防爆LED燈具固有安全型光輻射試驗方法探討

石 磊

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

防爆LED燈具固有安全型光輻射試驗方法探討

石 磊

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

目前，防爆LED燈具已越來越多地應用于爆炸性危險場所，但國內尚未出臺針對光輻射引燃作用的標準規范。從揭示光輻射引燃作用的角度，論述了對防爆LED燈具光輻射的引燃機理、保護方式分類、光輻射安全限值以及合格判定；從光波角度，分析了防爆LED燈具連續波輻射與脈沖輻射兩種發光方式光源評估方法的不同；通過色彩的疊加方式，分析了不同種類LED發光原理和光輻射特點；從滿足固有安全型光輻射角度，探討了優化LED驅動電路設計、應用固有安全特性LED和使用熔絲保護這3種方法，并對防爆LED燈具的光輻射設計要點進行了論述?？偨Y了對光輻射試驗結果造成影響的不同LED發光原理、燈具樣品的選擇、測試溫度和測量距離的要求，探討了不同溫度下測試LED發光效率的新要求，闡述了驗證不同LED發光原理的新方式，提出了實現本質安全光輻射設計的新方法，即熔絲保護法。

LED； 防爆； 燈具； 光輻射； 光功率； 輻照度； 固有安全； op is； 熔絲保護法； 本質安全

0 引言

LED照明燈具有很多優點，如發光效率高、省電、免維護、發熱低、價格便宜等，充分占領了目前的防爆照明燈具市場。

但由于LED發光二極管的輻照度大、發光能量比較集中，在一定程度上成為了光能量的點燃源，某些條件下可能引燃周圍的爆炸性氣體環境。隨著國際標準的不斷更新，越來越多的試驗數據可以支撐光輻射的點燃效應，因此在危險場所使用的防爆LED照明燈具，應參照IEC 60079-28:2015標準的要求對其光輻射進行考核。

因此，對于易燃、易爆、可燃性氣體危險場所使用的防爆燈具，除了考慮其本身防爆型式(如“Ex d”隔爆型)的相關要求，還需要同時對其可見光輻射的點燃效應進行評估。

1 IEC 60079-28:2015光輻射標準要求

1.1 引燃機制

IEC 60079-28:2015標準包含對波長為380 nm～10 μm的光輻射要求[1]。

①光輻射被物體表面或顆粒吸收導致溫度升高，在特定條件下引燃周圍的爆炸性氣體環境。

②在少數情況下，高能量激光直射可燃性氣體，導致其分解所產生的等離子體和沖擊波，最終都會成為點燃源。接近分解點的固體材料能夠對這些過程起到加強作用[2]。

③IEC 60079-28:2015標準不包括紫外線輻射和爆炸物混合物本身的光輻射吸收，具有爆炸性的輻照體、自身含有氧化劑和催化劑的輻照體也不在本標準的范圍之內。

紅外線及可見光的潛在點燃危險主要取決于以下要素:光波長(吸收特性)、脈沖寬度及重復率、輻照體材料(惰性/活性)、可燃性物質、壓力、輻照度、受輻照面積和受輻照時間等。這些要素的組合影響爆炸性危險環境光輻射點燃的可能性。

綜合來說，光輻射點燃條件可用基本能量參數、面積和時間來判定，點燃判據如表1所示。

表1 光輻射點燃判據

時間趨于無窮大是指連續波輻射。當光束照射輻照體時，輻照體熱表面溫度的升高引起了光輻射點燃。表面積越小，點燃輻照度越高。這意味著越小的表面積越要加熱到較高的溫度才會引起點燃[3]。對所有的氣體/蒸氣混合物(不包括二硫化碳)，光功率低于50 mW時觀察不到點燃現象。這就證實了35 mW的最大允許功率值有安全裕量，安全裕量也必需考慮惰性吸收器的非理想灰體吸收?；钚暂椪阵w(煤、碳黑和增色劑)的試驗表明，即使它們具有較高的吸收能力，作為點燃源也不太有效。當光功率低于200 mW時，n-鏈烷(n-Alkane)不會被點燃(150 mW包括安全裕量)。對于較大的輻照面積，采用允許值5 mW/ mm2，比使用限制功率判據更切合實際。

在小面積、短時間的狀態下，激光脈沖能產生類似于在空氣中擊穿形成電火花的點燃源。能量接近最小電氣點燃能量(minimum ignition energy，MIE)[4-5]的火花，在最佳條件下(μs和ns脈沖)能夠點燃爆炸性混合物。

1.2 保護方式分類

光輻射目前認可的保護方式有以下幾類。

①固有安全型光輻射“op is”，通過限制光源輻射強度來防止點燃。

②保護型光輻射“op pr”，將光輻射限定在光纖或其他傳輸介質內，從而使光輻射無法泄漏到爆炸性危險場所中。

③連鎖裝置型光學系統“op sh”?？紤]到光輻射發生泄漏的可能性，其通過采取特殊的保護措施，使系統切斷光源的時間小于爆炸延遲時間，在爆炸發生之前切斷光源。

保護方式分類及適用范圍如表2所示。

表2 保護方式分類及適用范圍

1.3 光輻射安全限值

表3規定了Ⅰ類和Ⅱ類設備的光功率、輻照度與產品性能等級、溫度組別和受輻射面積之間的關系。只要輻射值小于表中規定的數值，即視為滿足要求。

表3 光輻射與環境等級、溫度組別的關系

作為表3的補充，表4為光功率與受輻射表面積的關系，規定了設備等級為ⅡA、ⅡB、ⅡC，使用在Ⅰ類、Ⅱ類區域T1～T4溫度組別下允許的持續光輻射安全限值。只要光功率和受輻射表面積不超過表中規定的數值，即視為滿足要求。

表4 光功率安全限值與受輻射表面積的關系

需要注意的是，當輻射面積超過130 mm2，最高光功率適用5 mW/mm2的要求。

Ⅲ類設備在不同設備保護級別(equipment protection level,EPL)下，光功率和輻照度的安全限值如表5所示。

表5 Ⅲ類設備光功率和輻照度的安全限值

2 光輻射的評估

本質安全型光輻射系統對光輻射的頻率比較敏感，連續波輻射和脈沖輻射的點燃能力是不一樣的，各自的合格判定標準也有區別。目前評估固有安全型光輻射的方法大致有以下幾種。

2.1 連續波輻射

根據IEC 60079-28：2015標準，與設備類別和溫度組別相對應，如果光輻射的功率值或輻照度值不超過表3中的值，即可判定為本質安全型光輻射；如果受輻照面積大于400 mm2，溫度組別可以通過在受輻照表面測量的最高溫度來建立，同時應該考慮輻射光強的不均勻性。如果受輻照面積小于130 mm2，最高允許的光功率值參見表4。粉塵環境允許的光輻射限值參見表5。

2.2 脈沖輻射

IEC 60079-28：2015標準針對不同持續時間和頻率的脈沖波輻射，給定了不同設計準則。對于持續時間小于1 ms的光脈沖，脈沖能量不應超過相應爆炸性氣體環境的MIE；對于持續時間在1 ms～1 s之間的光脈沖，脈沖能量不應超過相應爆炸性氣體環境的MIE的10 倍；對于持續時間大于1 s 的光脈沖，可看作連續波輻射，峰值功率不應超過連續波輻射的安全限值。對于脈沖鏈，根據每個子脈沖進行判定：當頻率在100 Hz以上時，平均功率不應超過連續波輻射的安全限值；當頻率低于100 Hz時，最高功率需通過試驗來測試[6]。

2.3 單色光LED與白光LED

單色光LED是指僅發出單種顏色的LED，而白光LED根據發光原理不同有以下幾種：三色光LED、藍光+黃熒光粉LED、藍光+綠、紅熒光粉LED和紫外光+三原色熒光粉LED[7]。

白光LED生產技術主要分為2類：第一類為多芯片型白光LED，經由組合2種(或以上)不同色光的LED組合以形成白光；第二類則為利用熒光粉將藍光LED或紫外UV-LED所產生的藍光或紫外光分別轉換為雙波長或三波長白光，此項技術稱之為熒光粉轉換白光LED。目前市場上白光LED產品以藍光LED芯片搭配黃光熒光粉更為普遍，主要應用于汽車照明與手機面板等領域。

根據白光LED的發光原理不同，測量其光輻射時所使用的方法也存在差異。在IEC 60079-28：2006標準中并未對測量光輻射的設備進行規定，而IEC 60079-28：2015標準明確規定了測量單色光可以采用發光二極管，測量多種顏色的光需要用熱電堆。單色光由1種LED光源發光得到，而多色光如白光是由幾種不同波段的光疊加而成。在計算光功率時往往只能用算式等效，而不能得到精確的數值。這時只能通過熱電堆，用發光的功率來計算。

3 電路設計方法

3.1 IC電路可靠性分析法

對于保護級別為Ga和Gb的防爆LED燈具，需要考慮LED驅動電源在其正常工作以及故障狀態下，LED的光輻射強度均不會超過標準的限值。而LED的光輻射強度與流過LED兩端的電流成正比，只要限制流過LED的電流值，即可限制其光輻射強度。廠家可在LED驅動電路的后端設置過流保護電路，以確保驅動電路在任何狀態下流經LED陣列的電流不會超過限值[8]。過流保護一般應用電流控制環的原理來實現，過流保護電路的可靠性至關重要。

過流保護所采用的器件一般是IC集成電路，因為集成電路的精度高、使用方便，可以很好地實現過流保護的功能；而用電感、電容、電阻等簡單元件搭建的反饋電路很難達到控制精度的要求，同時其生產成本和故障率也較高。但在對IC集成電路進行防爆評估時并不認為其是可靠元件，因此有可能產生故障，從而在使用中可能無法滿足限壓限流保護的要求。需要對驅動電路進行重新優化或針對采用的IC集成電路作可靠性分析，而針對集成電路進行可靠性分析的成本很高[9]。

3.2 應用具有固有安全特性的LED法

對于保護級別為Ga 和Gb 的防爆LED燈具，其光輻射點燃能力的判定需要LED驅動電源在最苛刻故障狀態下，測試LED燈具的最大光功率值或輻照度值并將其作為判定依據?？梢酝ㄟ^優化驅動電源設計，使其在任何狀況下輸出的電流和電壓值可控；還可以采用固有安全特性的LED，限制LED燈具的最大光輻射強度。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超標引發的故障保護功能，防止潛在爆炸性環境中有超強的光輻射強度。其基本原理是流經LED的電流過大會引起LED光通量衰減，導致其光輻射強度下降；同時，由于LED存在的熱效應，LED的發光功率上升至一定程度會導致LED發生故障而自動熄滅。

判定LED光源是否具備固有安全特性的方法是: 通過選取10 只LED光源，施加一定電流使其發光，測量并記錄其光功率或輻照度值，逐漸提高電流值使其光強度升高，直至光功率或輻照度值不再升高并開始下降，記錄最高光功率或輻照度值。對10 只同樣的LED光源重復上述過程，將其中的最大光功率或輻照度值作為這種LED光源的最大光功率或輻照度值，如果LED光源的最大光功率或輻照度值按照表3評定符合要求，則該LED可被視為固有安全光源。固有安全光源可以使用在任意防爆形式的LED燈具中，而無須考慮故障或者外殼保護等因素。

同時，出于亮度考慮，一般將多顆固有安全型LED排布成陣列，形成LED燈具的光源。LED陣列有串聯連接、并聯連接和串并聯組合連接3種方式，3種方式各有優缺點。無論采取何種連接方式，都應采用同一批次的LED作為負載，保證LED特性的一致性，降低由于LED電氣特性差異引發的故障。

3.3 熔絲保護法

前面介紹了多種集中設計方法，每種方法都有不足之處，而熔絲保護的方法較好地解決了光輻射的問題。它在原理上與固有安全型LED相同，都是通過限制流過LED的電流來限制其光輻射的強度。當流過LED的電流超出熔絲設定值，熔絲迅速熔斷，從而保證了輻照度不超過標準規定的限制。同時，采用了熔絲保護的電路，可以適用于多種不同發光原理的LED。

由于行業中多采用控制占空比來調節脈沖輻射，故該保護方式多適用于連續性光輻射。實際使用時，應考慮對熔絲采取本質安全型中可靠元件的保護要求[10]。

4 試驗方法

4.1 單色光

采用光輻射計對在波長范圍內單色光的光輻射進行測量，從得到的數值中找出輻照度最大的點，并滿足光輻照安全限值。

4.2 多色光與白光

采用熱電堆進行測量，對測得的光功率進行比對，滿足IEC 60079-28：2015的要求。

4.3 樣品的選擇

①采用固有安全特性的LED，加大通過LED的電流使其燒毀，在此過程中測得的輻照度符合IEC 60079-28：2015的要求。

②燈具采用反饋回路控制通過LED的驅動電流，對LED通以最大故障電流，測得輻照度能夠滿足IEC 60079-28：2015的要求。

③燈具通過熔絲保護，當電流超過熔絲設定值則自動熔斷，從而限制流過LED的驅動電流；通以一定數值的驅動電流，測得輻照度滿足IEC 60079-28：2015的要求。

④對于有不同供電電源的防爆LED燈具，通過變換不同的電源供電，以測得最大的輻照度。

4.4 不同溫度的測試

LED發光原理是由正向壓降下的電子與空穴復合產生光輻射，而隨著溫度的升高，LED的正向壓降逐漸下降，因此發光效率會受到影響。也就是說，溫度越高，光輻射越低。為了驗證這一情況，需要對不同溫度下的LED的光輻射進行測量。在進行以上試驗時，須用不同的樣品分別在常溫、低溫和高溫狀態下測量相同電流的LED光輻射水平。

通過測試，低溫狀態下的光輻射水平明顯高于常溫狀態，也高于高溫狀態下的光輻射水平。選擇不同輸入電壓、頻率和電流值的樣品進行測量。如果是破壞性試驗，需選用10只樣品；如果是非破壞性試驗，則選用3只樣品即可。

4.5 測量距離的選擇

對于不同防爆型式的LED燈具，有效光源輻射面的計算位置不同。在光功率、結構相同的條件下，有效光源輻射面離LED的距離越近，其輻照度值越大，同時溫升也越高。對于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉塵外殼防護型“tD”的光源腔，其有效的光源輻射面是在LED燈具的透明件表面。對于本質安全型“i”和無火花型“nA”的光源腔，其有效的光源輻射面在LED的表面。而對于將LED澆封的燈具，其有效的光源輻射面在澆封復合物的表面。因此，在光功率、結構設計等要素相同的條件下，光源距輻射面越遠，其光輻射點燃能力越低。

5 結束語

針對新版光輻射標準IEC 60079-28：2015中的光能量引燃情況進行分析，討論了光輻射的引燃機理、保護方式分類、光輻射安全限值以及合格判定等內容，以及電路設計和評估的有關要點，提出了不同設計下的試驗方法，對給光輻射試驗結果造成影響的不同LED發光原理、燈具樣品的選擇、測試溫度和測量距離的要求進行了總結。本文不僅對新標準提出的不同溫度下測試LED發光效率的要求、試驗驗證LED不同發光原理的方式進行了闡述，還提出了實現本質安全光輻射設計的新方法，即熔絲保護法。

[1] 徐建平.我國防爆技術標準化新發展[J].電世界，2013,54(1):1-7.

[2] 辛磊夫.光輻射設備和傳輸系統的防爆安全研究[D].上海:上海交通大學,2011.

[3] 辛磊夫.光纖傳感器在爆炸性危險場所的應用[J].自動化儀表,2011,32(4):83-86.

[4] IEC.Explosive atmospheres - Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical Radiation:IEC 60079-28：2006[S].Geneva: IEC,2006.

[5] IEC.Explosive atmospheres - Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical Radiation:IEC 60079-28：2015[S].Geneva: IEC,2015.

[6] 徐海江,徐建平.基于固有安全的多功能輻射測量儀[J].儀表技術與傳感器,2012(1):16-18.

[7] 劉全恩.LED的原理、術語、性能及應用[J].電視技術,2012,36(24):46-53.

[8] 曾宏曄,張濤.光輻射本安設計在光纖傳感器中的應用[J].自動化儀表，2012,33(10):49-52.

[9] 徐建平.儀表防爆技術基礎[J].自動化儀表,2008,29(5):73-77.

[10]辛磊夫.防爆LED燈具光引燃評價方法[J].自動化儀表,2016,37(7):16-20.

Discussion on the Test Method of Inherent Safety Optical Radiation for Explosion-Proof LED Lamp

SHI Lei

(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

At present,more and more explosion proof LED lampshave been used in explosive dangerous places,while related standard specifications about optical radiation ignition has not been issued in our country. From the perspective of revealing the role of light radiation ignition,the ignition mechanism,the classification of protection methods,the safety limits and the qualified judgment of the optical radiation are expounded.From the perspective of light waves,the different light source evaluation methods for two of the luminous ways of the continuous radiation and pulsed radiation of explosion-proof LED lamps are analyzed.By the superposition of color,the luminous principles and characteristics of optical radiation of various types of LED are analyzed.From meeting the requirement of safety optical radiation,the design of optimized LED driving circuit is investigated,by adopting inherent safety LED and fuse protection,the key points of optical radiation design for explosion-proof LED are described.Finally,the factors that may affect the test results of optical radiation are summarized,including luminous principle,selection of sample lamps, requirement of testing temperature and testing distance,etc.The new testing requirements under different temperature are expounded,the new method for verifying different principle LED is described and the method for implementing intrinsic safety optical radiation design is proposed,i.e.fuse protection method.

LED; Explosion-proof; Lamp; Optical radiation; Optical power; Optical irradiance; Inherent safety; op is; Fuse protection method; Intrinsic safety

石磊(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事防爆電氣設備的檢測、試驗、認證、安裝評估，防爆質量體系審核及防爆安全知識培訓等工作。E-mail:shilei@nepsi.org.cn。

TH-39;TP206

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708020

修改稿收到日期:2017-06-07