Elektromotorni pogoni

I. Gavrani*Primjena elektromotora u eksplozivnoj atmosferi - eksperimentalna istraivanja rizika paljenja*mr. sc. Ivica Gavrani, dipl. ing., Agencija za prostore ugroene eksplozivnom atmosferom (Ex-Agencija), Batijanova b.b., 10000 Zagreb (i.gavranic@ex-agencija.hr).

UDK 621.313.13:614.83

PRIMLJENO: 6.5.2009.

PRIHVAENO: 25.5.2009.

Saetak: U lanku se razmatraju rizici primjene elektromotora u prostorima ugroenim eksplozivnom atmosferom. Analiza vjerojatnosti pojave uzronika paljenja, zbog oteenja kaveza rotora asinkronog motora u takvim prostorima, temeljni je dio ovog rada. Istraivanja djelotvornosti uzronika paljenja, u stvarnim uvjetima prisutnosti zapaljivih medija, provedena su na elektromotoru u vrsti protueksplozijske zatite poveana sigurnost, Ex e, snage 47 kW i nazivnog napona 380 V. Razliite razine oteenja kaveza rotora ispitivane su u eksplozivnoj atmosferi zapaljivih plinova. Posebno je ispitivana i pouzdanost primjene ON-LINE metoda tehnike dijagnostike stanja elektromotora za otkrivanje oteenja kaveza rotora koja bi mogla biti uzrok paljenja eksplozivnih smjesa.

Kljune rijei: eksplozivna atmosfera, elektromotor, kvarovi rotora, tehnika dijagnostika, protueksplozijska zatita, rizik, eksplozija

Uvod

Ugroenost opasnostima od nastanka tehnolokih eksplozija znaajka je velikog broja tehnologija i postrojenja (npr. eksploatacija, prerada i transport nafte i plina, kemijska industrija i sl.). Mogue ljudske rtve i veliki materijalni gubici, koji mogu nastati u sluaju eksplozije, zahtijevaju provedbu analiza i procjenu rizika pojave eksplozije te poduzimanje mjera za njihovo uklanjanje ili smanjivanje.

Elektromotorni pogon (EMP) u prostoru ugroenom eksplozivnom atmosferom jedan je od moguih djelotvornih uzronika paljenja eksplozivne atmosfere i nastanka eksplozije. Posebno je zanimljivo razmatranje kaveznog asinkronog motora koji ima tapove rotorskog kaveza izraene od bakra i spojene s kratkospojnim prstenima tvrdim lemljenjem.

U nastavku se daje kratki prikaz provedenih ispitivanja kojima je bio cilj eksperimentalno istraiti mogunosti i rizike da kvarovi kaveza rotora postanu djelotvorni uzronici paljenja. Ukratko su prikazani neki najznaajniji dobiveni rezultati bez iznoenja podataka i detalja koji nisu vani za bit problema, tj. realnu mogunost da kvar u rotoru moe u odreenim okolnostima izazvati zapaljenje i eksploziju. Detalji e, uskoro, biti izneeni u slijedeim radovima/lancima.

ISPITIVANJA

Odabir motora i metode ispitivanja

Osnovni je cilj laboratorijskog ispitivanja bio istraiti postoji li mogunost nastanka eksplozije zbog kvarova kaveza rotora motora koji radi u eksplozivnoj atmosferi.

Ispitivanja su provedena, u laboratorijima Ex-Agencije, na trofaznom asinkronom elektromotoru prikazanom na slici 1.

Motor je starijeg dizajna, rotorski kavez je izraen od bakrenih ipki spojenih s kratkospojnim prstenima tvrdim lemljenjem. Ovakva je konstrukcija kaveza najloija s aspekta protueksplozijske zatite, pa je stoga i odabrana za testiranje.

Slika 1. Ispitivani Ex e elektromotorOsnovni tehniki podaci ispitivanog elektromotora prikazani su u Tablici 1.

Tablica 1. Osnovni podaci ispitivanog elektromotoraNazivna snaga47 kW

Nazivni napon380 V

Nazivna struja83 A

Broj okretaja2960 min-1

Oznaka zatiteEx e II T1-T3

IA/IN6,0

tE16/16/8,1 s

U tom smislu provedena su ispitivanja rada ispravnog elektromotora ispunjenog eksplozivnom atmosferom smjese zapaljivih plinova i zraka da bi se potvrdilo da ispravan protueksplozijski zatien motor u vrsti zatite poveana sigurnost (Ex e) ne moe biti uzronik paljenja eksplozivne atmosfere.

Nakon toga je proveden niz ispitivanja istog elektromotora u istim uvjetima prisutnosti eksplozivne atmosfere pri razliitim, namjerno izazvanim, razinama oteenja kaveza rotora. Namjerno izazvana oteenja u rotoru slina su onima koja bi se prema iskustvu mogla pojaviti u nenormalnim pogonskim stanjima. Cilj ovih ispitivanja bio je istraiti pojavnost djelotvornog uzronika paljenja i eksplozije iji bi uzroci mogli biti kvarovi kaveza rotora. Ispitivanja su provedena u uvjetima zakoenog rotora sa snienim naponom te pri zaletu i u vrtnji elektromotora pri razliito velikim optereenjima.

Za ispravno stanje rotora, kao i za sve razine oteenja, provedena su detaljna mjerenja zagrijavanja i motrenja eventualne pojave vruih povrina.

Stanje ispravnosti i svih razina oteenja rotorskog kaveza je utvrivano i primjenom dijagnostikih ispitivanja metodom mjerenja vodljivosti tapova rotora u mirovanju te ON-LINE metodom temeljenom na analizi spektra statorske struje (Gavrani, 2002.).

Rezultati ispitivanja zagrijavanja

Proveden je niz ispitivanja zagrijavanja motora i otkrivanja eventualnih vruih povrina rotora zbog kvara kaveza. Ispitivanje motora provedeno je opremom prikazanom na slici 2.

Kratki prikaz rezultata dan je u Tablici 2. Rezultati su prikazani za stanje ispravnog rotora, stanje kvara razine I (manje oteenje kaveza rotora) i stanje kvara razine II (vee oteenje kaveza rotora).

Slika 2. Instrumentarij za ispitivanje zagrijavanja elektromotora 47 kW, Ex eTemperatura mjerena na mjestu A prikazuje temperaturu mjerenu na neoteenom tapu rotora, dok temperatura na mjestu B predstavlja temperaturu u blizini oteenja kaveza (tapa) rotora. Zagrijavanja su provedena u kratkom spoju uz snieni napon i razliite struje. Tablica 2. prikazuje temperature na mjestu A i mjestu B u istom trenutku i kod iste struje kratkog spoja (temperature mjerene istovremeno viekanalnim ureajem s termoparovima za mjerenje temperature, slika 2.).

Za razinu oteenja II prikazane su temperature za dvije struje kratkog spoja motora, 140 A odnosno 250 A.

Tablica 2. Zagrijavanja elektromotora i pojava vruih povrina

Stanje elektromotora (kaveza rotora)Izmjerena temperatura

(C) na mjestu AIzmjerena temperatura

(C) na mjestu B

Neoteen54,3-

Razina oteenja I60,2132,3

Razina oteenja II

(struja kratkog spoja 140 A)62,1126,6

Razina oteenja II

(struja kratkog spoja 250 A)59,9338,2

Jedan od najznaajnijih rezultata ovih istraivanja je spoznaja da se u sluaju pretpostavljenih kvarova mogu pojaviti temperature koje prelaze temperature paljenja nekih plinova i para (Tablica 3.) u ijemu je okruenju mogu i doputen rad ispitivanog motora. Pojava ovako visokih temperatura predstavlja rizik od eksplozije u uvjetima nastanka kvarova bliskih onomu koji je bio namjerno izazvan.

Tablica 3. Temperature paljenja nekih plinova i para tekuina

(prema 31/769/CDV (IEC 60079-20-1):2008)

Zapaljivi medijTemperatura paljenja (C)

Propan (plin)450

Vodik (plin)560

Acetilen (plin)305

Benzini i nafte (pare)od 220 pa na vie

Butan (plin)372

Vano je istaknuti da su te nedoputene temperature dosegnute i u vremenima kraim od vremena tE (IEC 60079-7), to predstavlja izravnu opasnost budui da su ta izmjerena vremena manja od zahtijevanih vremena djelovanja zatita od preoptereenja kod Ex e elektromotora. Detaljniji prikaz doputenog vremena tE i zagrijavanja motora prikazan je na slici 3., a prema IEC 60079-7.

Slika 3. Zagrijavanje i vrijeme tE kod Ex e elektromotoraPrema slici 3. nijedna povrina elektromotora, ukljuujui i temperaturu kaveza rotora, ne smije dosegnuti temperaturu viu od temperature odreene temperaturnim razredom i izolacijskom klasom motora.

Odabrani i primijenjeni zatitni ureaj za zatitu elektromotora u vrsti zatite poveana sigurnost (Ex e) od preoptereenja mora iskljuiti zakoeni elektromotor unutar vremena tE. Najvea doputena ukupna temperatura (dop (Gavrani, 2002., IEC 60079) iznosi:

[1]

gdje su:

(o

- najvia oekivana temperatura okoline, uobiajeno 40 C,

(nmax- najvea stagnirana nadtemperatura normalnog pogona,

(k

- nadtemperatura zbog kvara, zakoeni rotor - odreena vremenom tE,(kl/tr- najvea doputena ukupna temperatura za klasu izolacije motora i temperaturni razred.

Tablice 2. i 3. jasno pokazuju da bi elektromotor u vrsti zatite poveana sigurnost (Ex e) uz razinu oteenja II u uvjetima zakoenja rotora zasigurno predstavljao izravni uzronik paljenja eksplozivne atmosfere, smjesa npr. acetilen/zrak i pare benzina/zrak, to za posljedicu ima eksploziju u takvom okruenju. Pretpostavljena razina oteenja kaveza rotora nije uoljiva u normalnom radu motora (bez primjene specijalistikih dijagnostikih ispitivanja) niti ju zahtijevane zatite od preoptereenja Ex e motora trebaju prepoznati. Neiskljuenje motora u traenom vremenu tE, odnosno prije nego to rotor dosegne nedopustivu temperaturu, moe biti posljedica toga stanja.

Rezultati ispitivanja u eksplozivnoj atmosferi

Provedena su ispitivanja djelotvornosti uzronika paljenja nastalih oteenjima kaveza rotora u uvjetima stvarne prisutnosti eksplozivne atmosfere. Tijekom ispitivanja motor je punjen smjesama razliitih zapaljivih plinova i zraka. Pokusi su provedeni u uvjetima zakoenog rotora, sa snienim naponom, te pri zaletu i u vrtnji elektromotora pri raznim optereenjima (slika 4.). Ispitivanja su obavljena za ispravan rotor te za razliite razine oteenja.

Slika 4. Ex e motor ispitivan u eksplozivnoj atmosferiTablica 4. prikazuje rezultate ispitivanja u eksplozivnoj atmosferi za stanja rotora bez oteenja i za razinu oteenja II, kod ispitivanja kratkog spoja sa snienim naponom, uz struju 250 A (za razinu II). Ispitivanje je provedeno na nain da je elektromotor punjen smjesama propan/zrak, vodik/zrak i acetilen/zrak.

Tablica 4. Rezultati ispitivanja elektromotora u eksplozivnoj atmosferi

Stanje elektromotora

(kaveza rotora)Ispitna smjesa

unutar elektromotoraDogodila se eksplozija

DA/NE

Neoteenpropan/zrakNE

vodik/zrakNE

acetilen/zrakNE

Razina oteenja IIpropan/zrakNE

vodik/zrakNE

acetilen/zrakDA

Kako se vidi u Tablici 4. nije dolo do eksplozije pri radu elektromotora s ispravnim rotorom u eksplozivnoj atmosferi propana, vodika i acetilena (uz osiguranje zahtijevane zatite od preoptereenja za Ex e motore). Iz iste je tablice vidljivo da je do eksplozije dolo pri razini oteenja II kada je motor radio u okruenju eksplozivne smjese acetilena, ak i uz osiguranje zahtijevane zatite od preoptereenja za Ex e motore.

Ponovno je vano istaknuti da razina oteenja rotora II nije uoljiva u normalnom radu motora (bez primjene specijalistikih dijagnostikih ispitivanja) niti ju zahtijevane zatite od preoptereenja Ex e motora prepoznaju, to za posljedicu ima neiskljuenje motora u traenom vremenu tE i mogunost pojave eksplozije.

Otkrivanje kvara primjenom suvremenih dijagnostikih metoda

Oteenja kaveza rotora je, kako je i ve navedeno, teko primijetiti u normalnom radu motora, posebice ona u ranoj fazi nastanka. Oteenja se, u pravilu, ne otkrivaju niti uobiajenim i zahtijevanim pregledima protueksplozijski zatienih elektromotora. Sve spomenuto dovodi do rizika da skrivena oteenja kaveza rotora mogu izazvati pojavu djelotvornih uzronika paljenja, to je potvreno i rezultatima ispitivanja prikazanim u Tablici 4.

Mjere za izbjegavanje/smanjivanje navedenog rizika ogledaju se u primjeni suvremenih metoda dijagnostikih ispitivanja stanja elektromotora. Takvim je ispitivanjima mogue, u ranoj fazi nastanka, otkriti kvarove (npr. rotora) koji bi mogli daljnjim razvijanjem uzrokovati pojavu djelotvornih uzronika paljenja.

U sklopu ovog rada istraivana je mogunost primjene ON-LINE metode, temeljene na analizi spektra statorske struje (Gavrani, 2002.), kako bi se otkrili skriveni kvarovi rotora koji bi mogli postati djelotvorni uzronici paljenja.

Slika 5. Prikupljanje podataka za analizu spektra statorske struje Ex e elektromotora Metoda je pokazala dobre rezultate u otkrivanju, odnosno prepoznavanju i potvrivanju (poznatih) spomenutih stanja kvara. Rezultati ispitivanja ovom metodom (primijenjenom kod neoteenog rotora i razine oteenja II) prikazani su na slici 6., odnosno 7. Na slici 5. prikazana je oprema upotrijebljena tijekom prikupljanja podataka za spektralnu analizu statorske struje.

Slika 6. Spektar struje statora "Ex e" elektromotora s neoteenim rotorom

Slika 7. Spektar struje statora "Ex e" elektromotora s oteenim rotorom (razina oteenja II)

Pri provedbi analize spektra statorske struje u svrhu utvrivanja stanja rotora, s dijagnostikog stajalita, najznaajnija je komponenta koja se javlja na frekvenciji f1(1-2s) odnosno na frekvenciji f1(1+2s) gdje je f1 frekvencija napona narinutog na stator, dok je s klizanje rotora (Gavrani, 2002.).

Temeljem odnosa amplituda ovih komponenti i osnovne komponente (f1) zakljuuje se o stanju kaveza rotora.

Iz slike 6. (za neoteen rotor) vidljivo je da su iznosi komponenti f1(1-2s), odnosno f1(1+2s) zanemarivi (priblino 0,15 %) u odnosu na osnovnu komponentu f1, to potvruje ispravno stanje kaveza rotora. Iznos ovih komponenti u odnosu na osnovnu komponentu kod razine oteenja II rotora, prema slici 7., iznosi priblino 8%, to ukazuje na tei kvar kaveza rotora.Pri dijagnostici je primijenjen programski paket pod nazivom "Motormonitor" (ENTEK, 1992.).

Ova je metoda praktina za primjenu kod elektromotornih pogona koji rade u prostorima ugroenim eksplozivnom atmosferom budui da se sva mjerenja provode izvan ugroenog prostora (nema posebnih zahtjeva, s naslova protueksplozijske zatite, na ispitnu opremu) i ne ometa se rad pogona.

OSNOVNA KONCEPCIJA PROCJENE RIZIKASvrha je provedenih istraivanja procijeniti rizik nastanka eksplozije zbog primjene elektromotora (elektromotornih pogona) u prostorima ugroenim eksplozivnom atmosferom.

Provedena se ispitivanja temeljno bave analizama mogunosti pojave uzronika paljenja unutar elektromotora u uvjetima nastanka oteenja kaveza rotora.

Kvarovi kaveza rotora ubrajaju se u uestale kvarove asinkronih elektromotora. Udio kvarova rotora u ukupnim kvarovima asinkronog elektromotora iznosi 31,65% (Ban, Wolf, Cettolo, 1993.).

Provedena istraivanja nastavak su analiza ranije postavljenih pretpostavki i hipoteza (Gavrani, Ban, arko, 2008., Kelava, Gavrani, Dekin, 2008., Gavrani, Ban, arko, 2007.) da oteenja kaveza rotora mogu predstavljati realne uzronike paljenja eksplozivne atmosfere.

Procjena rizika pojave neeljenog dogaaja ili scenarija (eksplozije) analizira se, u sklopu ovih istraivanja, na tzv. konceptu tripleta kojeg su u teoriju rizika uveli Kaplan i Garrrick (Gavrani, 2007.).

Ako sa S oznaimo neeljeni dogaaj, sa pS vjerojatnost njegove pojave, a sa cS posljedice njegove pojave, tada triplet (Si, pSi, cSi) moemo smatrati odgovorom na tri temeljna pitanja procjene rizika (koji su to mogui neeljeni dogaaji, koja je uestalost neeljenih dogaaja te koje su i kolike mogue posljedice).

Temeljem navedenog, formalna se definicija rizika moe izraziti na ovaj nain (Gavrani, 2007.):

(2(gdje je R rizik, dok je i=1,2,3...n skup svih moguih neeljenih scenarija.

Navedeni je koncept, za prostore ugroene eksplozivnom atmosferom i uzimajui u obzir sigurnosne sustave, mogue opisati ovim izrazom:

(3(gdje su:

Ri - rizik (neeljeni dogaaj),

Pi - vjerojatnost nastanka neeljenog dogaaja,

Si - opseg posljedica realizacije neeljenog dogaaja,

FSFi - vjerojatnost kvara sigurnosnog sustava,

i= 1,2, 3 ... n- skup svih moguih neeljenih dogaaja.

Uzimajui u obzir da su, u prostorima ugroenim eksplozivnom atmosferom, neeljeni dogaaji pojava eksplozivne atmosfere (Pexati) i pojava uzronika paljenja (Pexupi), odnosno:

(4(konani je izraz za rizik, tj. pojavu neeljenog dogaaja (eksplozije):

(5(Koncepcija procjene rizika razvijena i primijenjena u ovim istraivanjima temelji se na analizi vjerojatnosti nastanka kvarova kaveza rotora (Pexupi) i vjerojatnosti pojave isputanja zapaljivog medija, odnosno nastanka eksplozivne atmosfere (Pexati). Pri tome se uzimaju u obzir i posljedice eksplozije (Si). Posebno je znaajna, kod elektromotora u vrsti zatite poveana sigurnost Ex e, analiza vjerojatnosti zatajenja sigurnosnih sustava, odnosno sustava za zatitu od preoptereenja (FSFi), s teitem na vjerojatnost pojave kvarova koje sigurnosni sustav ne prepoznaje, a o emu je ranije bilo vie rijei.

Prikaz analiza rizika, temeljenih na prikazanom konceptu za prostore ugroene eksplozivnom atmosferom, te kategorizacija rizika primjene elektromotora u eksplozijski ugroenom prostoru, zbog opirnosti, bit e prikazani u slijedeim radovima.

ZAKLJUAKProvedena su opsena eksperimentalna istraivanja mogunosti da li bi kvarovi kaveza rotora mogli postati realna opasnost u obliku pojave zapaljenja i eksplozije kod motora u Ex e zatiti.

Rezultatima eksperimentalnih istraivanja potvrena je ranije postavljena hipoteza da oteenja kaveza rotora mogu postati djelotvorni uzronici paljenja, odnosno da mogu izazvati eksploziju kada takvi motori rade u okruenju eksplozivne atmosfere.

Namjerno izazvanim teim kvarom kaveza rotora i punjenjem unutranjosti motora smjesom acetilena i zraka dogodila se eksplozija.

Rezultati eksperimentalnih ispitivanja upuuju na potrebu da u procjeni rizika primjene elektromotora u eksplozijski ugroenom prostoru treba posebno uzeti u obzir teke, ali vjerojatne kvarove kaveza rotora.

Mjere za izbjegavanje/smanjivanje navedenog rizika oituju se u primjeni suvremenih metoda dijagnostikih ispitivanja stanja elektromotora kojima se, kako je pokazano tijekom provedenih istraivanja, mogu u ranoj fazi otkriti oteenja kaveza rotora.

LITERATURABan, D., Wolf, R., Cettolo, M.: Kompjuterizirana "ON-LINE" dijagnostika stanja rotora asinkronih motora, Zbornik IV. meunarodnog simpozija o novim tehnologijama, EDZ, Pula, 1993.

Gavrani, I. : Dijagnostika protueksplozijski zatienih elektromotornih pogona (magistarski rad), FER, Zagreb, 2002.

Gavrani, I.: Methodology of Risk Assessment in Explosive Atmosphere/Hazardous Areas, Ex-Journal 35(2007), No. 1, p.p. 38-51, Zagreb, 2007.

Gavrani, I., Ban, D., arko, D.: Electrical Drives for Explosive Atmospheres - Motor Selection and Risk Assessment , 16th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics (EDPE), The High Tatras, Slovakia, September 2007.

Gavrani, I., Ban, D., arko, D.: Explosion Protected Electrical Drives - Risk Assessment and Technical Diagnostics, 13th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC), Poznan, Poland, 1-3 September 2008.

IEC 60079, Exsplosive atmospheres, IEC.

Kelava, M., Gavrani, I., Dekin, J.: Practical experience with inspection in plants at risk of explosive atmospheres, 5th Petroleum and Chemical Industry Conference Europe - Electrical and Instrumentation Applications, Weimar, Germany, 10-12 June 2008.

Marinovi, N.: Protueksplozijska zatita za eksplozivnu atmosferu, ETEKON, Zagreb, 2005.

Motormonitor - operating manual, ENTEK, Ohio, 1992.

Application of Electrical Motors in Explosive Atmospheres - Experimental Research of Ignition Risks

SUMMARY: This paper considers the risks of electrical motors application in areas where explosive atmospheres are present. The analysis of the probability of ignition sources, which may occur due to damaged rotor squirrel cages in such areas, is the basis of the paper. Research into the effectiveness of ignition sources, in actual conditions where flammable substances are present, has been performed on motors with type of protection Ex e (increased safety), 47 kW and 380 V rated data. Various levels of damage on the rotor squirrel cage have been tested in explosive atmospheres of flammable gases. The reliability of implementing the ON-LINE technical diagnosing methods for determination of a motor condition has been specifically tested, in order to detect the level of damage to the squirrel cage, which may become a source of ignition of explosive mixtures.

Key words: explosive atmosphere, electrical motor, rotor faults, technical diagnostics, explosion protection, risk, explosion

Preliminary communication

Received: 2009-05-06

Accepted: 2009-05-25

strana 9

_1218029873.unknown

_1302174444.unknown

_1302528271.unknown

_1302174840.unknown

_1302173770.unknown

_1082642204.unknown