwarcie w obwodzie zasilania silnika wywołuje gwałtowny przepływ bardzo dużego prądu. Taki impuls może w ułamku sekundy uszkodzić uzwojenia i inne elementy obwodu oraz wytworzyć intensywne iskrzenie. W strefie Ex skutki zwarcia są szczególnie groźne – rozgrzane łuki elektryczne lub iskry mogą stać się źródłem zapłonu wybuchu atmosfery gazowej, lub pyłowej. Dlatego standardem jest wyposażanie obwodów silnikowych w zabezpieczenia zwarciowe o wysokiej zdolności wyłączania, które natychmiast przerywają przepływ prądu przy zwarciu.

Zanik fazy

Utrata jednej z faz zasilających trójfazowy silnik powoduje wzrost prądu w pozostałych fazach i zazwyczaj uniemożliwia normalną pracę. Silnik może wówczas buczeć, tracić moc i szybko się przegrzewać – grozi to spaleniem uzwojeń, a nawet pożarem silnika. W warunkach Ex przegrzanie spowodowane zanikiem fazy jest szczególnie niebezpieczne, stąd wymagane jest stosowanie zabezpieczeń przed zanikiem fazy. Takie zabezpieczenie wyłączy silnik, gdy wykryje brak jednej z faz, zanim dojdzie do uszkodzeń i nadmiernego nagrzania.

Spadki napięcia (podnapięcie)

Znaczne obniżenie napięcia zasilającego powoduje nieprawidłową pracę silnika – może on utracić moment obrotowy, zatrzymać się lub pobierać nadmierny prąd przy próbie utrzymania pracy. Niestabilne zasilanie stanowi zagrożenie zarówno dla silnika, jak i całej instalacji. Co ważne, po całkowitym zaniku napięcia i jego powrocie silnik mógłby samoczynnie się uruchomić, stwarzając ryzyko dla otoczenia (np. nagłe ruszenie maszyn). Dlatego zaleca się stosowanie zabezpieczeń podnapięciowych (wyzwalaczy podnapięciowych), które automatycznie wyłączają silnik przy spadku napięcia poniżej bezpiecznego progu i nie pozwalają na jego samoistny restart po powrocie zasilania. Ma to krytyczne znaczenie z punktu widzenia bezpieczeństwa w strefach Ex – operator musi świadomie ponownie uruchomić silnik, co zapobiega niekontrolowanemu startowi urządzeń.

Przegrzanie silnika

Oprócz przeciążeń również inne czynniki mogą doprowadzić do nadmiernego nagrzania silnika – np. utrudnione chłodzenie, wysoka temperatura otoczenia czy długotrwała praca przy niestabilnym zasilaniu. W strefie zagrożenia wybuchem każda powierzchnia urządzenia przekraczająca dopuszczalną temperaturę staje się potencjalnym źródłem zapłonu. Z tego względu silniki Ex są tak projektowane, by nawet w stanie awaryjnym (np. wspomniane przeciążenie czy praca jednofazowa) nie przekraczać określonych temperatur. Dodatkowo stosuje się czujniki termiczne w uzwojeniach lub termowyłączniki, jednak podstawową linią obrony przed przegrzaniem są właśnie wyłączniki silnikowe z odpowiednio dobranymi zabezpieczeniami przeciążeniowymi i zwarciowymi.

Rodzaje zabezpieczeń stosowanych do ochrony silników w strefie Ex

Zabezpieczenie przeciążeniowe (termiczne)

Odpowiada za ochronę przed nadmiernym obciążeniem silnika. Wyłącznik silnikowy posiada wbudowany wyzwalacz termiczny nastawiany na prąd znamionowy silnika – gdy prąd pobierany przekracza tę wartość przez zbyt długi czas, dochodzi do zadziałania ochrony. Wyzwalacz termiczny działa z charakterystycznym opóźnieniem: przy niewielkich przeciążeniach może to być kilkanaście minut, natomiast przy silnym przeciążeniu (kilkukrotność prądu znamionowego) reaguje w kilka sekund lub szybciej. Dzięki temu silnik jest chroniony zarówno przed lekko podwyższonym obciążeniem, jak i poważnym przeciążeniem prowadzącym do przegrzania. Termiczne zabezpieczenie przeciążeniowe skutecznie zapobiega uszkodzeniu uzwojeń silnika wskutek nagrzewania. W wyłącznikach silnikowych Ex warto zwrócić uwagę na zakres nastawy takiego zabezpieczenia – zwykle podawany jest zakres prądowy (np. 0,1–25 A), co pozwala dopasować wyzwalacz do konkretnej aplikacji.

Zabezpieczenie zwarciowe (elektromagnetyczne)

Chroni obwód przed skutkami nagłego zwarcia. Wyłącznik silnikowy wyposażony jest w wyzwalacz elektromagnetyczny, który reaguje natychmiastowo na bardzo duży wzrost prądu (typowy dla zwarć). W momencie wystąpienia zwarcia wyzwalacz ten błyskawicznie (w ciągu kilku–kilkunastu milisekund) otwiera obwód i odłącza zasilanie silnika. Minimalizuje to energię łuku elektrycznego i zapobiega rozprzestrzenieniu uszkodzeń. W kontekście Ex ważne jest, aby wyłącznik miał odpowiednio wysoką zdolność wyłączania – wyrażoną np. w kA – co oznacza, że poradzi sobie z prądem zwarciowym występującym w danej instalacji bez utraty swoich właściwości. Najlepsze wyłączniki silnikowe Ex mogą odłączać zwarcia o wartościach dziesiątek kiloamperów, gwarantując bezpieczeństwo nawet w sieciach o dużej energii zwarciowej.

Zabezpieczenie zaniku fazy

Odpowiada za wykrycie sytuacji, gdy jedna z faz zasilających silnik zaniknie (np. w skutek awarii sieci lub przepalenia bezpiecznika). Brak fazy objawia się asymetrią prądów – w pozostałych dwóch fazach prąd rośnie ponad normę. Wyłączniki silnikowe zwykle są czułe na zanik fazy, co oznacza, że już wbudowane zabezpieczenie termiczne reaguje na taką niesymetrię (silnik przeciążony pracą na dwóch fazach szybko zwiększa pobór prądu, co wyzwala ochronę). Dodatkowo niektóre modele posiadają dedykowane przekaźniki kontroli faz. Efekt jest taki, że silnik zostanie wyłączony przy zaniku fazy zanim dojdzie do poważnego przegrzania lub zniszczenia mechanicznego. W praktyce zabezpieczenie to zapobiega również niebezpiecznemu scenariuszowi “buczenia” stojącego silnika i jego nadmiernego grzania, co – jak wspomniano – mogłoby spowodować pożar lub zapłon w strefie Ex.

Zabezpieczenie podnapięciowe (wyzwalacz spadku napięcia)

Jest to opcjonalne zabezpieczenie, którego zadaniem jest monitorowanie poziomu napięcia zasilającego. Jeżeli napięcie spadnie poniżej ustalonego bezpiecznego progu, wyzwalacz podnapięciowy natychmiast wyłącza silnik. Chroni to uzwojenia przed uszkodzeniem wskutek niedowoltażu oraz zabezpiecza cały układ napędowy przed działaniem w warunkach niestabilnego zasilania. Co więcej, wyzwalacz podnapięciowy uniemożliwia automatyczne ponowne załączenie silnika po powrocie prawidłowego napięcia – musi to zrobić świadomie obsługa. Taka funkcja zabezpiecza personel i sprzęt przed nagłym, niekontrolowanym uruchomieniem maszyn (np. taśmociągów, mieszadeł) po przerwie w zasilaniu, co w strefie zagrożonej wybuchem ma istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy.

Ochrona silników w strefach zagrożonych wybuchem gazowej i pyłowej atmosfery wybuchowej

Warto zaznaczyć, że wszystkie powyższe zabezpieczenia służące ochronie silników w strefach zagrożonych wybuchem, są często zintegrowane w jednym urządzeniu, jakim jest wyłącznik silnikowy Ex. Dzięki temu jeden kompaktowy aparat pełni rolę ochrony kompleksowej – stąd istotne jest, by przy doborze zwracać uwagę, czy wybrany model posiada pełen pakiet zabezpieczeń: przeciążeniowe, termiczne, zwarciowe, zaniku faz i podnapięciowe. Nowoczesne wyłączniki silnikowe Ex oferowane na rynku zazwyczaj spełniają te kryteria – przykładowo urządzenia HARDO z serii HCS1P posiadają wszystkie pięć wymienionych rodzajów zabezpieczeń (z możliwością dołożenia wyzwalacza podnapięciowego jako opcji).