防爆“n”型電氣設備中nL-限制能量設備

章平誼，王壽柏

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

防爆“n”型電氣設備即過去我們通稱的防爆無火花型電氣設備。2003 年在對標準GB 3836.8—1987版修訂時按IEC60079—15:2001《爆炸性氣體環境用電氣設備 第15 部分:“n”型電氣設備》的標準內容制訂了GB 3836.8—2003《爆炸性氣體環境用電氣設備 第8 部分:“n”型電氣設備》標準。此標準中將“n”型電氣設備詳細分為:nA-無火花設備;nC-有火花設備;nR-限制呼吸外殼;nL-限制能量設備;nZ-具有n-正壓外殼。

2011 年實施的GB 3836.4—2010《爆炸性環境 第4 部分:由本質安全型“i”保護的設備》中，引入了“ic”保護等級的定義。下面就詳細地介紹一下爆炸性氣體環境用電氣設備“n”型電氣設備，特別著重地介紹nL-限制能量設備及其與本質安全型中“ic”保護等級的區別。

1 術語和定義

1.1 “n”型防爆［4］

電氣設備的一種防爆型式，這種型式的電氣設備，在正常運行時和本部規定的一些異常條件下，不能點燃周圍爆炸性氣體環境。

1.2 能量限制［4］

在規定的試驗條件下，設備電路產生的電火花或任何熱效應不能點燃規定的可燃性氣體或蒸汽。

1.3 nL-限制能量設備［4］

電路和元件的設計符合能量限制原理的電氣設備。

1.4 本質安全型［3］

電氣設備的一種防爆型式，它將設備內部和暴露于潛在爆炸性環境的連接導線可能產生的電火花或熱效應能量限制在不能產生點燃的水平。

1.5 “ic”保護等級［3］

施加Um或Ui后，在正常工作情況下，“ic”等級電氣設備中的本質安全電路應不能引起點燃，施加1.0 倍安全系數(故障的概念不適用于該保護等級)。

2 “n”型設備的防爆原理及設計理念

這種型式的防爆電氣設備，在正常運行時和規定的一些異常條件下，不能點燃周圍爆炸性氣體環境。所謂“正常運行和規定的一些異常條件下”是指設備的電氣性能和機械性能符合設計規范要求，并在制造商規定的范圍內使用。

“n”型電氣設備是一種用于地面工廠2 區危險場所的防爆電氣設備。在正常運行時不會產生火花，也不太可能產生引起點燃故障的電氣設備。綜合起來看，一是場所不太可能出現危險;二是電氣設備不太可能形成點燃源，兩者同時發生并相遇的機會就很小。為了有一個定量的概念，我們就兩者相遇概率作一個粗略的估算。根據國外的有關資料介紹，在2 區爆炸危險場所中，每年出現爆炸性混合物的時間不大于10h(一年按8 000h計)，亦即爆炸性混合物出現的概率為1/800;假設電動機每小時起動1 次，每次需2s，則1h 內可能產生火花的概率為1×2/3600=1/1800.兩者相遇的概率為1/800×1/1800=7×10-7，可見相遇概率極小，達到我們所能接受的安全水平。這就是“n”型電氣設備用于2 區爆炸危險場所的原因。

“n”型電氣設備根據設備的性能特點主要分以下兩種情況。

2.1 無火花設備(nA)在正常運行時不得產生電弧和火花。與爆炸性混合物相接觸的內、外表面溫度均不得超過設備溫度組別的最高溫度(如“n”型防爆電機)。

2.2 對正常運行時會產生火花或電弧或是高溫熱表面的零部件，需采取下列幾種方法之一進行保護來防止點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入的外殼。在一段時間內，使外殼內積聚的爆炸性氣體或蒸汽的濃度達不到爆炸下限，而這一段時間要比外部爆炸性氣體或蒸汽預定存在的時間長，從而使內部產生的火花不會點燃爆炸性混合物。

2.2.2 氣密裝置(nC)是一種能防止外部氣體滲透到內部的裝置。通過熔接、錫焊、銅焊、焊接或玻璃與金屬熔接等方法達到氣密性能要求。這種防爆設備就是過去GB 3636.10—1991《爆炸性環境用防爆電氣設備氣密型電氣設備“h”》規定的氣密型(“h”型)防爆設備，1998 年修訂GB 3636系列標準時將氣密型歸到無火花型中，主要適用一些小的產品如熔斷器等。

2.2.3 密封裝置(nC)是一種正常運行時不能打開的裝置，內部凈容積小于100cm3，能有效防止外部大氣進入，近似于澆封型(“m”型)防爆設備。

2.2.4 正壓裝置(nZ)技術是將保護氣體充入到設備外殼內，并保證外殼內部壓力高于周圍環境，以阻止環境中的爆炸性氣體進到設備外殼內。近似于正壓型(“p”型)防爆設備，它與“p”型的最大不同就是它不適用于有內部釋放源的情況。

2.2.5 能量限制(nL)技術是針對產生電弧、火花或熱表面的設備或電路，將火花部件安放在合適的電路中，限制它的電壓、電流以保證不能發生點燃。限制能量的元器件可以放在設備本體或另一個設備中，該設備為設備本體的關聯設備。對于電子設備和有關的小功率設備(≤20W)，如測量、控制通訊設備、儀器儀表等均適合設計成此種防爆型式。設計重點要掌握以下幾方面。

(1)設備的外殼防護等級不低于GB 4208—2008 中的IP54 要求，除非設備經過安裝達到同樣的防護等級;

(2)設備或設備部件的額定電壓應不超過60V DC 或75V AC;

(3)不管設備內或設備外，應采取措施以防額定電壓因瞬態干擾而超過40%以上。

為滿足上述要求需采取以下措施。

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

如果用塑料外殼，外殼應具有較好的熱穩定性，要求材料允許的工作溫度高于設備外殼最高表面溫度。為了保證塑料外殼正常工作時不集聚危險靜電，應選用表面電阻≤1GΩ 的塑料材質。

如果用輕金屬外殼，應選用鎂和鈦的總含量不大于7.5%的材質。

②限制設備的點燃能量:通常，限制點燃能量的設計可根據電路的特點靈活應用下列不同的技術方法來滿足電路設計的經濟、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。對于電路中的各儲能元件及可能的發熱元件可以通過分析，逐一予以解決。

元件的額定值:除變壓器、熔斷器、熱脫扣器、繼電器和開關外，與防爆型式有關的任何元件，在正常條件下不應在超過與該設備的額定值、安裝狀態和規定的溫度范圍有關的最大電流、電壓和功率的三分之二下運行(對不常承受應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關的電磁閥產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:熔斷器可以用來保護其它元件并且可以限制限能電路中的電流。對于此用途的熔斷器應能連續通過1.7In電流(In為熔斷器額定電流)。熔斷器的時間電流特性應保證不超過保護元件的瞬態額定值。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，用在關聯設備上的熔斷器應有分斷1 500A 的能力，并應符合前面所說的元件額定值的要求。

并聯安全元件:二極管和限壓裝置等并聯安全元件應牢固地連接到保護元件上使它們不可能分開(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，見表1。

表1 單體電池和蓄電池的型式和使用

開關、插頭、插座:開關觸點或工作中有可能斷開的插頭、插座應按GB 3836.4—2010 中的要求進行火花試驗或評價。

b.逐級限壓/限流法

這種方法通常適用于具有多個工作電源的電路。在設計時，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，還可以依據實際的電路工況，在鉗位電壓下采取適當的限流措施，以限制最大工作電流。然后，在對各電路中的儲能元件及可能的發熱元件分析其安全性。這種設計方法既允許電路具有較高的電容、電感，便于實現電路的基本性能，同時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，便于限制能量設備實現小型化。

c.電路分離法

這種方法通常適用于復雜電路，且各功能電路之間本身是相互隔離的情況。尤其是對于逐一解決法和逐級限壓/限流法都不便于實現限能的情況，我們可以借助于電路自身隔離的特點，按照限能設計的基本要求，通過對隔離元件的可靠設計，首先使不同功能的電路實現可靠隔離，然后依據逐一解決法、逐級限壓/限流法去完成電路的設計。

3 nL-限制能量設備與本質安全型設備的區別

3.1 本質安全型設備按安全系數分為“ia”保護等級、“ib”保護等級和“ic”保護等級。

“ia”保護等級的設備是最安全的，是所有防爆設備中唯一(除一小部分專門為0 區設計的特殊型外)可以用在0 區爆炸性氣體環境危險區域的防爆設備，此種設備安全系數高，對電路結構、元器件性能要求的比較苛刻，設計難度和生產成本都相對要高。

“ib”保護等級的設備可以用在1 區和2 區。

“ic”保護等級是GB 3836.4—2010 標準中新增加的保護等級。其定義為:施加Um或Ui后，在正常工作情況下，“ic”等級電氣設備中的本質安全電路應不能引起點燃［3］。這種保護等級在設計時可以不考慮安全系數。

3.2 具體區別

3.2.1 電氣間隙和爬電距離:從GB 3836.8—2003 和GB 3836.4—2010 中對電氣間隙和爬電距離的要求可知在相同的電壓等級下相同材料級別，nL 型的電氣間隙和爬電距離要求與“ic”級的相差不多。但是在GB 3836.4—2010 中還說明如果將保護印制電路板組件或者隔離部件安裝于符合現場使用條件的防護等級不低于GB 4208 規定的IP54 的殼體中，電氣間隙和爬電距離就可放寬，對于II 級材料≤30V 的電氣間隙、爬電距離沒有要求。

3.2.2 關聯限能設備:GB 3836.8—2003 中只是概括性的說明了用齊納二極管和串聯電阻來限制設備的能量，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安全電路上的電壓，可靠限流電阻用于限制流入本質安全電路的電流，并制定了詳細的試驗方法。特別說明在“ic”保護等級的安全柵內，最低要求有單只齊納二極管和一個限流電阻器。

3.2.3 安全系數:GB 3836.8—2003 中規定，nL-限制能量設備故障條件和安全系數應忽略不計，只對正常運行的設備和電路進行評價或試驗;GB 3836.4—2010 中規定“ic”保護等級，施加1.0倍安全系數。

3.2.4 導電部件的隔離:GB 3836.8—2003 中只規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 中詳細規定了本質安全電路和非本質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.非本質安全電路的連接應具備保護措施，確保符合規定的元件額定值不會被超過，除非能證明連接到這些端子上的電路不會使元件的可靠隔離作用失效;c.連接在本質安全電路端子和非本質安全電路端子之間的元件，應符合下列要求的介電強度試驗:本質安全電路和電氣設備機架或可能接地的部件之間的絕緣應能承受兩倍本質安全電路電壓或500V交流有效值，兩者取較大值;本質安全電路和非本質安全電路之間的絕緣應能承受2U+1000V 交流有效值試驗電壓，但不小于1 500V。U 指本質安全電路和非本質安全電路的電壓有效值之和;在各自獨立的本質安全電路之間擊穿可能引起不安全情況時，則電路之間的絕緣應承受2U，但不小于500V 交流有效值電壓試驗，U 指所考慮的電路的電壓有效值之和。

3.2.5 試驗和評定:都是要求按GB 3836.4 的方法進行評價或試驗。評價或試驗時均不考慮故障條件。

3.3 通過以上的分析比較我們就可以推斷出“ic=nL”。GB 3836.4—2010 前言中說明了“增加了‘ic’保護等級(‘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來說，GB 3836.4—2010 中的要求、規定制定的更具體更詳細一些，對我們設計、制造的幫助會更大。因此設計nL-限制能量設備時完全可以參考GB 3836.4—2010中對“ic”保護等級的規定來進行。其實在GB 3836.8—2003 中對“nL”型的試驗要求也是要執行GB 3836.4—2000 中規定的，只是那時GB 3836.4 還沒有改版，沒有“ic”的定義。由于在GB 3836.15—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第15 部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外)》中沒有“ic”級設備，但是規定了“n”型電氣設備只能使用在2 區，因此，“ic”級設備也只能使用在2 區。

在最新版本的IEC 60079-15《爆炸性氣體環境用電氣設備 第15 部分:“n”型電氣設備》中已將nL-限制能量設備取消了，可能是考慮了與“ic”級設備的重復性。有可能GB 3836.8—2003 在下一次的修訂也會將nL-限制能量設備取消，那時設計制造這種防爆設備時就會明確地執行GB 3836.4—2010 中對“ic”保護等級的設備要求了。

4 結語

隨著石油、化工、煤炭、冶金等工業的迅速發展，防止爆炸事故的發生已成為十分突出的問題。為了解決這個問題就需要我們采取的預防措施合理、可靠、經濟。首先了解爆炸性氣體環境危險區域，環境中出現的爆炸性氣體的類型、溫度組別，在相應的區域和爆炸性氣體環境中使用哪種防爆型式的電氣設備是安全可靠的，只有這樣才能有的放矢，設計、生產出既安全可靠又經濟實用的防爆電氣設備。

［1］ 遼寧科學技術出版社出版工業防爆實用技術手冊.

［2］ 儀表本安防爆技術機械工業出版社出版.

［3］ GB 3836.4—2010 爆炸性環境 第4 部分:由本質安全型“i”保護的設備.

［4］ GB 3836.8—2003 爆炸性氣體環境用電氣設備 第8部分:“n”型電氣設備.

［5］ GB 3836.14—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第14 部分:危險場所分類.

［6］ GB 3836.15—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第15 部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外).