如何結合防爆標準來設計礦用本安型儀表

孔令剛

【摘要】結合GB3836.4-2010標準，文章從防爆審查和檢驗的角度出發，分析和闡述了礦用本安型設備設計時應注意的事項，可實現如何根據本安參數匹配的要求，有針對性的來規范本安型設備設計。

【關鍵詞】本質安全;本安參數;參數認證

引言

眾所周知，由于本安型設備結構簡單，體積小，重量輕，制造、維修方便，造價低，安全性能可靠等優點，現階段煤礦用所有防爆型式電氣產品中本安型設備應用最為廣泛。而據了解，對于如何結合防爆標準來設計本安型設備（特指外供電設備）是很多生產企業科研人員十分感興趣的話題。因此作者決定從防爆審查和檢驗的角度出發，從以下幾個方面進行分析和闡述，希望能給大家帶來幫助。

1.本安型防爆原理概述

本質安全型電路定義：在標準規定的條件（包括正常工作狀態和規定的故障條件）下產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體混合物。

電火花是指電路中觸點操作火花按鈕、開關、接觸器、繼電器接點、電刷、各種控制接點等產生的火花，電路短路、斷路及接地瞬間火花，也包括靜電火花。熱效應是指電氣元件、導線的過熱造成的表面溫度以及電熱體的表面溫度。

根據本質安全型電路的定義可以看出，電火花和熱效應是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要點燃源，本安就是通過限制電火花和熱效應兩個可能的點燃源的能量來實現的。試驗表明，對于各種爆炸性危險氣體都有其最小點燃能量（例如，氫氣19μJ、乙烯60μJ、甲烷280μJ），在正常工作和故障狀態下，當儀表可能產生的電火花或熱效應的能量小于這個能量時，儀表將不可能點燃相應的爆炸性危險氣體而產生爆炸。因此，本安型防爆儀表的設計，必須從限制能量入手，可靠得將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內，以保證儀表在正常工作或發生短接和元器件損壞的故障情況下產生的電火花和熱效應不至于引起周圍可能存在危險氣體爆炸。

通常電氣火花是隨著電路的接通和斷開而產生的，是電源能量和電路中儲能元件儲存的能量，在通斷電路點的放電現象。放電時電路的電子流及通斷點形成的電極間的氣體電離的離子形成的導電帶，并夾雜著熔融金屬粒子和蒸氣，在極高的電流密度作用下，產生高溫和高熱。

電氣火花放電形式依電路性質不同，分為阻性、感性和容性。有接通、斷開狀態。放電火花亦分為短路火花和閉路火花，具體與電路的形式有關。三種電路的火花放電示意圖以及放電能量的概算如下所示：

（1）電阻性電路

圖1 電阻性電路

電阻性電路斷開時，電極接觸面逐漸變小，電流密度急劇增大，電極間電阻增大，隨之極間電壓加大。在電壓和電流的作用下，電極熔化形成液體金屬橋，隨后產生金屬蒸氣使熔橋破壞，電極間電壓上升，形成放電火花。然而在實際電路中，純電阻電路基本上是不存在的，在電路中存在著分布電容和電感。因此，該值僅能作設計電路時參考。

（2）電感性電路

圖2 感性電路

電感元件是儲能元件，當電路工作時，電路中的能量以磁能的方式儲存在電感中。當電路狀態改變時電路中的電流不能突變，電壓突變，在電感兩端產生很高的反電勢，電源和反電勢均向電極放電。斷路時，電極迅速分離，電阻突然增大，電流急劇降低，電流變化率很大，在電極間隙間處有很高的反電勢，繼電弧放電后還產生輝光放電。電源的能量和電感儲能，在電極間隙放電，放電強度增加了，放電時間延長了。

（3）電容性電路

圖3 容性電路

電容性電路，電容是儲能元件，它把電源的能量以電能的形式儲存起來。當電路閉合時，既有電源向電極放電，也有電容儲能向電極放電。閉合電容電路放電瞬間放電電流極大，而且電容放電極為迅速（放電時間常數很小），能量高度集中，因此電容火花點燃能力更強，危險性更大。因為電容與電源 E 及電阻R 并聯，所以在電極間放電火花為兩者之和。電源部分放電與前面純電阻電路放電是相同的。

2.本安型設備的安全參數

作為本安型設備，輸入電源肯定為本安電源，按照現在的安標管理及防爆要求，本安電源的本安參數應包括：Uo、Io、Lo、Co;本安型設備的本安參數應包括：Ui、Ii、Li、Ci。

根據本安參數匹配原則即“參量認證”的方式，即對關聯設備本安電源與本安型設備分別給出一組安全參數，并可由用戶將不同生產廠商的電氣設備進行組合，從本安防爆安全性角度出發只須滿足如下關系：Ui≥Uo 、Ii≥Io、（Co-Ci）≥Ca 、（Lo-Li）≥La（La：連接電纜的等效電感、Ca：連接電纜的最大電容 ）

具體連接如圖4所示。

圖4 組成單元示意圖

四個等式參照GB3836.4-2010很容易理解，如果等式方向相反，就達不到本安型設備的本質安全的要求。由此可見，本安型設備設計時結合防爆標準要求的核心內容就是本安參數匹配，圍繞此中心可展開本安型設備設計時應注意的事項。

3.設計本安型設備的注意事項

3.1 本安型設備的基本設計要求

本安型設備的設計應滿足以下三個基本要求：

（1）可靠隔離的要求

必須把本安與非本安電路完全、可靠地隔離。應有可靠隔離器件或是加大電氣間隙和爬電距離、加強電氣絕緣等方法來實現電路隔離，確保本安電路的防爆性能。

（2）最高表面溫度要求（熱效應）

本安電路中所有元器件或導線的最高表面溫度須不大于所規定的最高溫度的要求，以避免熱效應點燃爆炸性氣體混合物。限制元器件或導線的最高表面溫度一般是通過電路中元器件有足夠的功率，連接導線應有足夠截面來限制熱效應的產生。

（3）火花不點燃的要求（最小點火能量）

通過控制電路的電參數，降低電路電壓和電流，減少電感和電容的儲能元件參數的方法，使電路達到本安防爆要求。

3.2 本安型設備的特殊設計要求

本安型設備的設計根據關聯設備本安參數的要求，電路中應重點核查的是大電容、大電感的儲能元件，它們是最可能產生點火能量疊加而引起瓦斯爆炸的因素。可從以下三個方面進行分析：

（1）如何結合本安電源（Ui、Ii）

在起初設計礦用本安型設備時，首先要明確設備的額定工作電壓范圍，才能對應選擇合適的關聯設備，只要滿足上面提到的Ui≥Uo、Ii≥Io即可。從安標認證和防爆檢驗的角度出發，任何礦用本安型設備必須要明確關聯設備作為A類受控件，并且要通過GB3836.4-2010中10.1條規定的火花點燃試驗方可連接。因此選擇合適的關聯設備是礦用本安型設備設計的前提和關鍵。本人建議，除了自己配套生產關聯設備外可選用國內幾家知名大公司生產的關聯設備，不僅安全性能可靠，而且礦業領域可持續發展能力強。切記避免由于小公司生產的關聯設備由于市場不景氣或是質量不可靠而導致安標注銷，直接會影響到本廠礦用本安型設備的安標暫停。

（2）如何結合最大輸入電容（Ci）

在明確關聯設備后，根據Co>Ci的等式要求，確保電源輸入端的最大等效內電容不能超過關聯設備的最大帶載電容Co才能滿足本質安全性能的要求。而在設計礦用本安型設備時，電路中難免會出現電容器件，根據不同的性能指標的需要可能會出現的電容達到幾十微法甚至上百微法，如何結合標準對電容的要求，這就需要從以下兩個方面考慮。

a.參考GB3836.4-2010表（如表1所示）

根據標準中電壓和設備類別對應的允許電容表，設備開發者應嚴格按照設計電路中的電壓等級來控制電容的規格，并要充分考慮到可能存在故障情況（如穩壓芯片管腳短接）下的電壓情況。

b.可采取澆封或是串聯電阻等措施降低等效電容

如果對于某些設計電路來說，為了確保抗干擾能力或是提高采樣性能指標的要求，有些電容不能按照要求降低，那就需要我們通過其他方式處理來達到本質安全性能的要求，如電容旁串聯電阻的方式可以降低等效電容的數值，可參考圖5串聯電阻保護時有效電容允許降低系數;另一種方法可按照圖5的方式進行處理，通過局部澆封，可以把非安部分的火花能量澆封在澆封劑內，不與外界可能出現的爆炸性氣體環境接觸，并且內部電容儲存的能量通過反向二極管限制在澆封劑內部釋放不出來。并且保證了后續電容可靠工作在電壓范圍內。

表1 電容取值標準參考表

（3）如何結合最大輸入電感（Li）

同樣，在明確關聯設備后，根據Lo>Li的等式要求，確保電源輸入端的最大等效內電感不能超過關聯設備的最大帶載電感Lo才能滿足本質安全性能的要求。而在設計礦用本安型設備時，電路中難免會出現電感器件，如開關芯片的續流電感、電機線圈等。根據GB3836.4-2010中圖6所示I類電感電路曲線可以分析出，在不同的電流等級對應有不同的電感允許量，如果不超過標準要求即可;如果實在滿足不了標準曲線，亦可通過圖6的方式進行處理。把非安的火花能量通過續流二極管自身釋放掉，通過局部澆封限制在澆封劑中而傳不出來。

圖6 大電感澆封處理常見方式

4.結束語

通過對礦用本安型設備如何結合防爆標準進行設計的分析和闡述，作者歸納總結了幾個要點，并提出了一系列解決問題的思路和辦法。其中本質安全型設備在保證本安電源輸入的前提下，如何尋找防爆安全與性能指標的平衡是重中之重，希望能夠給企業帶來一定的啟示和幫助。

參考文獻

[1]GB3836.1-2010.爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求.

[2]GB3836.4-2010.爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備.

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