可燃制冷劑空調用開關元件點燃危險及防爆試驗分析*

蔣漳河，陳志明

(1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510760； 2.國家防爆設備質量監督檢驗中心(廣東)，廣東 廣州 510760)

0 引言

隨著全球對臭氧消耗和地球溫室效應問題的日益重視，R290、R32等環保型新冷媒因優良的環保性能和節能效果被廣泛應用于空調行業[1-4]。但是，R290主要成分是丙烷、R32主要成分是二氟甲烷，均屬于烷烴類物質，具有易燃易爆危險性，屬于IIA級爆炸性氣體[5-6]，存在火災和爆炸風險。Zhang[2]等分析了R290分體式空調的點燃源和制冷劑泄漏點，并通過試驗證明可燃制冷劑在泄漏過程中被點燃會導致室內機和室外機燃燒。一方面，可燃制冷劑空調可能存在制冷劑發生泄漏而形成爆炸性空間，一般該空間為爆炸性氣體環境2區；另一方面，空調正常工作狀態下的電氣元件可能成為爆炸危險環境的點燃源。空調開關元件在正常工作狀態中會頻繁開關、通斷電路產生電火花或電弧。若可燃制冷劑空調開關元件達不到防爆要求，則在可燃制冷劑泄漏達到爆炸極限的情況下會發生火災、爆炸事故。

國內外關于可燃制冷劑空調使用的安全性和技術研究主要分為可燃制冷劑的泄漏影響安全分析、可燃制冷劑添加阻燃介質和控制有效點燃源3個方面。Tang，Li[7-10]等分析了R290制冷劑的泄漏區域和泄漏的濃度分布規律，研究提出了控制制冷劑的泄漏來降低R290火災、爆炸風險的措施。Jia[11]等分析了R32制冷劑空調的泄漏點位置、泄漏擴散分布和燃燒特性，研究提出采取通風措施能降低R32制冷劑的火災爆炸風險。田貫三等[12]開展了小型可燃制冷劑空調的泄漏及爆炸危害研究，試驗結果表明：充裝量小于600 g的可燃制冷劑泄漏后產生的爆炸危險性較小，但是在使用過程中需采取相應的安全措施。田貫三、高云峰等[13]進一步開展了可燃制冷劑加入阻燃介質的爆炸抑制模擬試驗研究。文獻[14]研究表明，當存在有效點燃源時，可燃制冷劑空調可能會發生火災事故。國際電工委員會最新IEC 60335-2-40:2018標準對可燃制冷劑的泄漏模擬試驗驗證和電氣元件點燃源的防爆控制技術要求納入標準規定。當前，關于可燃制冷劑空調泄漏的火災爆炸安全認證也主要考慮這2個方面。從目前的趨勢看，將可燃制冷劑空調的電氣元件進行防爆處理而不讓其成為有效的點燃源逐漸被空調制造商和檢測認證機構采納。目前，泄漏模擬測試方法還主要應用在小型可燃制冷劑空調，對于大型可燃制冷劑空調使用該方法還需要采取其他安全措施。

綜上，將可燃制冷劑空調電氣元件設計成非點燃元件，能有效提高可燃制冷劑空調的本質安全。可燃制冷劑空調電氣元件的點燃危險主要是其工作狀態或故障條件下產生的電氣火花和表面高溫。IEC 60335-2-40：2018和GB 4706.32-2012規定，可能成為點燃源的可燃制冷劑空調電氣元件應符合IEC 60079-15，GB 3836.8中對IIA類氣體的防爆要求[15-17]。但是，對電氣元件具體符合“n”型防爆中的哪種防爆類型以及如何進行防爆性能測試并未做出詳細的規定。因此，系統性開展可燃制冷劑空調開關元件的點燃危險分析和防爆試驗研究，對消除可燃制冷劑空調的火災爆炸風險非常重要和必要。

1 電氣元件點燃危險及防點燃要求

空調電子元件在使用過程中會產生放電、拉弧和發熱等現象。如果放電、拉弧產生的能量達到可燃制冷劑的最小點燃能量，或者發熱的溫度達到可燃制冷劑的引燃溫度，一旦可燃制冷劑發生泄漏，則電氣元件就可能引燃制冷劑，引發火災爆炸事故[18]。根據文獻[3]和實驗室檢測總結數據，空調常用電氣元件的點燃危險如表1所示。

表1 空調常用電氣元件點燃危險分析Table 1 Analysis on ignition hazard of common electrical elements in air conditioner

根據文獻[3]和文獻[6]的測試數據和實驗室溫升測試數據，空調電氣元件(PTC電加熱器除外)的最高表面溫度為100℃左右，遠小于R32(引燃溫度648 ℃)和R290(引燃溫度470 ℃)的引燃溫度[1,15]。因此，空調電氣元件防止點燃的關鍵點在于防止電氣火花。針對可能成為點燃源的電氣元件，IEC 60335-2-40和GB 4706.32標準要求如下(滿足以下條件之一)[16-18]：

1)潛在點燃源元件符合IEC 60079-15或GB 3836.8的相關防爆要求，并通過防爆測試認證。

2)潛在點燃源元件未安裝在泄漏試驗所驗證的會成為潛在可燃性混合氣體的集聚區域。

3)潛在點燃源元件安裝在殼體內，殼體滿足IEC 60079-15或GB 3836.8的相關防爆要求，并通過防爆測試認證。

2 開關元件的防爆要求及試驗方法

由表1分析可知，繼電器、斷路器、接觸器是空調電氣元件中常用，且開關、通斷最頻繁的電氣元件，也最容易在空調工作過程中產生電火花、電弧。根據GB3836.8-2014標準規定，繼電器、斷路器、接觸器應設計為“n”型防爆部件，且屬于產生電弧、火花或熱表面的“nC”型部件。

2.1 開關元件防爆要求

按照“nC”型部件的保護型式，繼電器、斷路器、接觸器應符合封閉式斷路裝置或非點燃元件防爆保護型式的要求。其防爆設計要求除了滿足GB3836.8-2014的最低防護等級、電氣間隙和爬電距離、電氣強度等通用要求外，還需滿足如表2所示的補充要求[15]。

表2 封閉式斷路裝置和非點燃元件防爆要求Table 2 Explosion-proof requirements of enclosed breaking device and non-incendive element

2.2 開關元件爆炸試驗

按照IEC 60079-15，GB3836.8標準，制定爆炸試驗程序，如圖1所示。因封閉式斷路器和非點燃元件結構尺寸較小，爆炸試驗中如何實現被測元件內部爆炸性混合氣體的多次置換、確保配氣濃度的精度以及被測元件的多次負載通、斷電操作是保證試驗準確性的關鍵和難點。結合實驗室多次試驗總結，提出如圖2所示的爆炸測試方案。因R290，R32等可燃制冷劑屬于IIA級別爆炸性氣體，根據IEC 60079-15，GB3836.8對封閉式斷路器和非點燃元件爆炸試驗的要求，爆炸測試在(6.5±0.5)%乙烯/空氣的爆炸性混合環境中進行。

圖1 封閉式斷路器和非點燃元件爆炸試驗及結果判定程序Fig.1 Explosion test and results determination procedures of enclosed breaking device and non-incendive element

3 試驗案例與分析

3.1 樣品描述與試驗要求

某可燃制冷劑空調防爆開關，功率因素為1、額定電壓為交流250 V、額定電流為8 A，結構尺寸為23 mm×16.8 mm×13.71 mm。根據樣品結構尺寸、電氣參數和結構外觀，可確定其符合“nC”型防爆斷路器的基本要求。因此，該樣品按照圖1中的試驗程序進行封閉式斷路器爆炸測試。將測試樣品與交流250 V的電源、31.25 Ω的電阻負載相連；在(6.5±0.5)%乙烯/空氣的爆炸性混合環境中重復進行10次通、斷電試驗，每次試驗均應采用新鮮的爆炸性混合物，驗證被測樣品是否點燃外部爆炸性環境。

3.2 被測樣品預處理和試驗準備

3.2.1 非金屬部件耐熱試驗

3.2.2 負載及樣品通斷電電路連接

按照圖2試驗方案，電源、電阻負載和電源功率分析儀的電纜通過防爆試驗罐罐壁電纜進出法蘭，與被測樣品相連接。因被測樣品處于防爆試驗罐內，為了實現試驗測試過程10次的負載通、斷電操作，提出采用氣動推桿的方式控制被測樣品的開關動作。制定的氣動推桿通過防爆試驗罐罐壁氣路法蘭螺紋安裝，實現在罐外氣動控制被測樣品的開關動作。

圖2 封閉式斷路裝置和非點燃元件爆炸試驗方案Fig.2 Explosion test scheme of enclosed breaking device and non-incendive element

3.2.3 爆炸性混合氣體配置及連接

(6.5±0.5)%乙烯/空氣爆炸性混合物的配置使用防爆試驗罐及配氣系統，并將被測樣品放置于防爆試驗罐內，用氧濃度傳感器確認配氣濃度的準確性。

為了實現10次通、斷電試驗中新鮮爆炸性混合氣體的置換，提出采用微型抽氣泵的方式實現被測樣品內部與防爆試驗罐內氣體的置換。防爆試驗罐內爆炸性混合氣體配置好后，打開設置在被測樣品兩側氣路的開關；啟動微型抽氣泵，讓爆炸性氣體充分進入樣品內部后關閉兩側開關。這樣被測樣品與罐內的爆炸性混合氣體一致。置換爆炸性混合氣體時，先關閉與防爆試驗罐連通的氣路開關，啟動微型抽氣泵抽出樣品內試驗完的混合氣體；然后打開與防爆試驗罐連通的氣路開關，繼續啟動微型抽氣泵讓隔爆試驗罐內爆炸性氣體充分進入樣品內部后再關閉兩側開關。

此外，為了更準確檢測樣品在通、斷電過程中是否發生爆炸，同時采用爆炸壓力傳感器和熱電偶檢測試驗過程中的爆炸壓力和溫度數據。

3.3 試驗結果與分析

對該型號2個樣品進行爆炸試驗，試驗結果如表3所示。樣品內部爆炸和點爆外部爆炸性混合氣體后檢測到的溫度數據如圖3所示。

表3 樣品爆炸測試結果Table3 Explosion test results of samples

圖3 爆炸試驗溫升測試數據Fig.3 Testing data of temperature rise in explosion tests

由表3和圖3可知：

1)2個被測樣品在額定功率下通斷電產生的火花均能點燃樣品內部的爆炸性混合物。

2)2個被測樣品均在第1次試驗就發生傳爆，即被測樣品內部爆炸性混合氣體被點爆后引起樣品外部爆炸性混合氣體爆炸。

3)被測樣品內部爆炸性混合氣體被點爆后，溫度最高值分別為61 ℃、70 ℃；樣品外部爆炸性混合氣體爆炸后防爆試驗罐內的溫度最高值分別為119 ℃、128 ℃。因防爆試驗罐內爆炸性混合氣體量較多，被測樣品外部的溫度高于樣品內部，且先檢測到樣品內部溫度迅速升高。

綜上，被測樣品的結構設計不能有效阻止產品內部爆炸產生的火焰點燃外部爆炸性氣體混合物，因此，爆炸試驗不合格。但爆炸性試驗結束后，被測樣品在負載狀態下斷開觸頭，未觀察到飛弧。

4 結論

1)R290，R32等可燃制冷劑空調電氣元件的點燃危險主要來自電氣元件工作過程中的電氣火花，電氣元件(PTC電加熱器除外)的最高表面溫度不是有效的點燃源。

2)可燃制冷劑空調開關元件最容易產生電火花、電弧，且通過試驗驗證不符合IIA級“nC”型防爆要求開關元件的火花或電弧能點爆(6.5±0.5)%乙烯/空氣混合物。

3)可燃制冷劑開關元件設計成“nC”型的封閉式斷路器和非點燃元件通過爆炸測試后，可確定為非有效點燃源。“nC”型開關元件內部允許可燃制冷劑泄漏進入，但不能引起外部爆炸性混合環境的爆炸。

4)針對開關元件結構尺寸小，存在爆炸試驗中爆炸性混合氣體多次置換和反復負載通斷電操作的難點問題，提出一套合理可行的爆炸試驗方案，并通過測試應用得到驗證。