歐洲電梯非電氣防爆技術標準對我國的啟示（下）

文/江 浩 薛季愛 姚 俊 歐陽惠卿

5.EN 13463-6﹕2005——有關點燃源控制型防護

EN 13463-6∶2005《潛在爆炸性環境中使用的非電氣設備—第六部分：通過點燃源控制實現的保護“b”》規定了點燃源控制型防護的技術要求，其防護機理是在設備中附加傳感器，探測即將發生的危險，在潛在點燃源轉變為有效點燃源之前，采取控制措施防止狀態進一步惡化。點燃源控制系統一般是選擇設備某一物理參數作為被控參數，通過傳感器測量這一參數值，當其數值超過預先設定的閾值時，即采取預定的控制措施，這一控制措施可以自動運行，也可以通過向設備操作者發出警告來人工運行。在確定應用此種防護形式之前，設備同樣需經正確分組、分類和點燃風險評估。圖3為點燃源控制系統設計流程。

該標準主要內容是點燃源控制系統的功能設計應遵循的原則。標準要求控制參數的選擇應反映設備特征，傳感器應輸出正確信號，控制參數超過閾值時應能采取預定的措施。這些措施能有效抑制潛在點燃源，且必須在其轉換為有效點燃源之前起作用。標準還根據防點燃系統的可靠性來確定點燃保護級別，而該級別的選擇同樣取決于設備點燃風險評估的結果。

圖3 點燃源控制系統設計流程圖

6.EN 13463-8∶2003——關于液浸型爆炸防護

該系列標準的最后一篇EN 13463-8∶2003《潛在爆炸性環境中使用的非電氣設備—第八部分：通過液浸實現的保護“k”》為在液浸型爆炸防護的設計、制造、檢測等提供了基本的原則。此種防護形式的機理是使潛在點燃源浸沒在保護液體中，或使保護形成流動的膜連續覆蓋它，隔絕點燃源與周圍的爆炸性環境接觸防止爆炸發生。這種防護的實現形式有多種，在某些設備中，采用保護液體僅起保護作用，而在另一些設備中，保護液體就是潤滑和/或冷卻液。

液浸型防護適用范圍廣，幾乎所有組類設備都能使用。在應用該標準之前此類設備必須經過點燃風險評估。由于液浸型防護效果取決于保護液體將點燃源與爆炸性環境的有效隔絕，因此該標準主要涉及液體性質、液位高低、壓力、流量及密封等直接決定能否達到有效隔絕這一目的的基本因素。首先對于保護液體的選擇，標準要求保護液體必須避免其與被保護設備之間物理的（吸收被保護設備相互摩擦產生的熱量引起升溫）或化學的（被保護設備產生化學反應）作用產生新的點燃源。標準對液位高低、壓力及流量并未給出具體參數，而是由制造商根據被保護對象、工作方式、工作液的性質等通過計算或型式試驗來確定具體數值。

在計算或試驗時應考慮整個正常工作溫度范圍內液體的起伏波動、噴濺、湍流、攪拌、氣泡等最不利的條件，最終確定的極值必須保證潛在點燃源被完全浸沒或連續由足夠的保護液體覆蓋，以確保它們不能變為有效點燃源。密封的有效性主要與設備結構方面有關，標準要求密封形式必須保證保護液體的液位、壓力、流量能有效隔離點燃源與爆炸性環境，防止保護液體污染和泄漏。對于密封外殼必須根據不同種類進行型式試驗證明其滿足要求。

三、電梯非電氣防爆安全技術標準制定的一些建議

1.確保防護級別和安全的前提——辨識設備正確分類

按照EN 13463-1∶2009中對非電氣設備通用防爆要求，首先應對電梯按照使用環境正確分組分類，確定其防護級別和安全要求。由于防爆電梯使用場合不同，其形成爆炸性環境的各組成成分、濃度等各不相同，同時由于電梯自身特點，即使是同一臺電梯其各部件也分別處于機房、井道、底坑等不同的爆炸性環境中。因此，準確地對不同部件所處環境進行辨識以對設備進行正確分類，是決定采用何種防爆措施的前提。這樣既可以避免防爆措施不夠可靠無法起到應有的保護效果，還可以防止采用過度保護性技術手段造成安全的大幅度冗余，帶來成本的上升。

值得注意的是，不同組類電梯安全要求并不相同，有的僅需考慮正常運行工況，有的則需考慮兩個獨立故障發生的情況。由于防爆電梯產品的零部件復雜，且使用時需發生人機交互，故障產生不僅有設備本身的原因，也有人為因素。因此必須從原始設計、制造過程、安裝、使用環境乃至操作者使用全過程，預先考慮到可能出現的故障類型，判斷故障出現的概率。

2.執行點燃風險評估程序

在對電梯分組分類之后應當執行點燃風險評估程序，辨識可能出現的點燃源，如安全鉗緊急制停時與導軌的摩擦或撞擊、制動器非零速報閘時的摩擦溫升等。電梯的非電氣點燃源有些僅在故障狀態下才出現，有些正常運行時也存在，必須與具體電梯組類中的安全要求相對應。在列出點燃源之后可按EN 13463-1給定的順序考慮防爆安全措施，即優先保證不會產生點燃源；其次為點燃源失效；再者將爆炸性環境與點燃源隔離；最后，當爆炸無法避免時控制爆炸和防止火勢蔓延。這些防爆措施在EN 13463系列其他標準中均有所對應，可以按照優先級采用。此外，對電梯還必須按照標準要求進行機械性能試驗、最高表面溫度測量、與防護等級相關的設備非金屬部分檢測及熱沖擊試驗。

3.避免電梯產生點燃源

非電氣設備防爆措施首先應考慮避免電梯產生點燃源，EN標準中對應的防護形式為結構安全型。防爆電梯運行時可產生大量非電氣點燃源，如制動器非零速制停時的溫升、安全鉗動作時的機械火花等。按照結構安全型標準的要求，防爆電梯在設計階段必須對材料、參數等做出限制，或采用特殊的結構，并且證明采取措施的有效性。例如，若對制動器采用結構安全型防護，就需對制動器材料、電梯額定速度或載荷做出限制，使得其在非零速制停時引起的溫升也不會產生點燃源。同樣地，防爆電梯井道內的爆炸性環境可能會被安全鉗制停時引發的機械火花點燃，若要保證結構安全，對導軌潤滑油、安全鉗材料及導軌材料的選擇必須比普通電梯附加更多的要求，避免制停時出現機械火花。如果這些參數或材料已經有成熟的設計并被證明有效，即可直接引用，然而遺憾的是根據現有公開文獻資料尚未有所發現，因此研究人員必須通過大量理論分析和試驗驗證。防點燃保護系統設計基礎是控制參數的選擇和閾值確定，在制造商不知道控制參數、無法計算或無法從認可的參考文獻獲得時，應當通過型式試驗來確定控制參數正常運行的值和最大允值。

EN 13463-6∶2005并未對型式試驗給出具體的要求，設備制造商應該根據被測對象、需要測量的物理量等因素來選擇合適的實驗儀器，確定實驗方案并保證實驗結果的可靠性。點燃源控制可以認為是最為“主動”的一種防護形式，它使用范圍廣，配置靈活。但點燃源控制系統構成復雜，包含信號采集、傳輸、處理和動作多個環節，必須保證其具有極高的可靠性，能夠在預期的各種情況下工作正常。

4.點燃源失效

讓點燃源失效，對應的防護形式為點燃源控制型，設計點燃源控制系統的基礎是確定控制參數。控制參數類型的選擇不僅取決于潛在點燃源產生的機理，還受限制于參數能否被測量到、參數能否反映真實物理狀態等因素。電梯高速旋轉的電機軸支撐處，在正常運行中，不應出現摩擦點燃源。但若發生軸承損壞、油膜破裂或其他故障導致間隙縮小和偏心旋轉，就有可能出現摩擦高溫表面。為監測這一現象，可供選擇的控制參數有振動和溫度兩種，前者易于測量，由于它是一種間接參數，只能反映轉子的偏心量和摩擦的激烈程度，但不直接反映摩擦造成的升溫；后者則是直接參數，但精確測量摩擦表面的溫升對傳感器設置有較高要求。事實上，控制參數的選擇往往受多種因素制約，設計人員必須綜合權衡后根據實際情況和需求確定。確定控制參數正常運行值和一個不會導致潛在點燃源轉變為有效點燃源的故障運行臨界值是點燃源控制系統設計的第2步驟。前者較為簡單而后者則還取決于控制參數的選擇。承接上例，若選擇溫度作為控制參數，可以根據點燃風險評估所確定的設備組類、最高表面溫度、使用環境決定臨界值；若選擇振動作為控制參數，就必須確定間隙減小到點燃水平之前的正常和最大允許振動。由于振動是間接的參數，必須深入了解間隙導致的振動與摩擦升溫的物理本質，建立兩者之間的定量關系，因此工作的難度和量也大大增加。假設按照EN 13463-6標準要求為電梯設計點燃源控制系統，可選擇溫度為控制參數，基本步驟如下：

① 確定正常運行溫度（Tnorm）和由異常的摩擦導致的最高允許熱表面溫度（Tcrit）；

② 選擇傳感器測量溫度并計算其響應時間t1；

③ 計算傳感器發出信號到電梯停止運行時間t2（防點燃保護系統響應時間）；

④ 確保t1+t2小于Tnorm上升到Tcrit的時間；

⑤ 設計的停止電梯運行裝置應具備停止運行鎖定，以防止電梯在沒有重新設定防點燃保護系統的狀況下重新啟動；

⑥自動停止運行裝置屬安全裝置，該裝置的控制必須獨立于電梯的控制系統。

點燃源控制型防護為電梯附加了一套安全系統，必須保證其本身不會產生點燃源，且同時滿足電梯標準中關于電氣安全裝置的要求。由于爆炸防護主要依賴附加設計的防點燃保護系統，它包含多個環節，包括信號采集、傳輸、處理和動作（如發出警告信息通知操作者或自動采取措施）。因此，設計的附加系統一般較為復雜，也增加了成本，同時必須保證該系統具有極高的可靠性。

5.爆炸性環境與點燃源的隔離防護

爆炸性環境與點燃源的隔離防護與此系列標準中的限流外殼型和液浸型對應。

如果經點燃風險評估確定防爆電梯屬II組3類設備，設計并使用滿足標準條款要求的限流外殼作為防爆措施，既可滿足安全需求，也不會帶來成本上的大幅度增加，但其應用場合受限制較多。

曳引式防爆電梯的變速箱一般采用渦輪蝸桿嚙合傳動，蝸桿和渦輪在嚙合齒面之間有很大相對滑動，而且容易導致發熱和溫升過高現象。因此變速箱使用的潤滑油除了潤滑之外還有冷卻、緩沖作用。潤滑油在蝸桿和齒輪表面形成的油膜可視作液浸型防護，潤滑油即為防護液體。防爆電梯的潤滑油選擇應滿足EN 13463-5中有關液體性質的要求，渦輪蝸桿副嚙合時對于潤滑油的攪拌和加溫，磨損下的磨屑對潤滑油性質的改變也應在考慮范圍中。對齒輪箱體應按照標準要求進行型式試驗，確保能夠承受壓力并防止漏液，保證潤滑油的液位能保持有效隔絕外界爆炸性環境。

從維護保養角度，為保證在整個工作壽命中維持必要的點燃保護水平，對潤滑油的檢查及更換規范應根據防爆要求專門制定，以區別普通電梯。

6.控制爆炸和防止火勢蔓延

控制爆炸和防止火勢蔓延，對應的防護形式為隔爆型。只有在對防爆電梯進行正確分類和點燃風險評估之后，采納前幾種防護措施失效時才考慮這種方法。電梯用隔爆外殼可按照EN 13463-4標準中條款設計，其外殼材料選擇，強度要求露出部分與外殼結合處密封等最為關鍵。事實上，作為保護水平高，適用范圍廣的一種爆炸保護形式，隔爆型防護目前在防爆電梯上已有使用，如隔爆制動器。

對于防爆電梯的安全部件和材料性能還必須進行型式試驗驗證其功能及性能，型式試驗的設計及考核指標應綜合考慮電梯安全標準和防爆標準的要求。如安全鉗型式試驗，按電梯技術標準僅考慮其力學及運動學性能，若應用于爆炸性環境，則必須考慮其摩擦溫升或機械火花等防爆要求。同時應增加電梯型式試驗所需部件，如齒輪箱為滿足液浸型防護的要求，其外殼必須按照EN 13463-8進行型式試驗。

除了在設計和制造方面采取安全措施保障防爆電梯使用安全之外，針對防爆電梯的安裝、使用、維修、保養及安全監察程序也應建立與普通電梯不同的規范，以確保在上述過程中設備本身以及與之發生聯系的人員安全。

四、結束語

綜上所述，針對防爆電梯展開的安全技術標準研究，最需關注的是對電梯使用環境特征的了解，明確設備分組分類，對防爆電梯執行點燃風險評估程序，識別電梯運行過程的點燃源及潛在點燃源，選擇正確的爆炸防護形式，并經過形式試驗驗證其有效性和可靠性。由于所分析的標準內容只涉及一些通用的最基本要求，無法直接引用其條款來規范防爆電梯的設計或生產，必須結合產品實際情況將標準中的原則性條款轉換為針對防爆電梯的具體技術參數指標，并制定相應的國家防爆電梯標準，才能真正完善防爆電梯非電氣部分的防爆要求，發揮其對防爆電梯設計、生產及流通的規范作用，最終，為提升防爆電梯的防爆品質起到借鑒的作用。事實上，防爆電梯作為一種在爆炸性環境下使用的機電一體化設備，其系統構成復雜，使用環境多變，潛在點燃源眾多，相關防爆安全技術標準是一項系統工程，還需研究人員進行大量的理論分析及試驗研究。

The ATEX 95 equipment directive 94/9/EC,Equipment and protective systems intended for use in potentiallyexplosive atmosphere.