如何結(jié)合防爆標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)礦用本安型儀表

孔令剛

【摘要】結(jié)合GB3836.4-2010標(biāo)準(zhǔn)，文章從防爆審查和檢驗(yàn)的角度出發(fā)，分析和闡述了礦用本安型設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)如何根據(jù)本安參數(shù)匹配的要求，有針對(duì)性的來規(guī)范本安型設(shè)備設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】本質(zhì)安全;本安參數(shù);參數(shù)認(rèn)證

引言

眾所周知，由于本安型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，制造、維修方便，造價(jià)低，安全性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段煤礦用所有防爆型式電氣產(chǎn)品中本安型設(shè)備應(yīng)用最為廣泛。而據(jù)了解，對(duì)于如何結(jié)合防爆標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)本安型設(shè)備（特指外供電設(shè)備）是很多生產(chǎn)企業(yè)科研人員十分感興趣的話題。因此作者決定從防爆審查和檢驗(yàn)的角度出發(fā)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和闡述，希望能給大家?guī)韼椭?/p>

1.本安型防爆原理概述

本質(zhì)安全型電路定義：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件（包括正常工作狀態(tài)和規(guī)定的故障條件）下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物。

電火花是指電路中觸點(diǎn)操作火花按鈕、開關(guān)、接觸器、繼電器接點(diǎn)、電刷、各種控制接點(diǎn)等產(chǎn)生的火花，電路短路、斷路及接地瞬間火花，也包括靜電火花。熱效應(yīng)是指電氣元件、導(dǎo)線的過熱造成的表面溫度以及電熱體的表面溫度。

根據(jù)本質(zhì)安全型電路的定義可以看出，電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆炸的主要點(diǎn)燃源，本安就是通過限制電火花和熱效應(yīng)兩個(gè)可能的點(diǎn)燃源的能量來實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)表明，對(duì)于各種爆炸性危險(xiǎn)氣體都有其最小點(diǎn)燃能量（例如，氫氣19μJ、乙烯60μJ、甲烷280μJ），在正常工作和故障狀態(tài)下，當(dāng)儀表可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于這個(gè)能量時(shí)，儀表將不可能點(diǎn)燃相應(yīng)的爆炸性危險(xiǎn)氣體而產(chǎn)生爆炸。因此，本安型防爆儀表的設(shè)計(jì)，必須從限制能量入手，可靠得將電路中的電壓和電流限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證儀表在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞的故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不至于引起周圍可能存在危險(xiǎn)氣體爆炸。

通常電氣火花是隨著電路的接通和斷開而產(chǎn)生的，是電源能量和電路中儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量，在通斷電路點(diǎn)的放電現(xiàn)象。放電時(shí)電路的電子流及通斷點(diǎn)形成的電極間的氣體電離的離子形成的導(dǎo)電帶，并夾雜著熔融金屬粒子和蒸氣，在極高的電流密度作用下，產(chǎn)生高溫和高熱。

電氣火花放電形式依電路性質(zhì)不同，分為阻性、感性和容性。有接通、斷開狀態(tài)。放電火花亦分為短路火花和閉路火花，具體與電路的形式有關(guān)。三種電路的火花放電示意圖以及放電能量的概算如下所示：

（1）電阻性電路

圖1 電阻性電路

電阻性電路斷開時(shí)，電極接觸面逐漸變小，電流密度急劇增大，電極間電阻增大，隨之極間電壓加大。在電壓和電流的作用下，電極熔化形成液體金屬橋，隨后產(chǎn)生金屬蒸氣使熔橋破壞，電極間電壓上升，形成放電火花。然而在實(shí)際電路中，純電阻電路基本上是不存在的，在電路中存在著分布電容和電感。因此，該值僅能作設(shè)計(jì)電路時(shí)參考。

（2）電感性電路

圖2 感性電路

電感元件是儲(chǔ)能元件，當(dāng)電路工作時(shí)，電路中的能量以磁能的方式儲(chǔ)存在電感中。當(dāng)電路狀態(tài)改變時(shí)電路中的電流不能突變，電壓突變，在電感兩端產(chǎn)生很高的反電勢(shì)，電源和反電勢(shì)均向電極放電。斷路時(shí)，電極迅速分離，電阻突然增大，電流急劇降低，電流變化率很大，在電極間隙間處有很高的反電勢(shì)，繼電弧放電后還產(chǎn)生輝光放電。電源的能量和電感儲(chǔ)能，在電極間隙放電，放電強(qiáng)度增加了，放電時(shí)間延長了。

（3）電容性電路

圖3 容性電路

電容性電路，電容是儲(chǔ)能元件，它把電源的能量以電能的形式儲(chǔ)存起來。當(dāng)電路閉合時(shí)，既有電源向電極放電，也有電容儲(chǔ)能向電極放電。閉合電容電路放電瞬間放電電流極大，而且電容放電極為迅速（放電時(shí)間常數(shù)很?。?，能量高度集中，因此電容火花點(diǎn)燃能力更強(qiáng)，危險(xiǎn)性更大。因?yàn)殡娙菖c電源 E 及電阻R 并聯(lián)，所以在電極間放電火花為兩者之和。電源部分放電與前面純電阻電路放電是相同的。

2.本安型設(shè)備的安全參數(shù)

作為本安型設(shè)備，輸入電源肯定為本安電源，按照現(xiàn)在的安標(biāo)管理及防爆要求，本安電源的本安參數(shù)應(yīng)包括：Uo、Io、Lo、Co;本安型設(shè)備的本安參數(shù)應(yīng)包括：Ui、Ii、Li、Ci。

根據(jù)本安參數(shù)匹配原則即“參量認(rèn)證”的方式，即對(duì)關(guān)聯(lián)設(shè)備本安電源與本安型設(shè)備分別給出一組安全參數(shù)，并可由用戶將不同生產(chǎn)廠商的電氣設(shè)備進(jìn)行組合，從本安防爆安全性角度出發(fā)只須滿足如下關(guān)系：Ui≥Uo 、Ii≥Io、（Co-Ci）≥Ca 、（Lo-Li）≥La（La：連接電纜的等效電感、Ca：連接電纜的最大電容 ）

具體連接如圖4所示。

圖4 組成單元示意圖

四個(gè)等式參照GB3836.4-2010很容易理解，如果等式方向相反，就達(dá)不到本安型設(shè)備的本質(zhì)安全的要求。由此可見，本安型設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合防爆標(biāo)準(zhǔn)要求的核心內(nèi)容就是本安參數(shù)匹配，圍繞此中心可展開本安型設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

3.設(shè)計(jì)本安型設(shè)備的注意事項(xiàng)

3.1 本安型設(shè)備的基本設(shè)計(jì)要求

本安型設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下三個(gè)基本要求：

（1）可靠隔離的要求

必須把本安與非本安電路完全、可靠地隔離。應(yīng)有可靠隔離器件或是加大電氣間隙和爬電距離、加強(qiáng)電氣絕緣等方法來實(shí)現(xiàn)電路隔離，確保本安電路的防爆性能。

（2）最高表面溫度要求（熱效應(yīng)）

本安電路中所有元器件或?qū)Ь€的最高表面溫度須不大于所規(guī)定的最高溫度的要求，以避免熱效應(yīng)點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。限制元器件或?qū)Ь€的最高表面溫度一般是通過電路中元器件有足夠的功率，連接導(dǎo)線應(yīng)有足夠截面來限制熱效應(yīng)的產(chǎn)生。

（3）火花不點(diǎn)燃的要求（最小點(diǎn)火能量）

通過控制電路的電參數(shù)，降低電路電壓和電流，減少電感和電容的儲(chǔ)能元件參數(shù)的方法，使電路達(dá)到本安防爆要求。

3.2 本安型設(shè)備的特殊設(shè)計(jì)要求

本安型設(shè)備的設(shè)計(jì)根據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備本安參數(shù)的要求，電路中應(yīng)重點(diǎn)核查的是大電容、大電感的儲(chǔ)能元件，它們是最可能產(chǎn)生點(diǎn)火能量疊加而引起瓦斯爆炸的因素。可從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）如何結(jié)合本安電源（Ui、Ii）

在起初設(shè)計(jì)礦用本安型設(shè)備時(shí)，首先要明確設(shè)備的額定工作電壓范圍，才能對(duì)應(yīng)選擇合適的關(guān)聯(lián)設(shè)備，只要滿足上面提到的Ui≥Uo、Ii≥Io即可。從安標(biāo)認(rèn)證和防爆檢驗(yàn)的角度出發(fā)，任何礦用本安型設(shè)備必須要明確關(guān)聯(lián)設(shè)備作為A類受控件，并且要通過GB3836.4-2010中10.1條規(guī)定的火花點(diǎn)燃試驗(yàn)方可連接。因此選擇合適的關(guān)聯(lián)設(shè)備是礦用本安型設(shè)備設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵。本人建議，除了自己配套生產(chǎn)關(guān)聯(lián)設(shè)備外可選用國內(nèi)幾家知名大公司生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)設(shè)備，不僅安全性能可靠，而且礦業(yè)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)。切記避免由于小公司生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)設(shè)備由于市場(chǎng)不景氣或是質(zhì)量不可靠而導(dǎo)致安標(biāo)注銷，直接會(huì)影響到本廠礦用本安型設(shè)備的安標(biāo)暫停。

（2）如何結(jié)合最大輸入電容（Ci）

在明確關(guān)聯(lián)設(shè)備后，根據(jù)Co>Ci的等式要求，確保電源輸入端的最大等效內(nèi)電容不能超過關(guān)聯(lián)設(shè)備的最大帶載電容Co才能滿足本質(zhì)安全性能的要求。而在設(shè)計(jì)礦用本安型設(shè)備時(shí)，電路中難免會(huì)出現(xiàn)電容器件，根據(jù)不同的性能指標(biāo)的需要可能會(huì)出現(xiàn)的電容達(dá)到幾十微法甚至上百微法，如何結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容的要求，這就需要從以下兩個(gè)方面考慮。

a.參考GB3836.4-2010表（如表1所示）

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中電壓和設(shè)備類別對(duì)應(yīng)的允許電容表，設(shè)備開發(fā)者應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)電路中的電壓等級(jí)來控制電容的規(guī)格，并要充分考慮到可能存在故障情況（如穩(wěn)壓芯片管腳短接）下的電壓情況。

b.可采取澆封或是串聯(lián)電阻等措施降低等效電容

如果對(duì)于某些設(shè)計(jì)電路來說，為了確保抗干擾能力或是提高采樣性能指標(biāo)的要求，有些電容不能按照要求降低，那就需要我們通過其他方式處理來達(dá)到本質(zhì)安全性能的要求，如電容旁串聯(lián)電阻的方式可以降低等效電容的數(shù)值，可參考圖5串聯(lián)電阻保護(hù)時(shí)有效電容允許降低系數(shù);另一種方法可按照?qǐng)D5的方式進(jìn)行處理，通過局部澆封，可以把非安部分的火花能量澆封在澆封劑內(nèi)，不與外界可能出現(xiàn)的爆炸性氣體環(huán)境接觸，并且內(nèi)部電容儲(chǔ)存的能量通過反向二極管限制在澆封劑內(nèi)部釋放不出來。并且保證了后續(xù)電容可靠工作在電壓范圍內(nèi)。

表1 電容取值標(biāo)準(zhǔn)參考表

（3）如何結(jié)合最大輸入電感（Li）

同樣，在明確關(guān)聯(lián)設(shè)備后，根據(jù)Lo>Li的等式要求，確保電源輸入端的最大等效內(nèi)電感不能超過關(guān)聯(lián)設(shè)備的最大帶載電感Lo才能滿足本質(zhì)安全性能的要求。而在設(shè)計(jì)礦用本安型設(shè)備時(shí)，電路中難免會(huì)出現(xiàn)電感器件，如開關(guān)芯片的續(xù)流電感、電機(jī)線圈等。根據(jù)GB3836.4-2010中圖6所示I類電感電路曲線可以分析出，在不同的電流等級(jí)對(duì)應(yīng)有不同的電感允許量，如果不超過標(biāo)準(zhǔn)要求即可;如果實(shí)在滿足不了標(biāo)準(zhǔn)曲線，亦可通過圖6的方式進(jìn)行處理。把非安的火花能量通過續(xù)流二極管自身釋放掉，通過局部澆封限制在澆封劑中而傳不出來。

圖6 大電感澆封處理常見方式

4.結(jié)束語

通過對(duì)礦用本安型設(shè)備如何結(jié)合防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的分析和闡述，作者歸納總結(jié)了幾個(gè)要點(diǎn)，并提出了一系列解決問題的思路和辦法。其中本質(zhì)安全型設(shè)備在保證本安電源輸入的前提下，如何尋找防爆安全與性能指標(biāo)的平衡是重中之重，希望能夠給企業(yè)帶來一定的啟示和幫助。

參考文獻(xiàn)

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