防爆设备基本原及选型技巧之本安型电气设备.docx
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防爆设备基本原及选型技巧之本安型电气设备
防爆设备基本原理及选型技巧之三本安型电气设备
2011-05-2416:
57:
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三本安型电气设备
1名词术语（最常用的）
1）本质安全电路:
在规定的条件下（包括正常工作和规定的故障条件下），产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。
2）本质安全设备：
其内部所有的电路都是本安电路的电气设备。
3）关联设备：
装有本质安全电路和非本质安全电路，而且结构使非本质安全电路不能对本质安全电路产生不利影响的电气设备。
4）最小点燃电流：
用火花实验装置，在电阻电路或电感电路中引起爆炸性实验混合物点燃的最小电流。
5）最低点燃电压：
用火花实验装置，在电容电路中引起爆炸性实验混合物点燃的最低电压。
6）电气间隙：
两导电部件在空气中的最短距离。
7）空气中的爬电距离：
两导电部件之间沿绝缘材料与空气的接触表面的最短距离。
1.6本质安全型设备的特点
1）安全程度高，ia等级可用于0区，其他防爆型式均不能用于0区；
2）体积小，重量轻，造价低；
3）结构简单，易操作、维护。
所以，在防爆产品选型上，应尽可能选择本质安全型。
2本质安全型电路的参数设计
2.1设计依据:
GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：
通用要求
GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分：
本质安全型“i”
特别是GB3836.4中的附录A—最小点燃曲线，这些曲线是在专门的火花实验装置上进行大量的火花实验，确定了点燃爆炸性气体的临界参数，有了这些曲线，既方便了设计者和使用者，也为检验单位审查其本质安全性能提供了依据。
一个电路不管多么复杂，都是由电阻、电容、电感等元器件组成的，当我们能把它简化成仅含有一个等效参数的简单电路时，就可以分别考虑其正常工作和故障状态下的电压、电流对点燃情况的影响，应用最小点燃曲线来计算电路的本质安全性能。
2.2查最小点燃曲线的方法
1）确定电路类型（R、C、L）,并考虑最不利的因素（电源的波动、元件的容差），确定电气参数（U、I、R、C、L）值；
2）将相应的安全系数加在电压或电流上：
ia等级:
正常工作和一个故障，安全系数K＝1.5；二个故障，安全系数K＝1.0；
ib等级:
正常工作和一个故障，安全系数K＝1.5；
3）对应不同的电路类型，根据防爆级别不同，查相应的最小的点燃曲线，使考虑安全系数后的电压（Uk）或电流值（Ik）小于最小点燃电压（Umin）或最小点燃电流（Imin）值。
否则应修改电路参数，使之满足本质安全要求。
2.3设计示例
2.3.1简单的电阻电路
一个20V的直流电源,选多大的限流电阻,才能适用于氢气危险场所?
（1）首先确认电路类型为电阻电路,防爆级别为ⅡC,考虑电源波动10%的因素，电源U＝20V×1.1＝22V
查GB3836.4附录图A1（ⅡC），22V对应的最小点燃电流为337mA。
（2）将安全系数K＝1.5加在电流上，即Ik＝337mA/1.5＝224mA
（3）20V的直流电源串联的限流电阻R＝22V/224mA＝98.2Ω
考虑电阻允许误差±5%，限流电阻最小阻值至少为103.1Ω。
当该电源（电池组）直接用于危险场所时,电池与限流电阻必须整体封装为一体,防止电池直接短路。
电阻电路的本安措施：
是通过限制电压和电流来控制火花能量的。
2.3.2简单的电容电路
评价一个用于Ⅰ类场所本质电路的安全性能。
电路由一个30V电池组与可靠元件10KΩ电阻、10uf电容器连接组成的。
（在该示例中，30V和10uf值取最大值,10KΩ电阻值取最小值）
1电源电路
（1）电池最高电压Uo＝30V,电池最大短路电流Io＝Uo/R＝30V/10KΩ＝3mA
（1）取安全系数K＝1.5,Ik＝1.5×3mA＝4.5mA
（2）查A1曲线（I）,30V对应最小点燃电流Imain＝700mA
（3）评定：
因为Ik（4.5mA）远小于Imain（700mA）,安全系数超过了100倍,所以,该电源是本质安全的.
2电容器
（1）C＝10uf,,U＝30V
（2）取安全系数K＝1.5,Uk＝1.5×30V＝45V
（3）查A2曲线（I）,10uf对应最小点燃电压Vmain＝26V
（4）评定：
因为Uk（45V）大于Umain（26V）,所以,该电路不是本质安全的.
（5）修改方案
方案1:
电容值不变，降低电压:
因为C＝10uf，对应最小点燃电压Vmain＝26V
所以电压应降低为Uk＝Vmain（26V）/1.5＝26V/1.5＝17.3V
方案2:
电压值不变，减小电容值:
因为U＝30V，取安全系数K＝1.5,Uk＝1.5×30V＝45V
查A2曲线（I）,45V最小点燃电压对应的最小电容值为3uf
方案3:
电容、电压值不变，电容串联可靠电阻（取R＝5.6Ω）:
因为U＝30V，取安全系数K＝1.5,Uk＝1.5×30V＝45V
查A2曲线（I）,根据10uf＋5.6这条曲线，得到最小点燃电压（Umain）为48V,
因为Uk（45V）小于Umain（48V）,所以,该电路是本质安全的。
U＝30VC＝10uf2648Umin（V）
R＝10KΩR＝5.6Ω图A2I类电容电路
电容电路的本安措施：
尽可能降低电源电压或电容值，当仍达不到要求时，可将电容串接可靠电阻并浇封为一体。
2.3.3简单的电感电路
U＝20VL＝100mH
R＝300ΩR＝1100Ω
如上图所示，假定由一个ⅡC电路，是由一个20V电池组与可靠元件300Ω限流电阻组成的电源，并向一个1100Ω、100mH的电感器馈电，评价该电路的本安性能。
该示例中，300Ω和1100Ω取为最小值，100mH取为最大值，电池组的最高电压假定为22V。
1电源电路
（1）电池最高电压Uo＝22V,电池最大短路电流Io＝Uo/R＝22V/300＝73.3mA（忽略电池内组）
（2）取安全系数K＝1.5,Ik＝1.5×73.3mA＝110mA
（3）查A1曲线（ⅡC）,22V对应最小点燃电流Imain＝337mA
（4）评定：
因为Ik（110mA）小于Imain（337mA）,所以,该电源是本质安全的.
2电感器
（1）电感中的最大电流I＝Uo/R＝22V/300＋1100＝15.7mA
（2）取安全系数K＝1.5,Ik＝1.5×15.7mA＝23.6mA
（3）查A4曲线（ⅡC）,100mH对应最小点燃电流Imain＝28mA
（4）评定：
因为Ik（23.6mA）小于Imain（28mA）,所以,该电路是本质安全的.
电感电路的本安措施：
尽量减小电路的电感量或电流值，当仍达不到要求时，电感两端可并接分流保护性元件，而且要双（三）重化,并与电感浇封为一体.
例如:
电感两端可并接续流二极管保护性元件,ib等级需双重化，ia等级需三重化。
3结构要求
3.1外壳
一般Ⅰ类外壳不低于IP54,Ⅱ类不低于IP20，但也应与环境条件相适应，对于恶劣环境，应适当提高防护等级。
例如户外，一般不低于IP54。
3.1.1防护等级
依据标准:
GB4208-1993外壳防护等级（IP代码）
3.1.2外壳材质
a塑料外壳：
热稳定性：
塑料外壳允许的工作温度高于设备外壳最高表面温度。
表面绝缘电阻：
＜1GΩ
不燃型或难燃型材料
b轻金属外壳：
Ⅱ类：
含镁量（质量百分比）＜6%。
3.2设备的外部连接
3.2.1接线端子
同一接线盒内，本安与非本安接线端子的间距不小于50mm，否则应加绝缘板或接地金属板进行隔离。
而且本安接线端子应为浅蓝色或有本安标记。
各本安电路接线端子的裸露导体部件之间的电气间隙应等于或大于GB3836.4表4给出值。
另外，接线端子之间的电气间隙在按GB3836.4图1测量时，连接外部导体的裸露导电部件之间的电气间隙应不小于6mm。
连接到端子的外部导体的裸露导体部件和接地金属或其它导体部件之间的最小电气间隙应不小于3mm。
3）接线端子应具有放松措施（加弹垫），确保连接可靠。
3.2.2插接件
1）用于连接外部本安与非本安电路的插头和插座应是分开的，而且不能互换。
2）外部连接配备有一个以上的插头和插座时，应有防互换、防误插、防拔脱措施。
3.2.3内部导线（由制造厂完成的内部布线的电气连接）
本安与非本安导线尽量分开布置。
本安导线应至少能承受500V绝缘介电强度实验，非本安导线至少能承受1500V绝缘介电强度实验。
同一外壳中的本安导线应为浅蓝色或加蓝色套管标记。
导线的截面积可根据实际电流合理选用。
3.2.4防止极性接反保护
电源端加防止反接的二极管保护措施。
充电电池的接口，为防止电池对外短路放电，也应加阻塞二极管保护，（ib等级加二个，ia等级加三个）
3.3浇封
浇封是防止爆炸性气体侵入的安全措施，同时也加强了电气绝缘，避免了电路火花。
3.3.1浇封常用于以下情况：
当电路中某一元件或参数过大，达不到本安性能时，可接入保护性元件，并用环氧树脂或硅胶等浇粘剂浇注为一体，组成本安组件。
当电路中裸露导体之间电气间隙和爬电距离过小，可用浇封使电气间隙减小到规定值的1/3。
防止人为更换元件，保证电路工作的可靠性。
降低元件或导线的表面温度。
3.3.2浇封要求
1）浇封材料应具有足够的热稳定性，即浇封材料允许的工作温度应高于元器件的最高表面温度。
2）浇封电路的电气间隙和爬电距离应满足GB3836.4表中4的规定值。
3）浇封表面与被浇封元件、导线的浇封厚度应＞1mm，保证有足够的机械强度。
3.4印刷线路板
印刷线路板表面应有绝缘涂层，当涂层的涂覆不少于二次时，其爬电距离不小于GB3836.4表4中第六行的规定。
3.5绝缘介电强度实验
本安电路和电气设备机架或可能接地部件之间的绝缘应能承受500V交流有效值实验电压。
本安电路与非本安电路之间的绝缘应能承受不小于1500V交流有效值实验电压。
3.6电源变压器
3.6.1保护措施
向本安电路供电的变压器的输入电路应有熔断器或断路器保护。
3.6.2变压器结构
结构1：
本安绕组与其它绕组分开布置；
结构2：
本安绕组与其它绕组内外重叠布置；
要求向本安电路供电的绕组应与其它所有绕组隔离。
特别对于结构2的变压器，本安绕组与其它绕组应设加强绝缘或用铜质接地屏蔽隔离。
3.6.3电源变压器铁芯必须接地。
3.6.4绝缘介电强度实验电压
1）输入与输出绕组之间：
2500V
2）全部绕组与铁心或屏蔽之间：
1000V
3）向本安电路供电绕组与其它绕组之间：
1500V
在实验期间，绕组之间的绝缘或任一绕组与铁心或屏蔽之间的绝缘应不发生击穿。
3.6.5变压器本安供电绕组的出线端子与其他端子分两侧布置，电气间隙和爬电距离应满足GB3836.4表4中规定的要求。
3.6.6其它电器
例如耦合变压器之类的其它电压器，绝缘介电强度实验电压不低于1500V,其它相关要求参照电源变压器执行。
3.7额定值
任何与本安性能有关的元件，在正常工作和故障状态下，电压、电流、功率不得超过其额定值得2/3。
3.8电池
在危险场所使用的电池应符合以下要求：
3.8.1在结构上应满足电解液不溢出的密封式、阀控式等密封结构。
3.8.2电池短路和反向充电，应不会爆炸、燃烧。
3.8.3电池应有安全保护措施，使电池的最高电压和最大短路电流应满足本安要求。
电池需要串联限流电阻时，对于关联设备，不要求整体部件；对于在危险场所使用时，电池与限流电阻应封装为一体，构成成套替换单元；
3.8.4可充电电池的外部触电
充电电池的外部接口，为防止充电触点短路或电池对外放电，应加阻塞二极管保护，（ib等级加二个，ia等级加三个）
3.8.5加警告牌：
在爆炸性气体环境中不许充电；不得拆卸电池。
3.8.6跌落实验
便携式设备应做跌落实验，电池不能抛出或分离，不能使本安性能实效。
4安全栅
爆炸性危险场所使用的本安设备（除独立电源外），都必须外接关联设备—安全栅。
安全栅是一种限能装置，是一种安全保护性组件，接在本安与非本安电路之间，防止非本安电路产生的危险能量串入本安电路，确保本安电路的安全。
安全栅一般放置在安全区，若安装在危险区，必须置于另一种防爆型式之中。
目前采用最多的是隔爆外壳，即隔爆本安复合型。
4.1齐纳式安全栅
4.1.1特点：
线路简单，使用的元器件少，成本低，体积小，性能可靠，所以被广泛使用。
4.1.2电路工作原理
F:
快速熔断器
R2:
限流电阻
D1、D2:
齐纳二极管，交流电路可选用双向稳压管。
限压作用：
正常工作时，非本安端所加电压低于齐纳二极管的齐纳电压，所以D1、D2处于不导通状态，不影响系统的正常工作。
当非本安端发生故障，所加电压高于齐纳二极管的齐纳电压时，D1、D2处于导通状态，
输出电压被限制在齐纳电压上，当输入电压过高，其电流急剧上升，雪崩过程把熔断器瞬时熔断，保护了齐纳二极管，同时切断了电源，防止高电压串入爆炸性危险场所。
限流作用：
当输出端短路时，限流电组将短路电流限制在安全范围内。
4.1.3主要参数
1）最高电压（Um）：
施加到非本安连接装置上，而不会使本安性能失效的最高电压。
2）最高输出电压（Uo）：
在开路条件下，非本安端施加最高电压，本安端可能出现的最高输出电压。
3）最大输出电流（Io）：
来自电气设备连接装置的本安电路的最大电流。
4）最大外部电容（Co）：
可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的本安电路的最大电容。
5）最大外部电感（Lo）:
可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的本安电路的最大电感。
4.1.4性能要求
1）快速熔断器F:
（特殊保护性元件）
应具有快速熔断特性，在同一电流作用下，熔断器的熔时间必须小于齐纳管的击穿时间（短路时间）1/10。
2）齐纳二极管D1、D2:
应选择特性曲线陡峭、漏电流小、先短路后断路的型号，而且功率、频率特性等也应满足要求。
每只齐纳二极管应能承受2小时，150度的温度实验。
齐纳二极管功率额定值至少是1.7In×二极管最高齐纳电压。
（In是熔断器额定工作电流）
3）限流电阻R2:
应选择精度高（不低于±5%）功率大，性能稳定的电阻。
1）安全栅的本安输出端短路（考虑安全系数），不得点燃规定的爆炸性气体混合物。
2）供给0区使用的安全栅，应选用三重化限压的齐纳式安全栅。
4.2隔离式安全栅
隔离式安全栅是将电源、输入和输出信号完全隔离，再经限能装置与危险场所的设备相连，
保证了系统的本安防爆性能，增强了信号抗干扰能力，使现场设备工作更安全可靠。
5本质安全型设备的有关实验
5.1本质安全型电气设备的主要实验工程如下：
1）结构检查
2）防爆电气参数测定
3）温度实验
4）绝缘介电强度实验
5）轻金属外壳材料含镁量测定
6）塑料外壳绝缘电阻测定
7）跌落实验（便携式）
8）电池和电池组实验
9）机械实验
10）火花实验
11）其它实验
5.2火花实验
在这一节中，将简单介绍一下火花实验，这是本安电路和本安电气设备最主要的实验工程之一。
5.2.1实验目的：
是保证本安设备在正常工作和故障状态下，电路中产生的电火花不能点燃相应的爆炸性气体混合物。
5.2.2实验方法：
被测电路接入火花实验装置电极上，电极在充满爆炸性实验混合物的容器内，将电路参数调整到规定的安全系数，并且实验确定在电极系统的规定转数内，是否点燃爆炸性气体混合物。
火花实验前，需对火花实验装置进行标定，以减小实验误差。
5.2.3实验气体（体积比）
1）爆炸性实验气体混合物成分：
Ⅰ类设备8.0%-8.6%甲烷-空气
ⅡA类设备5.0%-5.5%丙烷-空气
ⅡB类设备7.3%-8.3%乙烯-空气
ⅡC类设备19%-23%氢气-空气
2）相当于1.5倍安全系数、爆炸性实验气体混合物成分（体积%）
气体级别
氧-氢-空气混合物
氧-氢混合物
氢气
空气
氧气
氢气
氧气
Ⅰ
ⅡA
ⅡB
ⅡC
52
48
38
30
48
52
62
53
-
-
-
17
85
81
75
60
15
19
25
40
5.2.4火花实验装置
实验装置由至少250立方厘M的爆炸容器内布置一组电极组成，电极用于在规定的爆炸性实验混合物内产生闭合火花和开路火花。
爆炸容器（爆炸性气体混合物）
（能承受1500Kpa主电极（极握）
爆炸压力）钨丝隔盘
火花实验装置电极示意图
1）主电极（极握）：
由黄铜制成，直径50mm，上面有4个夹具，固定4根钨丝，夹具距隔盘10mm，钨丝自由长度11mm，直径0.2mm。
2）隔盘（另一个电极）：
直径30mm，上面有两个宽度与深度均2mm的槽，槽距中心6.5mm。
主电极以80转/分的速度旋转，而隔盘则以转速比50：
12向相反方向旋转，以便钨丝能划过隔盘上的两个槽。
火花实验转数，对于直流400转，对于交流1000转，以不点燃实验气体为合格。
3）火花实验装置适用范围：
a实验电流不大与3A；
b对于电阻性和电容性的电路开路电压不大于300V；
c对于电感性电路，电感不大于1H。
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