防爆LED燈具光引燃評價方法

辛磊夫

(上海工業(yè)自動化儀表研究院，上?！?00233)

?

防爆LED燈具光引燃評價方法

辛磊夫

(上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海200233)

摘要：針對防爆LED燈具越來越多地應(yīng)用于爆炸性危險場所的現(xiàn)狀，對比了隔爆型和本質(zhì)安全型防爆LED燈具在結(jié)構(gòu)設(shè)計和光能量限制方面的差異性。從光源驅(qū)動器故障分析入手，進(jìn)行了針對光源的光功率和光輻照度試驗，證明了光輻照度測試在防爆LED燈具光引燃評價中比光功率測試更加適用。闡述了防爆LED燈具光引燃危險的評價方法。從標(biāo)準(zhǔn)的角度論證了國產(chǎn)防爆LED燈具取得歐盟ATEX認(rèn)證的可能和具體實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：防爆爆炸性危險場所隔爆本質(zhì)安全故障分析光引燃光輻照度

0引言

凡涉及易燃易爆物質(zhì)的生產(chǎn)、加工、處理、儲存、運輸?shù)膱鏊伎赡苄纬杀ㄐ晕ｋU環(huán)境。在石油、化工、煤炭等領(lǐng)域中不可避免地會產(chǎn)生爆炸性物質(zhì)的泄漏，泄漏物質(zhì)將與空氣混合形成爆炸性危險場所。這些爆炸性危險場所中安裝的電氣設(shè)備、儀表、電機(jī)及驅(qū)動、照明燈具都必須符合相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求。

防爆照明燈具由于安裝數(shù)量多、應(yīng)用范圍廣，是爆炸性危險場所中較為常見的一種防爆設(shè)備。防爆照明燈具主要采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED等光源[1～6]。LED防爆燈具由于其發(fā)光效率高、溫度組別低、體積小等優(yōu)點被越來越多地應(yīng)用在爆炸性危險場所中，覆蓋射燈、泛光燈和視孔燈等固定式照明燈具以及帽燈和手電筒等便攜式照明燈具。

試驗證明，對于LED燈具，僅僅考核燈具外殼熱表面和燈具內(nèi)部電氣火花不足以確保其安全性。LED燈具所發(fā)射出的光輻照施加在吸收體上之后，吸收體的溫度有所升高，進(jìn)而將引燃爆炸性危險物質(zhì)。吸收體的位置既可以位于燈具外殼內(nèi)部，也可以位于燈具外殼外部。這一特性使得傳統(tǒng)的隔爆技術(shù)和本安技術(shù)對于LED燈具的光引燃保護(hù)失效。

本文通過對比IEC60079-28標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩種試驗評價方法，結(jié)合LED燈具的發(fā)光特性以及當(dāng)前LED防爆燈具的設(shè)計特點，給出了以隔爆技術(shù)、本質(zhì)安全技術(shù)和澆封技術(shù)為主防爆技術(shù)的LED防爆燈具的光引燃評價方法。該評價方法不僅結(jié)合了中國國內(nèi)LED防爆燈具的特點，還考慮了國際標(biāo)準(zhǔn)的符合性，因此在申請IECEx和ATEX國際認(rèn)證時，本文介紹的方法也被認(rèn)可。

在實際應(yīng)用中，LED被廣泛用于狀態(tài)指示。由于此類LED的功耗和發(fā)光功率都很低，不足以引燃爆炸性介質(zhì)，所以此類問題不在本文討論范疇之內(nèi)。

1LED防爆燈具主要防爆技術(shù)

1.1以隔爆技術(shù)為主的LED防爆燈具

隔爆型防爆技術(shù)是一種間隙防爆技術(shù)，依靠間隙、嚙合長度來達(dá)到降溫/熄火效果。隔爆外殼允許危險氣體進(jìn)入，隔爆外殼內(nèi)可能產(chǎn)生爆炸，但要求外殼必須具有足夠的強(qiáng)度，且隔爆結(jié)合面必須具有足夠長的嚙合長度和足夠小的間隙，以確保內(nèi)部爆炸不會穿過隔爆結(jié)合面而導(dǎo)致外部環(huán)境爆炸。

以隔爆型為主要防爆技術(shù)的LED防爆燈具通常設(shè)計有另一個隔爆腔或者增安腔，用于安放LED驅(qū)動器和接線端子。這有兩個目的：其一是IEC60079系列標(biāo)準(zhǔn)和GB3836系列標(biāo)準(zhǔn)對于單一隔爆腔用于IIC環(huán)境時有隔爆腔體2L容積的限制，對產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計提出了更高要求；其二是LED防爆燈具對于LED粒子散熱有較高要求，設(shè)計隔爆腔+隔爆腔或者隔爆腔+增安腔的結(jié)構(gòu)，便于利用隔爆結(jié)構(gòu)散熱。

1.2以本質(zhì)安全技術(shù)為主的LED防爆燈具

本質(zhì)安全型[7-8]防爆技術(shù)是一種以抑制引燃源能量為手段的防爆技術(shù)。要求從電路設(shè)計入手，確保設(shè)備在正常工作和故障狀態(tài)下可能產(chǎn)生的電火花能量小于爆炸性危險介質(zhì)的最小引燃能量，且熱效應(yīng)小于爆炸性危險介質(zhì)的引燃溫度。

以本質(zhì)安全型為主要防爆技術(shù)的LED防爆燈具通常是便攜式LED防爆燈具，如帽燈或者手電筒。此類便攜式LED防爆燈具通常采用電池供電，驅(qū)動單顆LED粒子或者多顆LED粒子陣列實現(xiàn)照明。

1.3以澆封技術(shù)為主的LED防爆燈具

澆封型防爆技術(shù)是一種隔離型防爆技術(shù)。這種技術(shù)利用澆封劑將引燃源與爆炸性危險介質(zhì)隔離開，以實現(xiàn)破壞爆炸三角形的目的。基于此原理，澆封劑的耐溫、硬度、黏性等理化性能需要被直接或者間接地考核。

以澆封型為主要防爆技術(shù)的LED防爆燈具通常使用澆封劑來保護(hù)LED粒子及粒子引出線，為了不降低LED的發(fā)光效率，通常用來澆封LED粒子的澆封劑都具有非常高的導(dǎo)光率和良好的熱傳導(dǎo)性能，在將LED粒子與爆炸性危險介質(zhì)隔離的同時起到LED粒子降溫的作用。由于這種澆封劑固化之后通常是柔性的，不具備較強(qiáng)的機(jī)械性能，所以通常還需要輔以其他的防爆技術(shù)對其進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，通常采用的輔助防爆技術(shù)是增安型防爆技術(shù)。

2光引燃機(jī)理及光防爆技術(shù)

2.1光引燃機(jī)理

光輻射設(shè)備或者光輻射傳輸系統(tǒng)可能被安裝在爆炸性環(huán)境中，光輻射設(shè)備和光輻射傳輸系統(tǒng)也可能本身并不處于爆炸性環(huán)境中，其發(fā)出的輻射能量可能會通過這些環(huán)境，而這些輻射能量也可能會點燃周圍的爆炸性介質(zhì)。因此，光輻射的點燃機(jī)理總結(jié)如下：

①光輻射被表面或微粒吸收后，使它們的溫度升高，在某些條件下，會使它們達(dá)到點燃周圍爆炸性環(huán)境的溫度。

②當(dāng)光波長度與氣體的吸收波段匹配時，一定體積的可燃性氣體發(fā)生熱點燃。

③由于紫外波長范圍內(nèi)的輻射使氧分子光解，形成光化學(xué)點燃。

④在強(qiáng)光束聚焦處激光直接導(dǎo)致氣體分解，產(chǎn)生等離子和沖擊波，二者最終成為點燃源。接近分解點的固體材料能夠?qū)@些過程起到支持作用。

本文主要討論的LED防爆燈具的引燃機(jī)理屬于引燃機(jī)理①，從根本上來說也就是熱引燃。引燃機(jī)理①中的直接引燃源就是吸收了光輻射，并且溫度升高了的表面或者微粒。

2.2GB標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)在光防爆技術(shù)上的差異

目前申請歐盟ATEX認(rèn)證和IECEx認(rèn)證，需使用IEC60079-28標(biāo)準(zhǔn)對光輻射設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行光引燃危險性考核。雖然尚無與IEC60079-28標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的中國GB標(biāo)準(zhǔn)，但是在防爆通用標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1-2010中的第6.6.2條對激光或其他連續(xù)波的光功率或者光輻照度提出了如下要求[9]。

EPLMa或Mb級電氣設(shè)備的激光或其他連續(xù)波源的輸出參數(shù)不應(yīng)超過下列值：

①激光或其他連續(xù)波源，20mW/mm2或150mW;

②脈沖間隔至少5s的脈沖激光或脈沖光源，0.1mJ/mm2。

EPLDa或Db級電氣設(shè)備的激光或其他連續(xù)波源的輸出參數(shù)不應(yīng)超過下列值：

①連續(xù)波激光或其他連續(xù)波源，5mW/mm2或35mW;

②脈沖間隔至少5s的脈沖激光或脈沖光源，0.1mJ/mm2。

EPLDc級電氣設(shè)備的激光或其他連續(xù)波源的輸出參數(shù)不應(yīng)超過下列值：

①連續(xù)波激光或其他連續(xù)波源，10mW/mm2或35mW;

②脈沖激光或脈沖光源，0.5mJ/mm2。

脈沖間隔小于5s的輻射源被視為連續(xù)波源。

可以看到，GB3836.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中僅對煤礦使用的設(shè)備和爆炸性粉塵場所內(nèi)所使用的設(shè)備提出了光輻照度、光功率和光能量的要求，而對爆炸性氣體危險場所內(nèi)所使用設(shè)備的要求，則需要參照IEC60079-28標(biāo)準(zhǔn)。在GB3836.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中所引用的IEC60079-28標(biāo)準(zhǔn)實際上是IEC60079-28ed1標(biāo)準(zhǔn)，而在這一版本標(biāo)準(zhǔn)中未對EPL等級為Da、Db和Dc的設(shè)備提出要求，故上述要求實際上是GB標(biāo)準(zhǔn)對IEC標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。在IEC60079-28ed2標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將EPL等級為Da、Db和Dc的設(shè)備納入標(biāo)準(zhǔn)[10]，如表1所示。

表1　III類設(shè)備的輻射功率和輻照度的要求Tab.1　Requirements of radiation power andirradiance for class III equipment

可以看到，表1中的值與GB3836.1-2010中第6.6.2條規(guī)定值并無差異[9]。

2.3光防爆技術(shù)

根據(jù)IEC60079-28ed2標(biāo)準(zhǔn)，可用三種防爆型式來防止?jié)撛诒ㄐ原h(huán)境中光輻射造成的點燃。這些防爆型式適用于所有光學(xué)系統(tǒng)。

這三種防爆型式是：

①固有安全型光輻射，防爆型式符號“opis”。固有安全型光輻射是指，在正?；蛞?guī)定的故障條件下，不會產(chǎn)生足夠的能量從而點燃特定爆炸性環(huán)境的可見輻射或紅外輻射。原理是限制光束強(qiáng)度。

②保護(hù)型光輻射，防爆型式符號“oppr”。保護(hù)型光輻射要求輻射限定在光纖或其他傳輸介質(zhì)內(nèi)，前提是假定輻射沒有從限制范圍內(nèi)溢出，也就是說光輻射并非人為設(shè)置的敞開光束，也非由于光纖破損導(dǎo)致的光輻射溢出。

③連鎖裝置型光學(xué)系統(tǒng)，防爆型式符號“opsh”。連鎖裝置型光學(xué)系統(tǒng)采用特定的功能性設(shè)置，使光能的切斷時間小于爆炸延遲，即在爆炸之前就將光能切斷。

3LED防爆燈具光引燃評價實踐

3.1光防爆技術(shù)的選擇

“oppr”保護(hù)型光輻射的原理限于對光纖等傳輸介質(zhì)的保護(hù)，并不適用于LED防爆燈具。本文討論的LED防爆燈具可以使用固有安全性輻射“opis”或者連鎖裝置型光學(xué)系統(tǒng)“opsh”，其中連鎖裝置型光學(xué)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)中僅規(guī)定了應(yīng)用原理，但是在實際應(yīng)用中并未看到較多的應(yīng)用案例，所以本文僅討論使用“opis”型保護(hù)的LED防爆燈具的評價方法?！皁pis”的具體實現(xiàn)方法是將輻射按照持續(xù)時間和頻率分成連續(xù)型光輻射和脈沖光輻射兩類，分別評價光功率、光輻照度或者光能量。由于LED防爆燈具屬于連續(xù)性光輻射，所以只需要對光功率或者光輻照度之一進(jìn)行評價。

3.2故障分析

LED防爆燈具的光功率測試和光輻照度測試并非直接在成品燈具上進(jìn)行測試，正確的測試方法是先進(jìn)行故障分析，然后對成品燈具施加足夠的故障，搭建專門的測試樣機(jī)。當(dāng)然，如果想要驗證待測燈具的光功率和光輻照度的通過可能性，直接在成品燈具上進(jìn)行摸底試驗也是可行的。如果直接摸底試驗不通過，那么施加故障條件后也必定不通過。

故障條件的施加方法有如下兩種：

①固有安全發(fā)光元件分析法。這種施加故障條件的方法具備相當(dāng)?shù)膰?yán)酷性，原理是認(rèn)定所有的外圍保護(hù)和外圍電路都發(fā)生了短路或者斷路故障，導(dǎo)致發(fā)光元件(LED粒子)達(dá)到了理論發(fā)光極限。在實際操作中就是通過試驗來驗證這個發(fā)光極限。這種測試需要單獨搭建驅(qū)動電路，通過調(diào)整輸入電流的方式描繪LED粒子的光功率/光輻照度曲線，在21～25 ℃的室溫下測得發(fā)光極限值，即最大光功率/光輻照度值，并以表2為判據(jù)進(jìn)行比對[10]。

表2　 I/II類設(shè)備的安全輻射功率和輻照度限值Tab.2　Safety radiation power and irradiance for class I/II

需要說明的是，這種發(fā)光元件分析法通常用于評價單顆LED粒子，并給LED粒子頒發(fā)固有安全型部件證書。對于僅適用單顆LED粒子的防爆照明燈具，可以直接使用這種固有安全型LED粒子，而無需再測試光功率或者光輻照度。如LED防爆燈具采用多顆這種部件認(rèn)證的LED粒子，則仍需測試光功率或者光輻照度。

從原理上講，這種發(fā)光元件分析法也可以應(yīng)用于LED粒子陣列或者LED整燈，不過由于需要使用10只樣品，所以樣品數(shù)量過大，所以實際操作中一般不用于評價LED粒子陣列或者LED整燈。

②驅(qū)動故障分析法。這種施加故障條件的方法對于LED防爆燈具來說更為實用，因為經(jīng)過較多的試驗驗證，以照明為目的的LED防爆燈具所采用的粒子難以通過固有安全發(fā)光元件分析法進(jìn)行分析評價。這種分析方法的著手點在于驅(qū)動電路或者外圍電路，認(rèn)為外圍電路上的元件可以發(fā)生一定數(shù)量的計數(shù)故障和非計數(shù)故障，這里的計數(shù)故障和非計數(shù)故障概念源自IEC60079-11本安安全標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)定方法也可以依據(jù)IEC60079-11本安標(biāo)準(zhǔn)。故障施加數(shù)量可以參考表3。

表3　計數(shù)故障和非計數(shù)故障的數(shù)量Tab.3　 Number of countable fault and non-countable fault

3.3四種測試方法

在3.2條描述的兩種故障條件下，IEC60079-28ed2標(biāo)準(zhǔn)中對于光功率和光輻照度給出了四種可選測試方法：

①將施加了故障的驅(qū)動安裝到LED防爆燈具中，如果LED粒子的廠家能夠提供LED粒子發(fā)光能力按照工作溫度的調(diào)整系數(shù)，那么只需要在21～25 ℃的室溫下測試整燈光功率或者光輻照度,然后使用溫度系數(shù)進(jìn)行計算，得到最大光功率或者光輻照度。如果廠家不能提供此調(diào)整系數(shù)，那么需要按照表4進(jìn)行測試，N代表施加的計數(shù)故障。需要說明的是，如果施加了故障的驅(qū)動輸出大于LED發(fā)光元器件的額定輸入，那么無溫度系數(shù)情況下的不同測試環(huán)境溫度中所使用的樣品是不同樣品。

表4　測試環(huán)境溫度與樣品數(shù)量Tab.4　Testing ambient temperature and number of samples

②通過對驅(qū)動器施加故障并進(jìn)行計算得到最大輸出參數(shù)后，使用獨立的電源按照此輸出參數(shù)對拆除了驅(qū)動器的燈具進(jìn)行供電。如果LED粒子廠家能夠提供隨工作溫度變化的LED粒子發(fā)光能力系數(shù)，那么只需要在21～25 ℃的室溫下測試整燈光功率或者光輻照度，然后使用溫度系數(shù)進(jìn)行計算得到最大光功率或者光輻照度?？梢詤⒄毡?進(jìn)行試驗，對于這種試驗方法，取N=1。需要說明的是，如果施加了故障的驅(qū)動輸出大于LED發(fā)光元器件的額定輸入，那么無溫度系數(shù)情況下的不同測試環(huán)境溫度中所使用的樣品則必須是不同樣品。

③等同于固有安全發(fā)光元件分析法。

④計算對發(fā)光元件的最大電氣功率輸入，作為LED的最大光功率，使用表2進(jìn)行比對。需要說明的是，以照明為目的的LED防爆燈具的輸入功率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表2中規(guī)定值，所以這種方法針對照明燈具并不適用。

3.4測試位置的選擇

針對以隔爆、本安和澆封為主防爆技術(shù)的三種燈具的測試位置并不相同，由于3.3中介紹的方法④并非測量光功率和光輻照度，所以我們僅對3.3中介紹的方法①、②、③進(jìn)行解釋，詳見表5。

表5　防爆型式與光輻照度測量點位置的關(guān)系Tab. 5　Relationship between types of explosion proof andmeasurement point locations of light irradiance

需要說明的是，IEC60079-28中認(rèn)為產(chǎn)品外殼滿足IP6X則代表透明件外表面，即為吸收體可達(dá)最近表面。實際上，IP6X僅代表外殼的防護(hù)等級，并無法有效阻止外殼內(nèi)部吸收體的存在，所以這種認(rèn)定方法實際上存在較大的風(fēng)險。在實際操作中，各機(jī)構(gòu)對這種認(rèn)定方法也持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度。

4防爆標(biāo)志

對于防爆產(chǎn)品來說，防爆標(biāo)志是表征其防爆型式和防爆技術(shù)的重要依據(jù)。防爆LED燈具在通過了光引燃危險評價后，可以給予固有安全型“opis”的防爆標(biāo)志。與隔爆和本安產(chǎn)品的防爆標(biāo)志類似，固有安全型的防爆標(biāo)志也包含“溫度組別”。需要說明的是，前文表2中的T1、T2、T3、T4等溫度組別與通常所說的溫度組別并非為同一個概念，表2中為了明確囊括可以使用的氣體種類，借鑒了氣體介質(zhì)按照溫度組別的劃分方法。所以表2中的T1、T2、T3、T4代表具有T1、T2、T3、T4組別的爆炸性氣體。

例如表2中對于光功率≤35mW這種情況，IIC僅僅列出了T1、T2、T3、T4而沒有列出T5和T6。這是因為IIC沒有T5組別介質(zhì)，而且T6的CS2在試驗中被24mW的光能量引燃了，所以將T5和T6都排除。此處使用TCode并非是從溫度角度作了評價，而僅僅是使用TCode作了一個標(biāo)示，便于區(qū)分各種TCode的爆炸性危險氣體的最小引燃能量。另需說明的是，IEC60079-28ed2中將CS2劃分為T6組別，與GB表中的T5組別劃分有區(qū)別。

5結(jié)束語

綜上所述，本文介紹的評價方法和測試方法基本可以覆蓋目前市場上的以隔爆技術(shù)、本質(zhì)安全技術(shù)和澆封技術(shù)為主防爆技術(shù)的LED防爆燈具。這些方法作為電氣防爆技術(shù)的補(bǔ)充，從光引燃角度明確給出了評價參數(shù)和試驗方法，對于LED防爆燈具在爆炸性危險場所的推廣使用起到了安全保障作用?？紤]到中國GB標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容相關(guān)性，這種方法對于中國防爆認(rèn)證體系、IECEx體系和ATEX體系同樣適用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 施偉斌，翁振克，黃軍，等.LED防爆燈具的設(shè)計方法研究[J]. 照明工程學(xué)報，2013，24(3)：93-98.

[2] 楊生強(qiáng)．LED光源防爆燈散熱問題的改進(jìn)[J]．電氣開關(guān)，2010(3):74-75.

[3] 郭增軍. 基于光譜吸收光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)的研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2002.

[4] 深圳市耐比特科技有限公司. 大功率LED防爆燈：CN201661912U[P].2010-07-10．

[5] 樂清市新興工業(yè)有限公司. 強(qiáng)散熱式大功率LED防爆燈：201731301U[P]. 2011-05-12．

[6] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)遠(yuǎn)光光電儀器有限公司.新型發(fā)光二極管LED防爆燈：201715291U[P]. 2011-06-05．

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備[S]. 2010.

[8] 徐建平，都明生，黃詠委.儀表本安防爆技術(shù)[M].上海:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[9] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB3836.1-2010爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要[S]. 2010.

[10]ISO/IEC.IEC60079-28ed2Explosiveatmosphere-Part28:Protectionofequipmentandtransmissionsystemsusingopticalradiation[S]. 2015.

中圖分類號：TH-3;TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607004

AssessmentMethodofLightIgnitionforExplosion-proofLEDLightingFixture

Abstract：Aiming at the current status that explosion-proof LED lighting fixtures are more and more being used in explosive hazardous areas, the differences of the structural design and optical energy limit between flame proof type and intrinsic safety type explosion-proof LED lighting fixtures are compared. On the basis of fault analysis of light source driver, the optical power tests and optical irradiance tests of light source are conducted, thus, it is verified that in assessment of light ignition for explosion-proof LED lighting fixture, the optical irradiance test is more applicable than the optical power test. The assessment method for the risks of light ignition of explosion-proof LED light fixture is described. The possibility and specific implementing method of gaining European Union ATEX certificate for domestic explosion-proof LED lighting fixtures are demonstrated from the aspect of standard compliance.

Keywords:Explosion-proofExplosive hazardous areaFlameproofIntrinsic safetyFault analysisLight ignitionOptical powerOptical irradiance

修改稿收到日期：2016-05-11。

作者辛磊夫(1983一)，男，2011年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事防爆技術(shù)的研究和防爆產(chǎn)品的認(rèn)證工作。