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討論本安電路防爆措施與設(shè)計(jì)問題

文檔作者：程亞光文檔來源：機(jī)械部南陽防爆電氣研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月08日
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討論本安電路防爆措施與設(shè)計(jì)問題
機(jī)械部南陽防爆電氣研究所程亞光
g
〔摘要〕文章討論了對(duì)本安電路防爆措施的要求與本安電路設(shè)計(jì)的問題
〔關(guān)越詞〕本安電路防爆措施安全界限設(shè)計(jì)
引言
旅設(shè)計(jì)本安電路“ 似難非難, 似易非易” ,
這是說熟悉本安防爆標(biāo)準(zhǔn)并能靈活運(yùn)用其規(guī)定
的人一設(shè)計(jì)本安電路是件容易的事, 否則就會(huì)
左然失措, 感到無從著手, 認(rèn)為設(shè)計(jì)本安電路
是件較難的事。有位搞了幾年防爆電氣產(chǎn)品設(shè)
計(jì)的肌友說
` .
咋說咋有理” , 意思是檢驗(yàn)人員
說了算, 別人則不能。其實(shí)不然。固然本安防
爆標(biāo)準(zhǔn)不如隔爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的那么共體, 如隔爆
間隙、寬度、結(jié)構(gòu)要求等一日了然, 易于把握-
但是, 本安標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電路結(jié)構(gòu)形式、可靠元件
和結(jié)構(gòu)要求等也都作出明確規(guī)定, 并給出最小
點(diǎn)燃曲線是人人可以操作的。從19 76 年初我國
第一部本安標(biāo)準(zhǔn)- -
一《安全火花型防爆電氣設(shè)
備制造檢驗(yàn)暫行規(guī)定》( 試行) 到G B 38 36
. 4
一8 3 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備布質(zhì)安全
型電路和電氣設(shè)備“ i’ 分執(zhí)行至今, 或者從
19 了3年配合聯(lián)合設(shè)計(jì)的D D 各二t 型電動(dòng)單元
組合儀表而制訂的《工廠用安全火花型防爆電
氣設(shè)備制造檢驗(yàn)暫行規(guī)定》開始到現(xiàn)在, 本安
防爆技術(shù)的廠
`
泛應(yīng)用已有20 年的歷史。在此
期間設(shè)計(jì)數(shù)以百計(jì)的各種各類的本安防爆產(chǎn)
況. , 生產(chǎn)出了數(shù)以千萬臺(tái)的本安防爆電氣設(shè)備,
己積累了大量的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)。雖然隨著時(shí)
間的流逝, 人員的更替, 產(chǎn)品的翻新, 國外產(chǎn)
三相橋式整流器采甩的壓接式硅二極整流
管Z : 2 2 2 3 2 4 , 2 5 ’ 2 6 ` 為ZX S 20 。正極性竹,
2 1 ` 2 2 ` 2 3 ` 2 4 2 : 2 6 為ZX R Zo o 負(fù)極性管。
勵(lì)磁同步開關(guān)晶閘管K G: 為K X S 3 50 正極性聳
滅磁異步開關(guān)晶閘管K GZ 為K X 8 3 50 正極性蒼;
硅二極管Z : 為Z X R20 0 負(fù)極性管。不同極性的
雙管安裝在一個(gè)冷卻器上, 形成一個(gè)組件, 兼
作元件間的聯(lián)接線。在主體安裝架輻板上開設(shè)
安裝電力電子元件和組件及通風(fēng)用窗白, 用絕
緣墊、絕緣套管和螺栓固定在主體支架剔環(huán)內(nèi)
壁上。
抑制硅二極整流管換向暫態(tài)振蕩尖峰電壓
的阻容保護(hù)器和滑差檢測的電子控制單元, 均
為環(huán)氧樹脂澆注模塊結(jié)構(gòu), 安裝在主體安裝架
惘環(huán)內(nèi)壁上。
滅磁電阻的安裝方式設(shè)計(jì)成其保護(hù)外殼與
主體安裝架惘環(huán)內(nèi)壁圓為同心圓, 嵌裝于輻板
一側(cè), 使其嵌裝同心穩(wěn)牢。
直流和交流導(dǎo)電匯流環(huán), 分別安裝于主體
安裝架輻板兩側(cè)空間位置, 采用具有凹槽絕緣
戈板將匯流環(huán)分層間隔的緊固在輻板士
山。旋轉(zhuǎn)
整流器的全部電力電子元件和組件的弓.接線端
子, 采用冷擠壓連接, 并采取輻射狀的方式接
f 直流和交流導(dǎo)電匯流環(huán)上。
旋轉(zhuǎn)整流器理想的布置是使電力電子元、
組件之間和相關(guān)的導(dǎo)電引接線聯(lián)接具有最大的
叮接近性和占有最小的安裝空間, 同時(shí)在布置
設(shè)汁中考慮器件的重量分布
并3 鑄
DOI : 10. 14023 /j . cnki . dqfb. 1993. 03. 003
1
品的引進(jìn)和對(duì)本安防爆技術(shù)認(rèn)識(shí)的深化, 本安
防爆標(biāo)準(zhǔn)作了幾次蜂該, ·
但本安防爆妙原職件
變, 防爆措施的原則沒變, 充因此設(shè)計(jì)本安電路
能, 因而認(rèn)為是不會(huì)發(fā)生故障的, 故把這種用
畢的不器件擎多汐可亨元件或組件。依據(jù)G B
招3 .6 4一83
. , 防爆措施應(yīng)滿足下列三點(diǎn)要求:
的思路是明確的。筆者根據(jù)以往工作中了解的
情況, 就本安電路防爆措施和設(shè)計(jì)中的一些間
題, 提出自己的看法, 共同探討。
二
、
防爆措施
本安防爆是將電路和電路中元器件, 如電
感電容儲(chǔ)能元件; 光電、熱電
、
壓電和磁電等
有源器件; 、
物理量轉(zhuǎn)換電量的傳感器件; 繼電
器、開關(guān)按鈕等有火花器件; 電阻器晶體元件
等無火花器件等在正常工作或妙和) 、損壞的故
障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花能量控制在低于其所在
環(huán)境中的爆炸性氣體最小點(diǎn)燃能量以下, 發(fā)熱
溫度限制在爆炸性氣體的引燃溫度以下, `
就不
會(huì)發(fā)生爆炸。這就要求向本安電路供電的網(wǎng)路
電源線和信號(hào)輸出線都要設(shè)置柵門, 即通常所
說的安全柵或具有同樣功能的限壓限流環(huán)節(jié).
以阻擋網(wǎng)
.
路高能量, 只允許安全能量送到可能
接觸有爆炸性氣體的電路中。電池租蓄電池雖
然可以放在爆炸性危險(xiǎn)場所, 一
通常也應(yīng)串接限
流龜阻, 預(yù)防短路時(shí)較大電流發(fā)生點(diǎn)燃。`
不同
的本安電路要防止電壓或電流疊加。一
能量較大
的有源傳感器件往往采取隔離措施, 只允許信
號(hào)通過, 如用隔離電容器、二極管隔離或限幅
、
電阻限流等力、法。對(duì)于儲(chǔ)能元件, 常用并聯(lián)二
極管分流電感釋放存儲(chǔ)的能量, 或用串接電阻
減小電流; 用串接電阻限制電容儲(chǔ)能釋放或并
聯(lián)穩(wěn)壓器減小電容儲(chǔ)能。上述種種限制器件應(yīng)
與被限制的有源器件和儲(chǔ)能器件用
’
環(huán)氧膠封、
以預(yù)防直接連線發(fā)生開路或短路使限制失效。
為防止電路、元器件間的電氣擊穿、爬電或混
觸, 防爆標(biāo)準(zhǔn)G B 3 8 3 6 . 4一83 規(guī)定了電氣間隙、
爬電距離; 膠封和涂層下的間距丁接線端子
間和對(duì)地間的距離以及防護(hù)要求二為使電路
實(shí)現(xiàn)本安防爆, 通常均須增加防爆措施, 不加
防爆措施就可成為本安龜路的情況是很少的。
增加的防爆措施必須可靠, 不會(huì)失去防爆的功
關(guān)井
1.
雙重化原則
本安電路防爆措施的功能可歸納為三種作
用: 限壓、限流和分隔。雙重化是指功能雙重
化, 當(dāng)一重失掉功能還有一重保持原功能。雙
重化原則較普遍使用在安全技術(shù)申, 不僅適用
于晶體器件與組件, 對(duì)隔離電容器、接地線等
也適用奢例夕f的電阻器不要求雙重花亡但炭質(zhì)
電阻因易燒成短路而不宜用作防爆措施。功能
雙重化并不限用同一種類元件, 也不限制是否
參與電路的正常工作與否。
么額定值原則- 一
電路在正常工作和( 或) 電路及其他元器
件損壞的狀態(tài)下, 、
可靠元件所可能承受到的電
壓、龜流或功率不得大于其額定值的2 / 3 。
由于雙重化要求, 每一重都須符合這開原財(cái),
只有電阻器按G B 38 36 , 4一8 3 規(guī)定在故障狀態(tài)
時(shí)可使用到額定值, 這有利于減小外形尺寸。
3
·
分隔原則一
· - 二
分隔包括分開一定矩離或絕緣隔離。電氣
間隙、爬電距離、引線何和接線端子之間都要
求分開一定距離; 、
裸導(dǎo)體在絕緣涂層下、處在
環(huán)氧膠封中、變壓器絕緣等都屬于絕緣隔離。
分開距離可以觀察測量, 只要不小于規(guī)定值就
認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)故障; 絕緣隔離如果不作出保證
性規(guī)定, 則認(rèn)為可能損壞, ’
如晶體管內(nèi)部的情
況, 所以一只市售的集成電路塊沒辦法實(shí)現(xiàn)雙
重化。有時(shí)用耐電壓試驗(yàn)的方法來證明絕緣是
否可靠, 如光龜藕合器、變壓器就屬這種情況。
至于為防止電磁感應(yīng)、, 靜電感應(yīng)、無線電輻射
影響、熱力場影響、電路混觸等干擾診也采用
遠(yuǎn)離或隔離防護(hù)辦祛。,
一
_
通過上述三原則判定防爆措施是否可靠,
還要估計(jì)電路是否達(dá)到本安, 即是否在安全界
限以
,
內(nèi)。一
、
三、本妥電路設(shè)計(jì)問題
·
電路在正常工作時(shí)或( 和) 電路與元件損壞
14
的故障時(shí), 總要有電火花發(fā)生; 要求電火花能
量在安全界限之內(nèi)才是安全的于安全界限與當(dāng)
時(shí)人們的技術(shù)水平、認(rèn)識(shí)程度及經(jīng)驗(yàn)狀況有
關(guān), 所以本安防爆標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
的產(chǎn)物, 有個(gè)不斷完善和提高的過程?，F(xiàn)時(shí)本
安電路的安全界限是最小點(diǎn)燃能量和點(diǎn)火概率
與試驗(yàn)條件的總和, 分述如卞:
1 .
火花試驗(yàn)裝置
火花試驗(yàn)裝置由I E C79 一息規(guī)定, ·
并為各
國所公認(rèn)獷因?yàn)樵撗b查模擬電路開閉火花形式
最接近于實(shí)際狀態(tài), 試驗(yàn)所得的最小點(diǎn)燃曲線
比其他裝置的曲線都低。I E C 79 一3 詳細(xì)規(guī)定
了裝置的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、電極漩轉(zhuǎn)速度、自
由分布參數(shù)等等, 電極旋轉(zhuǎn)速度和結(jié)構(gòu)尺寸決
定了產(chǎn)生開閉電滅花的放電時(shí)間g
2 . 試驗(yàn)氣體與條件
試驗(yàn)氣體為可燃性氣體或易燃性液體蒸氣
與空氣混合后取最易被電火花點(diǎn)燃的濃度( 體
積百分比濃度) , 在每二級(jí)別中取點(diǎn)燃能量最
低或接近最低的一種氣體作為代表性氣體。試
驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的。
.3 電源與電路
、
試驗(yàn)用電源電路為直流線性的。對(duì)電阻電
路、電容電路、電感電路分別進(jìn)行試驗(yàn), 且容
性電路僅限于電器放電能量, 不包含電源電路
成份。氣、
.4 最小點(diǎn)燃曲線一二
G B 38 翁
’ .
4 給出的最小點(diǎn)然曲線有U 一J ,
U 一C , 卜L 三組曲線, 這些曲線都可表述為
最小點(diǎn)燃能量曲線, 如L I Z廠2 和C U“ 2/ , U 一I
曲線中的U 為開路電壓, I 為短路電流, 所以
點(diǎn)燃功率是U l/ 4 , 如與( 1 ) 所決定的電火花
放
.
電時(shí)何t 乘積, 即為點(diǎn)燃能量, ,
這些曲線的
點(diǎn)火概率是10 月。: -
5
.
點(diǎn)火概率
’
把最小點(diǎn)火概率曲線外推到10 一”時(shí)的安全
系數(shù)為1
.
5 , 外推到:l0 一呂安全系數(shù)為2 , 個(gè)別
典型試驗(yàn)還說明當(dāng)點(diǎn)火概率曲線在10 一5 左右出
現(xiàn)拐點(diǎn), 即試驗(yàn)下去不再發(fā)生點(diǎn)燃現(xiàn)象, 所以
在考慮電路故障的情況下, 認(rèn)為。一“點(diǎn)火概率
是安全的。一
6
.
本安電路的故障
二除可靠元件外可任意設(shè)置代假設(shè)) 故障。
當(dāng)電路分隔特合規(guī)定的前提下、故障就指所用
市售元器件的內(nèi)部擊穿或開路, 也是任意假設(shè)
取最壞狀態(tài)
一。二個(gè)元件損壞和由此引發(fā)的一系
列元件損壞記作一個(gè)故障, 兩個(gè)獨(dú)立元件同時(shí)
損壞和由此引發(fā)的二系列損壞記作兩個(gè)故障。
沒有故障和只有一個(gè)故障的電路可作為i a 等級(jí)
電路。安全柵非本安端竄入或棍觸最高允許電
壓及以下任何龜壓不記作故障, 龜路的開路或
短路也不記作故障。`
’ 一
設(shè)計(jì)本安電路首先要估算各功能電路或元
器件的電流電壓和能量, 在正常工作和設(shè)置故
障的情況下是否進(jìn)入本安要求安全界限,一否則
就要增加防爆措施再行核算, 核算防爆措施的
額定值, 反復(fù)改進(jìn)核算, 直到滿意為止。要充
分考慮前述三原則與六點(diǎn)因素的影響。即使做
到這些, 有時(shí)還會(huì)碰到困難, 主要表現(xiàn)在以下
幾方面。
最小點(diǎn)燃曲線不完善, 有時(shí)不能滿足設(shè)計(jì)
電路的需要, 這時(shí)就要用估計(jì)的辦法作大概的
衡量。如電容電路曲線不含電源電路放電能
量, 實(shí)際電路總伴隨有電源電路放電成份, 當(dāng)
查U 一I曲線有較大安全系數(shù)時(shí), 就可用U 一C
曲線衡量電容( 包括多只電容并腳電路。缺少
曲線時(shí)可查上級(jí)曲線, 此時(shí)雖然嚴(yán)些; 但確有把
握。最小點(diǎn)燃曲線不適用于恒流電路, 這時(shí)可
取曲線相應(yīng)值的1 / 4 來衡量電路。有關(guān)安全
系數(shù)的取法問題, J
一個(gè)故障為1
·
5 , 就是將曲
線上查得的電壓或電流使用到其2 / 3 及以
下; 安全系數(shù)為2 , 就是取曲線上查得電壓或
電流值的l / 2
’
使用; 安全系數(shù)為L o , 就是
使用到曲線上查得的電壓或電流值。安全系數(shù)
取在電壓或電流上, 不得取在電感或電容上。
有的電路( 如電感并聯(lián)反向二極管電路) 沒有
曲線供查找, 由于以上原因, 設(shè)計(jì)的電路需要
用火花試驗(yàn)裝置做電火花點(diǎn)燃試驗(yàn), 以最后判
定其安全性。為了有把握, 在設(shè)計(jì)
、
本安電路
時(shí), 在能滿足電路正常工作的條件下, 盡量壓
簽5 補(bǔ)
1
1
低電壓和電流, 并減少電感和電容值。遇到高
溫、高氣壓( 過壓) 和客氧的使用環(huán)境條件,
現(xiàn)行防爆杯準(zhǔn)不適用, 只有作為特例來研究。
電路是千變?nèi)f化的, 防爆措施和用法也是
多種多樣的, 可姆模仿常用的結(jié)構(gòu)形式, 但要
注意所處的位置, 否則也可能無效。以前三原
則考核防爆措施, 根據(jù)具體電路靈活運(yùn)用,’
就
有創(chuàng)新的可能。1
下面簡單討論一下選擇防爆電氣產(chǎn)品類型
方案的幾個(gè)問題, 僅供參考。
( 1) 設(shè)計(jì)的產(chǎn)晶用在地面上還是用在煤
礦井下? 確定I 或l , 若二者都用則為I / I ;
( 2 ) 用在地面上哪類危險(xiǎn)區(qū)? 確定防爆
類型( 見下表) 或復(fù)合防爆型;
魚些里些呈
適用的防堪
類型了七號(hào)
紐i b d e P 1i a i b d e P o
注: 1. 5 型為經(jīng)認(rèn)可用于該危險(xiǎn)區(qū)的特
殊型, 通常在防爆合格證中注明使用的危險(xiǎn)區(qū)。
2 . e 型有的產(chǎn)品允許用在1 區(qū)。
( 3) 使用環(huán)境可燃性氣體或易燃性液體的
級(jí)別和組別? 確定A , B , c ;和里1一T 君, 如僅適
用于單一氣體環(huán)境, 如氫氣則可標(biāo)以( 氫) 。
( 4 ) 使用環(huán)境如有高溫、低溫、過壓和
富氧情況, 應(yīng)與防爆檢驗(yàn)單位商討處理辦法。
_
( 5) 使用環(huán)境有無防水、防外物要求?
確定防護(hù)等級(jí)I P x x , 本安產(chǎn)品至少為I P 2 0 。
( 6 ) 使用環(huán)境有無潮濕、腐蝕、陽光照
射? 確定應(yīng)采取的措施。
( 7 ) 本安產(chǎn)品還須考慮: 補(bǔ)
a .
電網(wǎng)供電、電他供電或二者均有? 電
壓電流大小了是否局部電路制成別種防爆型
式。
b
.
由電網(wǎng)供電時(shí), 哪部分電路可放在安
全區(qū)或制成別種防爆型式兼本安關(guān)聯(lián)設(shè)備
( ia ) 或i( b ) 。放在危險(xiǎn)場所的電路應(yīng)盡可能少。
C .
哪些功能設(shè)在殼體上, 哪些功能遠(yuǎn)置
在殼體外 .,) ( i )a 或 ( i b )與i御或場間有多遠(yuǎn)距離或
連接導(dǎo)線、電纜的分布電容、電感值有多大 .,}
d
.
估計(jì)用哪些防爆措施處理局部電路?
一
( 8 ) 外殼采用塑料材質(zhì)其抗靜電要求怎
么解決? 用鋁合金外殼的含鎂量, 選哪種牌號(hào)
材料?
選型應(yīng)反復(fù)推敲, 對(duì)比分析, 充分估計(jì)設(shè)計(jì)
中可能出現(xiàn)的問題, 以確定最經(jīng)濟(jì)實(shí)甩的方案。
I C S P A K :
一種新型的用于儀器儀表
的本安型裝置
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)用于儀器
儀表表面固定裝置的電隔離器的要求, 日益增
多, 為了滿足這一發(fā)展的需要, R
.
S t a hl
公司又推出二種新型的I、5 . 隔離器一一I C S
P A K。。
該裝置的使用簡化了布線、安裝及調(diào)試,
同時(shí), 也解決了集成中的技術(shù)問題。
使用該裝置, 能在狹窄的空間安裝許多元
件。另一方面, 緊湊的結(jié)構(gòu), 節(jié)省了機(jī)體中寶
貴的空間, 使得在有限的空伺, 完成了最多的
功能。同時(shí), 該裝置的電氣特性體現(xiàn)了當(dāng)前最
新技術(shù)。
該系列中的每種型號(hào)的裝置, 除在輸入與
輸出之間有電絕緣層外, 在信號(hào)源與輔助電源
之間也有一電絕緣層。并符合〔E Eix a 〕I C 。
優(yōu)質(zhì)的電磁適應(yīng)性, 使得其家族中的所有裝置
都具有不受外界干擾的能力。
大多數(shù)的隔離器都是按1 : l 最佳轉(zhuǎn)換比
例。因此, 隔離器能將電磁場裝置與相應(yīng)的輸
入、輸出之間方便地連接起來, 不需改變信號(hào)
比例一一大大地簡化了信號(hào)的調(diào)整。
寇曉光譯自長E x M a g a iz n 盼王9 92
.
1
.
苦1 6 樸

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