可燃制冷劑空調(diào)用開關(guān)元件點(diǎn)燃危險(xiǎn)及防爆試驗(yàn)分析*

蔣漳河，陳志明

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510760； 2.國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)，廣東 廣州 510760)

0 引言

隨著全球?qū)Τ粞跸暮偷厍驕厥倚?yīng)問題的日益重視，R290、R32等環(huán)保型新冷媒因優(yōu)良的環(huán)保性能和節(jié)能效果被廣泛應(yīng)用于空調(diào)行業(yè)[1-4]。但是，R290主要成分是丙烷、R32主要成分是二氟甲烷，均屬于烷烴類物質(zhì)，具有易燃易爆危險(xiǎn)性，屬于IIA級(jí)爆炸性氣體[5-6]，存在火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。Zhang[2]等分析了R290分體式空調(diào)的點(diǎn)燃源和制冷劑泄漏點(diǎn)，并通過試驗(yàn)證明可燃制冷劑在泄漏過程中被點(diǎn)燃會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)燃燒。一方面，可燃制冷劑空調(diào)可能存在制冷劑發(fā)生泄漏而形成爆炸性空間，一般該空間為爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)；另一方面，空調(diào)正常工作狀態(tài)下的電氣元件可能成為爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的點(diǎn)燃源。空調(diào)開關(guān)元件在正常工作狀態(tài)中會(huì)頻繁開關(guān)、通斷電路產(chǎn)生電火花或電弧。若可燃制冷劑空調(diào)開關(guān)元件達(dá)不到防爆要求，則在可燃制冷劑泄漏達(dá)到爆炸極限的情況下會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于可燃制冷劑空調(diào)使用的安全性和技術(shù)研究主要分為可燃制冷劑的泄漏影響安全分析、可燃制冷劑添加阻燃介質(zhì)和控制有效點(diǎn)燃源3個(gè)方面。Tang，Li[7-10]等分析了R290制冷劑的泄漏區(qū)域和泄漏的濃度分布規(guī)律，研究提出了控制制冷劑的泄漏來降低R290火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)的措施。Jia[11]等分析了R32制冷劑空調(diào)的泄漏點(diǎn)位置、泄漏擴(kuò)散分布和燃燒特性，研究提出采取通風(fēng)措施能降低R32制冷劑的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。田貫三等[12]開展了小型可燃制冷劑空調(diào)的泄漏及爆炸危害研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：充裝量小于600 g的可燃制冷劑泄漏后產(chǎn)生的爆炸危險(xiǎn)性較小，但是在使用過程中需采取相應(yīng)的安全措施。田貫三、高云峰等[13]進(jìn)一步開展了可燃制冷劑加入阻燃介質(zhì)的爆炸抑制模擬試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[14]研究表明，當(dāng)存在有效點(diǎn)燃源時(shí)，可燃制冷劑空調(diào)可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故。國(guó)際電工委員會(huì)最新IEC 60335-2-40:2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可燃制冷劑的泄漏模擬試驗(yàn)驗(yàn)證和電氣元件點(diǎn)燃源的防爆控制技術(shù)要求納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。當(dāng)前，關(guān)于可燃制冷劑空調(diào)泄漏的火災(zāi)爆炸安全認(rèn)證也主要考慮這2個(gè)方面。從目前的趨勢(shì)看，將可燃制冷劑空調(diào)的電氣元件進(jìn)行防爆處理而不讓其成為有效的點(diǎn)燃源逐漸被空調(diào)制造商和檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)采納。目前，泄漏模擬測(cè)試方法還主要應(yīng)用在小型可燃制冷劑空調(diào)，對(duì)于大型可燃制冷劑空調(diào)使用該方法還需要采取其他安全措施。

綜上，將可燃制冷劑空調(diào)電氣元件設(shè)計(jì)成非點(diǎn)燃元件，能有效提高可燃制冷劑空調(diào)的本質(zhì)安全?？扇贾评鋭┛照{(diào)電氣元件的點(diǎn)燃危險(xiǎn)主要是其工作狀態(tài)或故障條件下產(chǎn)生的電氣火花和表面高溫。IEC 60335-2-40：2018和GB 4706.32-2012規(guī)定，可能成為點(diǎn)燃源的可燃制冷劑空調(diào)電氣元件應(yīng)符合IEC 60079-15，GB 3836.8中對(duì)IIA類氣體的防爆要求[15-17]。但是，對(duì)電氣元件具體符合“n”型防爆中的哪種防爆類型以及如何進(jìn)行防爆性能測(cè)試并未做出詳細(xì)的規(guī)定。因此，系統(tǒng)性開展可燃制冷劑空調(diào)開關(guān)元件的點(diǎn)燃危險(xiǎn)分析和防爆試驗(yàn)研究，對(duì)消除可燃制冷劑空調(diào)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)非常重要和必要。

1 電氣元件點(diǎn)燃危險(xiǎn)及防點(diǎn)燃要求

空調(diào)電子元件在使用過程中會(huì)產(chǎn)生放電、拉弧和發(fā)熱等現(xiàn)象。如果放電、拉弧產(chǎn)生的能量達(dá)到可燃制冷劑的最小點(diǎn)燃能量，或者發(fā)熱的溫度達(dá)到可燃制冷劑的引燃溫度，一旦可燃制冷劑發(fā)生泄漏，則電氣元件就可能引燃制冷劑，引發(fā)火災(zāi)爆炸事故[18]。根據(jù)文獻(xiàn)[3]和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)總結(jié)數(shù)據(jù)，空調(diào)常用電氣元件的點(diǎn)燃危險(xiǎn)如表1所示。

表1 空調(diào)常用電氣元件點(diǎn)燃危險(xiǎn)分析Table 1 Analysis on ignition hazard of common electrical elements in air conditioner

根據(jù)文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[6]的測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室溫升測(cè)試數(shù)據(jù)，空調(diào)電氣元件(PTC電加熱器除外)的最高表面溫度為100℃左右，遠(yuǎn)小于R32(引燃溫度648 ℃)和R290(引燃溫度470 ℃)的引燃溫度[1,15]。因此，空調(diào)電氣元件防止點(diǎn)燃的關(guān)鍵點(diǎn)在于防止電氣火花。針對(duì)可能成為點(diǎn)燃源的電氣元件，IEC 60335-2-40和GB 4706.32標(biāo)準(zhǔn)要求如下(滿足以下條件之一)[16-18]：

1)潛在點(diǎn)燃源元件符合IEC 60079-15或GB 3836.8的相關(guān)防爆要求，并通過防爆測(cè)試認(rèn)證。

2)潛在點(diǎn)燃源元件未安裝在泄漏試驗(yàn)所驗(yàn)證的會(huì)成為潛在可燃性混合氣體的集聚區(qū)域。

3)潛在點(diǎn)燃源元件安裝在殼體內(nèi)，殼體滿足IEC 60079-15或GB 3836.8的相關(guān)防爆要求，并通過防爆測(cè)試認(rèn)證。

2 開關(guān)元件的防爆要求及試驗(yàn)方法

由表1分析可知，繼電器、斷路器、接觸器是空調(diào)電氣元件中常用，且開關(guān)、通斷最頻繁的電氣元件，也最容易在空調(diào)工作過程中產(chǎn)生電火花、電弧。根據(jù)GB3836.8-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，繼電器、斷路器、接觸器應(yīng)設(shè)計(jì)為“n”型防爆部件，且屬于產(chǎn)生電弧、火花或熱表面的“nC”型部件。

2.1 開關(guān)元件防爆要求

按照“nC”型部件的保護(hù)型式，繼電器、斷路器、接觸器應(yīng)符合封閉式斷路裝置或非點(diǎn)燃元件防爆保護(hù)型式的要求。其防爆設(shè)計(jì)要求除了滿足GB3836.8-2014的最低防護(hù)等級(jí)、電氣間隙和爬電距離、電氣強(qiáng)度等通用要求外，還需滿足如表2所示的補(bǔ)充要求[15]。

表2 封閉式斷路裝置和非點(diǎn)燃元件防爆要求Table 2 Explosion-proof requirements of enclosed breaking device and non-incendive element

2.2 開關(guān)元件爆炸試驗(yàn)

按照IEC 60079-15，GB3836.8標(biāo)準(zhǔn)，制定爆炸試驗(yàn)程序，如圖1所示。因封閉式斷路器和非點(diǎn)燃元件結(jié)構(gòu)尺寸較小，爆炸試驗(yàn)中如何實(shí)現(xiàn)被測(cè)元件內(nèi)部爆炸性混合氣體的多次置換、確保配氣濃度的精度以及被測(cè)元件的多次負(fù)載通、斷電操作是保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵和難點(diǎn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)總結(jié)，提出如圖2所示的爆炸測(cè)試方案。因R290，R32等可燃制冷劑屬于IIA級(jí)別爆炸性氣體，根據(jù)IEC 60079-15，GB3836.8對(duì)封閉式斷路器和非點(diǎn)燃元件爆炸試驗(yàn)的要求，爆炸測(cè)試在(6.5±0.5)%乙烯/空氣的爆炸性混合環(huán)境中進(jìn)行。

圖1 封閉式斷路器和非點(diǎn)燃元件爆炸試驗(yàn)及結(jié)果判定程序Fig.1 Explosion test and results determination procedures of enclosed breaking device and non-incendive element

3 試驗(yàn)案例與分析

3.1 樣品描述與試驗(yàn)要求

某可燃制冷劑空調(diào)防爆開關(guān)，功率因素為1、額定電壓為交流250 V、額定電流為8 A，結(jié)構(gòu)尺寸為23 mm×16.8 mm×13.71 mm。根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)尺寸、電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)外觀，可確定其符合“nC”型防爆斷路器的基本要求。因此，該樣品按照?qǐng)D1中的試驗(yàn)程序進(jìn)行封閉式斷路器爆炸測(cè)試。將測(cè)試樣品與交流250 V的電源、31.25 Ω的電阻負(fù)載相連；在(6.5±0.5)%乙烯/空氣的爆炸性混合環(huán)境中重復(fù)進(jìn)行10次通、斷電試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均應(yīng)采用新鮮的爆炸性混合物，驗(yàn)證被測(cè)樣品是否點(diǎn)燃外部爆炸性環(huán)境。

3.2 被測(cè)樣品預(yù)處理和試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.2.1 非金屬部件耐熱試驗(yàn)

3.2.2 負(fù)載及樣品通斷電電路連接

按照?qǐng)D2試驗(yàn)方案，電源、電阻負(fù)載和電源功率分析儀的電纜通過防爆試驗(yàn)罐罐壁電纜進(jìn)出法蘭，與被測(cè)樣品相連接。因被測(cè)樣品處于防爆試驗(yàn)罐內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)測(cè)試過程10次的負(fù)載通、斷電操作，提出采用氣動(dòng)推桿的方式控制被測(cè)樣品的開關(guān)動(dòng)作。制定的氣動(dòng)推桿通過防爆試驗(yàn)罐罐壁氣路法蘭螺紋安裝，實(shí)現(xiàn)在罐外氣動(dòng)控制被測(cè)樣品的開關(guān)動(dòng)作。

圖2 封閉式斷路裝置和非點(diǎn)燃元件爆炸試驗(yàn)方案Fig.2 Explosion test scheme of enclosed breaking device and non-incendive element

3.2.3 爆炸性混合氣體配置及連接

(6.5±0.5)%乙烯/空氣爆炸性混合物的配置使用防爆試驗(yàn)罐及配氣系統(tǒng)，并將被測(cè)樣品放置于防爆試驗(yàn)罐內(nèi)，用氧濃度傳感器確認(rèn)配氣濃度的準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)10次通、斷電試驗(yàn)中新鮮爆炸性混合氣體的置換，提出采用微型抽氣泵的方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品內(nèi)部與防爆試驗(yàn)罐內(nèi)氣體的置換。防爆試驗(yàn)罐內(nèi)爆炸性混合氣體配置好后，打開設(shè)置在被測(cè)樣品兩側(cè)氣路的開關(guān)；啟動(dòng)微型抽氣泵，讓爆炸性氣體充分進(jìn)入樣品內(nèi)部后關(guān)閉兩側(cè)開關(guān)。這樣被測(cè)樣品與罐內(nèi)的爆炸性混合氣體一致。置換爆炸性混合氣體時(shí)，先關(guān)閉與防爆試驗(yàn)罐連通的氣路開關(guān)，啟動(dòng)微型抽氣泵抽出樣品內(nèi)試驗(yàn)完的混合氣體；然后打開與防爆試驗(yàn)罐連通的氣路開關(guān)，繼續(xù)啟動(dòng)微型抽氣泵讓隔爆試驗(yàn)罐內(nèi)爆炸性氣體充分進(jìn)入樣品內(nèi)部后再關(guān)閉兩側(cè)開關(guān)。

此外，為了更準(zhǔn)確檢測(cè)樣品在通、斷電過程中是否發(fā)生爆炸，同時(shí)采用爆炸壓力傳感器和熱電偶檢測(cè)試驗(yàn)過程中的爆炸壓力和溫度數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)該型號(hào)2個(gè)樣品進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。樣品內(nèi)部爆炸和點(diǎn)爆外部爆炸性混合氣體后檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)如圖3所示。

表3 樣品爆炸測(cè)試結(jié)果Table3 Explosion test results of samples

圖3 爆炸試驗(yàn)溫升測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 Testing data of temperature rise in explosion tests

由表3和圖3可知：

1)2個(gè)被測(cè)樣品在額定功率下通斷電產(chǎn)生的火花均能點(diǎn)燃樣品內(nèi)部的爆炸性混合物。

2)2個(gè)被測(cè)樣品均在第1次試驗(yàn)就發(fā)生傳爆，即被測(cè)樣品內(nèi)部爆炸性混合氣體被點(diǎn)爆后引起樣品外部爆炸性混合氣體爆炸。

3)被測(cè)樣品內(nèi)部爆炸性混合氣體被點(diǎn)爆后，溫度最高值分別為61 ℃、70 ℃；樣品外部爆炸性混合氣體爆炸后防爆試驗(yàn)罐內(nèi)的溫度最高值分別為119 ℃、128 ℃。因防爆試驗(yàn)罐內(nèi)爆炸性混合氣體量較多，被測(cè)樣品外部的溫度高于樣品內(nèi)部，且先檢測(cè)到樣品內(nèi)部溫度迅速升高。

綜上，被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能有效阻止產(chǎn)品內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的火焰點(diǎn)燃外部爆炸性氣體混合物，因此，爆炸試驗(yàn)不合格。但爆炸性試驗(yàn)結(jié)束后，被測(cè)樣品在負(fù)載狀態(tài)下斷開觸頭，未觀察到飛弧。

4 結(jié)論

1)R290，R32等可燃制冷劑空調(diào)電氣元件的點(diǎn)燃危險(xiǎn)主要來自電氣元件工作過程中的電氣火花，電氣元件(PTC電加熱器除外)的最高表面溫度不是有效的點(diǎn)燃源。

2)可燃制冷劑空調(diào)開關(guān)元件最容易產(chǎn)生電火花、電弧，且通過試驗(yàn)驗(yàn)證不符合IIA級(jí)“nC”型防爆要求開關(guān)元件的火花或電弧能點(diǎn)爆(6.5±0.5)%乙烯/空氣混合物。

3)可燃制冷劑開關(guān)元件設(shè)計(jì)成“nC”型的封閉式斷路器和非點(diǎn)燃元件通過爆炸測(cè)試后，可確定為非有效點(diǎn)燃源?！皀C”型開關(guān)元件內(nèi)部允許可燃制冷劑泄漏進(jìn)入，但不能引起外部爆炸性混合環(huán)境的爆炸。

4)針對(duì)開關(guān)元件結(jié)構(gòu)尺寸小，存在爆炸試驗(yàn)中爆炸性混合氣體多次置換和反復(fù)負(fù)載通斷電操作的難點(diǎn)問題，提出一套合理可行的爆炸試驗(yàn)方案，并通過測(cè)試應(yīng)用得到驗(yàn)證。