防爆“n”型電氣設(shè)備中nL-限制能量設(shè)備

章平誼，王壽柏

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

防爆“n”型電氣設(shè)備即過(guò)去我們通稱(chēng)的防爆無(wú)火花型電氣設(shè)備。2003 年在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.8—1987版修訂時(shí)按IEC60079—15:2001《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第15 部分:“n”型電氣設(shè)備》的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容制訂了GB 3836.8—2003《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第8 部分:“n”型電氣設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)中將“n”型電氣設(shè)備詳細(xì)分為:nA-無(wú)火花設(shè)備;nC-有火花設(shè)備;nR-限制呼吸外殼;nL-限制能量設(shè)備;nZ-具有n-正壓外殼。

2011 年實(shí)施的GB 3836.4—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》中，引入了“ic”保護(hù)等級(jí)的定義。下面就詳細(xì)地介紹一下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備“n”型電氣設(shè)備，特別著重地介紹nL-限制能量設(shè)備及其與本質(zhì)安全型中“ic”保護(hù)等級(jí)的區(qū)別。

1 術(shù)語(yǔ)和定義

1.1 “n”型防爆［4］

電氣設(shè)備的一種防爆型式，這種型式的電氣設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)和本部規(guī)定的一些異常條件下，不能點(diǎn)燃周?chē)ㄐ詺怏w環(huán)境。

1.2 能量限制［4］

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，設(shè)備電路產(chǎn)生的電火花或任何熱效應(yīng)不能點(diǎn)燃規(guī)定的可燃性氣體或蒸汽。

1.3 nL-限制能量設(shè)備［4］

電路和元件的設(shè)計(jì)符合能量限制原理的電氣設(shè)備。

1.4 本質(zhì)安全型［3］

電氣設(shè)備的一種防爆型式，它將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點(diǎn)燃的水平。

1.5 “ic”保護(hù)等級(jí)［3］

施加Um或Ui后，在正常工作情況下，“ic”等級(jí)電氣設(shè)備中的本質(zhì)安全電路應(yīng)不能引起點(diǎn)燃，施加1.0 倍安全系數(shù)(故障的概念不適用于該保護(hù)等級(jí))。

2 “n”型設(shè)備的防爆原理及設(shè)計(jì)理念

這種型式的防爆電氣設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)和規(guī)定的一些異常條件下，不能點(diǎn)燃周?chē)ㄐ詺怏w環(huán)境。所謂“正常運(yùn)行和規(guī)定的一些異常條件下”是指設(shè)備的電氣性能和機(jī)械性能符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并在制造商規(guī)定的范圍內(nèi)使用。

“n”型電氣設(shè)備是一種用于地面工廠2 區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的防爆電氣設(shè)備。在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，也不太可能產(chǎn)生引起點(diǎn)燃故障的電氣設(shè)備。綜合起來(lái)看，一是場(chǎng)所不太可能出現(xiàn)危險(xiǎn);二是電氣設(shè)備不太可能形成點(diǎn)燃源，兩者同時(shí)發(fā)生并相遇的機(jī)會(huì)就很小。為了有一個(gè)定量的概念，我們就兩者相遇概率作一個(gè)粗略的估算。根據(jù)國(guó)外的有關(guān)資料介紹，在2 區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所中，每年出現(xiàn)爆炸性混合物的時(shí)間不大于10h(一年按8 000h計(jì))，亦即爆炸性混合物出現(xiàn)的概率為1/800;假設(shè)電動(dòng)機(jī)每小時(shí)起動(dòng)1 次，每次需2s，則1h 內(nèi)可能產(chǎn)生火花的概率為1×2/3600=1/1800.兩者相遇的概率為1/800×1/1800=7×10-7，可見(jiàn)相遇概率極小，達(dá)到我們所能接受的安全水平。這就是“n”型電氣設(shè)備用于2 區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的原因。

“n”型電氣設(shè)備根據(jù)設(shè)備的性能特點(diǎn)主要分以下兩種情況。

2.1 無(wú)火花設(shè)備(nA)在正常運(yùn)行時(shí)不得產(chǎn)生電弧和火花。與爆炸性混合物相接觸的內(nèi)、外表面溫度均不得超過(guò)設(shè)備溫度組別的最高溫度(如“n”型防爆電機(jī))。

2.2 對(duì)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花或電弧或是高溫?zé)岜砻娴牧悴考?，需采取下列幾種方法之一進(jìn)行保護(hù)來(lái)防止點(diǎn)燃外部的爆炸性氣體。

2.2.1 限制呼吸外殼(nR)是一種能阻止或限制外面爆炸性氣體進(jìn)入的外殼。在一段時(shí)間內(nèi)，使外殼內(nèi)積聚的爆炸性氣體或蒸汽的濃度達(dá)不到爆炸下限，而這一段時(shí)間要比外部爆炸性氣體或蒸汽預(yù)定存在的時(shí)間長(zhǎng)，從而使內(nèi)部產(chǎn)生的火花不會(huì)點(diǎn)燃爆炸性混合物。

2.2.2 氣密裝置(nC)是一種能防止外部氣體滲透到內(nèi)部的裝置。通過(guò)熔接、錫焊、銅焊、焊接或玻璃與金屬熔接等方法達(dá)到氣密性能要求。這種防爆設(shè)備就是過(guò)去GB 3636.10—1991《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備氣密型電氣設(shè)備“h”》規(guī)定的氣密型(“h”型)防爆設(shè)備，1998 年修訂GB 3636系列標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將氣密型歸到無(wú)火花型中，主要適用一些小的產(chǎn)品如熔斷器等。

2.2.3 密封裝置(nC)是一種正常運(yùn)行時(shí)不能打開(kāi)的裝置，內(nèi)部?jī)羧莘e小于100cm3，能有效防止外部大氣進(jìn)入，近似于澆封型(“m”型)防爆設(shè)備。

2.2.4 正壓裝置(nZ)技術(shù)是將保護(hù)氣體充入到設(shè)備外殼內(nèi)，并保證外殼內(nèi)部壓力高于周?chē)h(huán)境，以阻止環(huán)境中的爆炸性氣體進(jìn)到設(shè)備外殼內(nèi)。近似于正壓型(“p”型)防爆設(shè)備，它與“p”型的最大不同就是它不適用于有內(nèi)部釋放源的情況。

2.2.5 能量限制(nL)技術(shù)是針對(duì)產(chǎn)生電弧、火花或熱表面的設(shè)備或電路，將火花部件安放在合適的電路中，限制它的電壓、電流以保證不能發(fā)生點(diǎn)燃。限制能量的元器件可以放在設(shè)備本體或另一個(gè)設(shè)備中，該設(shè)備為設(shè)備本體的關(guān)聯(lián)設(shè)備。對(duì)于電子設(shè)備和有關(guān)的小功率設(shè)備(≤20W)，如測(cè)量、控制通訊設(shè)備、儀器儀表等均適合設(shè)計(jì)成此種防爆型式。設(shè)計(jì)重點(diǎn)要掌握以下幾方面。

(1)設(shè)備的外殼防護(hù)等級(jí)不低于GB 4208—2008 中的IP54 要求，除非設(shè)備經(jīng)過(guò)安裝達(dá)到同樣的防護(hù)等級(jí);

(2)設(shè)備或設(shè)備部件的額定電壓應(yīng)不超過(guò)60V DC 或75V AC;

(3)不管設(shè)備內(nèi)或設(shè)備外，應(yīng)采取措施以防額定電壓因瞬態(tài)干擾而超過(guò)40%以上。

為滿(mǎn)足上述要求需采取以下措施。

①設(shè)備的外殼:nL-限制能量設(shè)備的零件和布線必須加以適當(dāng)保護(hù)，以防止非正常情況下受到影響而直接或間接地引起危險(xiǎn)，通常的做法是在外殼的配合面間加密封圈、墊，這些密封墊應(yīng)粘附或固定到一個(gè)配合面上，以防止丟失、損壞或錯(cuò)裝。

如果用塑料外殼，外殼應(yīng)具有較好的熱穩(wěn)定性，要求材料允許的工作溫度高于設(shè)備外殼最高表面溫度。為了保證塑料外殼正常工作時(shí)不集聚危險(xiǎn)靜電，應(yīng)選用表面電阻≤1GΩ 的塑料材質(zhì)。

如果用輕金屬外殼，應(yīng)選用鎂和鈦的總含量不大于7.5%的材質(zhì)。

②限制設(shè)備的點(diǎn)燃能量:通常，限制點(diǎn)燃能量的設(shè)計(jì)可根據(jù)電路的特點(diǎn)靈活應(yīng)用下列不同的技術(shù)方法來(lái)滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的要求。

a.逐一解決法

這種方法通常適用于單一電源的電路。對(duì)于電路中的各儲(chǔ)能元件及可能的發(fā)熱元件可以通過(guò)分析，逐一予以解決。

元件的額定值:除變壓器、熔斷器、熱脫扣器、繼電器和開(kāi)關(guān)外，與防爆型式有關(guān)的任何元件，在正常條件下不應(yīng)在超過(guò)與該設(shè)備的額定值、安裝狀態(tài)和規(guī)定的溫度范圍有關(guān)的最大電流、電壓和功率的三分之二下運(yùn)行(對(duì)不常承受應(yīng)力的元件可不受此限制)。如用于抑制由人工操作或不頻繁開(kāi)關(guān)的電磁閥產(chǎn)生的火花能量的二極管僅需要將電路中的正常電流作為額定值。

熔斷器:熔斷器可以用來(lái)保護(hù)其它元件并且可以限制限能電路中的電流。對(duì)于此用途的熔斷器應(yīng)能連續(xù)通過(guò)1.7In電流(In為熔斷器額定電流)。熔斷器的時(shí)間電流特性應(yīng)保證不超過(guò)保護(hù)元件的瞬態(tài)額定值。熔斷器的電氣間隙和爬電距離的要求按Um的額定電壓(或Ui)值確定。除非裝有輔助限流裝置，用在關(guān)聯(lián)設(shè)備上的熔斷器應(yīng)有分?jǐn)? 500A 的能力，并應(yīng)符合前面所說(shuō)的元件額定值的要求。

并聯(lián)安全元件:二極管和限壓裝置等并聯(lián)安全元件應(yīng)牢固地連接到保護(hù)元件上使它們不可能分開(kāi)(如澆封)。

單體電池和蓄電池:按單體電池和蓄電池的型式提出使用限制，見(jiàn)表1。

表1 單體電池和蓄電池的型式和使用

開(kāi)關(guān)、插頭、插座:開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)或工作中有可能斷開(kāi)的插頭、插座應(yīng)按GB 3836.4—2010 中的要求進(jìn)行火花試驗(yàn)或評(píng)價(jià)。

b.逐級(jí)限壓/限流法

這種方法通常適用于具有多個(gè)工作電源的電路。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以采取可靠的限壓鉗位措施，將具有不同工作電源電路的最高電壓分別予以控制。必要時(shí)，還可以依據(jù)實(shí)際的電路工況，在鉗位電壓下采取適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧韵拗谱畲蠊ぷ麟娏?。然后，在?duì)各電路中的儲(chǔ)能元件及可能的發(fā)熱元件分析其安全性。這種設(shè)計(jì)方法既允許電路具有較高的電容、電感，便于實(shí)現(xiàn)電路的基本性能，同時(shí)也允許在較低工作電壓下的電路選用具有較低功率的元件，便于限制能量設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化。

c.電路分離法

這種方法通常適用于復(fù)雜電路，且各功能電路之間本身是相互隔離的情況。尤其是對(duì)于逐一解決法和逐級(jí)限壓/限流法都不便于實(shí)現(xiàn)限能的情況，我們可以借助于電路自身隔離的特點(diǎn)，按照限能設(shè)計(jì)的基本要求，通過(guò)對(duì)隔離元件的可靠設(shè)計(jì)，首先使不同功能的電路實(shí)現(xiàn)可靠隔離，然后依據(jù)逐一解決法、逐級(jí)限壓/限流法去完成電路的設(shè)計(jì)。

3 nL-限制能量設(shè)備與本質(zhì)安全型設(shè)備的區(qū)別

3.1 本質(zhì)安全型設(shè)備按安全系數(shù)分為“ia”保護(hù)等級(jí)、“ib”保護(hù)等級(jí)和“ic”保護(hù)等級(jí)。

“ia”保護(hù)等級(jí)的設(shè)備是最安全的，是所有防爆設(shè)備中唯一(除一小部分專(zhuān)門(mén)為0 區(qū)設(shè)計(jì)的特殊型外)可以用在0 區(qū)爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的防爆設(shè)備，此種設(shè)備安全系數(shù)高，對(duì)電路結(jié)構(gòu)、元器件性能要求的比較苛刻，設(shè)計(jì)難度和生產(chǎn)成本都相對(duì)要高。

“ib”保護(hù)等級(jí)的設(shè)備可以用在1 區(qū)和2 區(qū)。

“ic”保護(hù)等級(jí)是GB 3836.4—2010 標(biāo)準(zhǔn)中新增加的保護(hù)等級(jí)。其定義為:施加Um或Ui后，在正常工作情況下，“ic”等級(jí)電氣設(shè)備中的本質(zhì)安全電路應(yīng)不能引起點(diǎn)燃［3］。這種保護(hù)等級(jí)在設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮安全系數(shù)。

3.2 具體區(qū)別

3.2.1 電氣間隙和爬電距離:從GB 3836.8—2003 和GB 3836.4—2010 中對(duì)電氣間隙和爬電距離的要求可知在相同的電壓等級(jí)下相同材料級(jí)別，nL 型的電氣間隙和爬電距離要求與“ic”級(jí)的相差不多。但是在GB 3836.4—2010 中還說(shuō)明如果將保護(hù)印制電路板組件或者隔離部件安裝于符合現(xiàn)場(chǎng)使用條件的防護(hù)等級(jí)不低于GB 4208 規(guī)定的IP54 的殼體中，電氣間隙和爬電距離就可放寬，對(duì)于II 級(jí)材料≤30V 的電氣間隙、爬電距離沒(méi)有要求。

3.2.2 關(guān)聯(lián)限能設(shè)備:GB 3836.8—2003 中只是概括性的說(shuō)明了用齊納二極管和串聯(lián)電阻來(lái)限制設(shè)備的能量，而GB 3836.4—2010 中引用了二極管安全柵的定義。二極管安全柵中的二極管用于限制施加到本質(zhì)安全電路上的電壓，可靠限流電阻用于限制流入本質(zhì)安全電路的電流，并制定了詳細(xì)的試驗(yàn)方法。特別說(shuō)明在“ic”保護(hù)等級(jí)的安全柵內(nèi)，最低要求有單只齊納二極管和一個(gè)限流電阻器。

3.2.3 安全系數(shù):GB 3836.8—2003 中規(guī)定，nL-限制能量設(shè)備故障條件和安全系數(shù)應(yīng)忽略不計(jì)，只對(duì)正常運(yùn)行的設(shè)備和電路進(jìn)行評(píng)價(jià)或試驗(yàn);GB 3836.4—2010 中規(guī)定“ic”保護(hù)等級(jí)，施加1.0倍安全系數(shù)。

3.2.4 導(dǎo)電部件的隔離:GB 3836.8—2003 中只規(guī)定了限能電路和非限能電路、各限能電路之間、限能電路和接地之間的電氣間隙和爬電距離的要求;GB 3836.4—2010 中詳細(xì)規(guī)定了本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間隔離元件的要求，包括:a.電氣間隙和爬電距離的要求;b.非本質(zhì)安全電路的連接應(yīng)具備保護(hù)措施，確保符合規(guī)定的元件額定值不會(huì)被超過(guò)，除非能證明連接到這些端子上的電路不會(huì)使元件的可靠隔離作用失效;c.連接在本質(zhì)安全電路端子和非本質(zhì)安全電路端子之間的元件，應(yīng)符合下列要求的介電強(qiáng)度試驗(yàn):本質(zhì)安全電路和電氣設(shè)備機(jī)架或可能接地的部件之間的絕緣應(yīng)能承受兩倍本質(zhì)安全電路電壓或500V交流有效值，兩者取較大值;本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間的絕緣應(yīng)能承受2U+1000V 交流有效值試驗(yàn)電壓，但不小于1 500V。U 指本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路的電壓有效值之和;在各自獨(dú)立的本質(zhì)安全電路之間擊穿可能引起不安全情況時(shí)，則電路之間的絕緣應(yīng)承受2U，但不小于500V 交流有效值電壓試驗(yàn)，U 指所考慮的電路的電壓有效值之和。

3.2.5 試驗(yàn)和評(píng)定:都是要求按GB 3836.4 的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)或試驗(yàn)。評(píng)價(jià)或試驗(yàn)時(shí)均不考慮故障條件。

3.3 通過(guò)以上的分析比較我們就可以推斷出“ic=nL”。GB 3836.4—2010 前言中說(shuō)明了“增加了‘ic’保護(hù)等級(jí)(‘n’型中nL)”，這就給我們的推斷做了充分的肯定。只就限制能量這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，GB 3836.4—2010 中的要求、規(guī)定制定的更具體更詳細(xì)一些，對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)、制造的幫助會(huì)更大。因此設(shè)計(jì)nL-限制能量設(shè)備時(shí)完全可以參考GB 3836.4—2010中對(duì)“ic”保護(hù)等級(jí)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行。其實(shí)在GB 3836.8—2003 中對(duì)“nL”型的試驗(yàn)要求也是要執(zhí)行GB 3836.4—2000 中規(guī)定的，只是那時(shí)GB 3836.4 還沒(méi)有改版，沒(méi)有“ic”的定義。由于在GB 3836.15—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第15 部分:危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣安裝(煤礦除外)》中沒(méi)有“ic”級(jí)設(shè)備，但是規(guī)定了“n”型電氣設(shè)備只能使用在2 區(qū)，因此，“ic”級(jí)設(shè)備也只能使用在2 區(qū)。

在最新版本的IEC 60079-15《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第15 部分:“n”型電氣設(shè)備》中已將nL-限制能量設(shè)備取消了，可能是考慮了與“ic”級(jí)設(shè)備的重復(fù)性。有可能GB 3836.8—2003 在下一次的修訂也會(huì)將nL-限制能量設(shè)備取消，那時(shí)設(shè)計(jì)制造這種防爆設(shè)備時(shí)就會(huì)明確地執(zhí)行GB 3836.4—2010 中對(duì)“ic”保護(hù)等級(jí)的設(shè)備要求了。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著石油、化工、煤炭、冶金等工業(yè)的迅速發(fā)展，防止爆炸事故的發(fā)生已成為十分突出的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題就需要我們采取的預(yù)防措施合理、可靠、經(jīng)濟(jì)。首先了解爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域，環(huán)境中出現(xiàn)的爆炸性氣體的類(lèi)型、溫度組別，在相應(yīng)的區(qū)域和爆炸性氣體環(huán)境中使用哪種防爆型式的電氣設(shè)備是安全可靠的，只有這樣才能有的放矢，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出既安全可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防爆電氣設(shè)備。

［1］ 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社出版工業(yè)防爆實(shí)用技術(shù)手冊(cè).

［2］ 儀表本安防爆技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社出版.

［3］ GB 3836.4—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.

［4］ GB 3836.8—2003 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第8部分:“n”型電氣設(shè)備.

［5］ GB 3836.14—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第14 部分:危險(xiǎn)場(chǎng)所分類(lèi).

［6］ GB 3836.15—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第15 部分:危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣安裝(煤礦除外).