浪涌保護器的防爆

1、 7 / 7浪涌保護器（SPD）的隔爆論證和本安論證 在有爆炸危險的環(huán)境下，電子系統(tǒng)防雷所采用浪涌保護器，必須進行隔爆論證和本安論證，現(xiàn)簡述其原理和方法。1 概述 物體的燃燒容易與否取決于下述的三個因素：1）燃燒物質(zhì)的物態(tài)。在氣態(tài)爆炸物混合物中，可燃物質(zhì)的分子高度地被分散，只要有較小的能量就可以把部分氣體分子加熱活化到引起激烈氧化反應的程度而引起燃燒。所以可燃氣體（或易燃液體、易燃固體蒸氣）與空氣的混合物，其著火能量相比液態(tài)、固態(tài)都小。粉塵與空氣形成的爆炸性混合物中，雖然粉塵的分子的數(shù)量大大地超過氣態(tài)，但是因為粉塵粒度細，因此使其升溫活化達到燃燒所需的能量大大低于塊狀固體。2）著火能量的大小。

2、一般可燃氣體和易燃液體的著火能量都很小，如汽油僅為0.2毫焦耳（約十萬分之五卡都不到）。3）火源的方式?；鹪匆话阌忻骰?、靜電火化和電火化三種。若以電火花作為火源，則感抗電路中產(chǎn)生的火花最易點燃，容抗電路次之，阻抗電路第三。而爆炸是快速燃燒的結(jié)果。產(chǎn)生氣體爆炸的主要條件是：1） 有足夠濃度的可燃性物質(zhì)的存在；2） 有足夠的空氣（氧氣）的存在，可形成可燃氣體混合物；3） 有足夠能量的火源。以上三個條件必須同時存在才會發(fā)生爆炸事件?？扇夹詺怏w的性質(zhì)不一，使爆炸的感度也不一樣。我們把可燃性氣體的相關性質(zhì)稱之為爆炸參數(shù)，它包括閃點、自燃溫度、最小點燃電流、爆炸上下限值和最大試驗安全間隙等。下簡述之。1）

3、 閃點閃點是指引起閃燃時的溫度。所謂閃燃是指可燃液體（或固體）的表面上，在一定的溫度時產(chǎn)生一定的可燃蒸汽的濃度，當其在空氣中達到一定的可燃性混合物濃度時，遇到火源就可發(fā)生燃燒瞬間火光的現(xiàn)象。所以，易燃液體（或固體）在閃點以上溫度時，遇到明火會隨時發(fā)生點燃的危險。反之，在閃點以下溫度時，可燃蒸汽的壓力低，其與空氣混合生成的混合物還不足以與明火相遇而被點燃的危險。2） 自燃溫度自燃是物質(zhì)因長期的緩慢氧化作用，在無明火或電火化情況下而自發(fā)地發(fā)生燃燒現(xiàn)象。這個現(xiàn)象可能是該易燃物質(zhì)因受外界熱源作用下升溫達到自燃溫度點，或者是由于自身內(nèi)部化學或物理作用或生化過程使熱量積聚，升高溫度而達到自燃溫度點。不論哪

4、種情況，凡是能使可燃物質(zhì)發(fā)生自燃的最低溫度被稱為該物質(zhì)的自燃溫度。3） 最小點燃電流（MIC）24VIRL 圖1 最小點燃電流試驗裝置在圖1規(guī)定的試驗裝置上，用直流24V，95mH的電感電路的火花進行3000次點燃試驗，能夠發(fā)生點燃的最小電流。此電流若降低5%即不能點燃。最小點燃電流比（MICR）是各種可燃氣體或蒸汽與空氣相混合的混合物的最小點燃電流對甲烷/空氣混合物的最小點燃電流之比值。4）爆炸極限值可燃氣體（或蒸汽）與空氣混合形成的可燃氣體濃度低于該可燃氣體的爆炸下限（LEL）或高于其爆炸上限（UEL）都不會發(fā)生爆炸。上限或下限一般被稱為爆炸極限。上限和下限間的可燃氣體濃度稱為爆炸范圍區(qū)，

5、不屬于上限和下限內(nèi)的范圍稱為非爆炸范圍區(qū)。爆炸范圍不是一個固定不變值，它受下列因素的影響：A.溫度升高，爆炸下限范圍下降，上限范圍上升，即范圍變寬，危險增大；B.可燃氣體的分子量愈大，爆炸下限愈低，即危險性愈大；C.壓力降低時（接近0.1MPa）,對可燃氣體爆炸范圍影響很小，當壓力升高時，有一定影響，但隨不同可燃物的種類而異。5）最大試驗安全間隙（MESG）該參數(shù)是在規(guī)定的標準試驗條件下進行的。在一個殼體內(nèi)充有一定濃度的被試驗氣體（或蒸汽）與空氣的混合物，點燃后，通過25mm長的接合面均不能點燃殼外爆炸性氣體混合物，則外殼表面和內(nèi)殼表面之間的最大間隙稱為最大試驗安全間隙。6）爆炸指數(shù)爆炸指數(shù)系

6、表征可燃氣體與空氣混合物發(fā)生爆炸的猛烈程度。通常爆炸指數(shù)是按照ISO 6184/2 可燃氣體/空氣混合物爆炸指數(shù)確定方法所測得的數(shù)據(jù)為準。2 關于爆炸危險場所的劃分爆炸場所按爆炸物的狀態(tài)有氣體爆炸危險場所和粉塵爆炸危險場所兩大類。對危險場所的分類原則是按爆炸物出現(xiàn)的頻度，出現(xiàn)后持續(xù)時間的長短以及其危險程度的不同而進行劃分的。GB 50058規(guī)定，爆炸性氣體危險場所按其危險程度大小，劃分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)三個等級，爆炸性粉塵或纖維的危險場所按其危險程度大小，劃分為10區(qū)和11區(qū)兩個等級。此外，將能引起火災危險的區(qū)域劃分為21區(qū)、22區(qū)和23區(qū)三個等級。在生產(chǎn)現(xiàn)場，哪些地方屬爆炸危險場所，離開多少

7、距離之外屬非爆炸危險場所，這些問題一般由工藝專業(yè)人員根據(jù)有關規(guī)定來確定。在工程設計中遇到較多的情況是為了讓控制室避開爆炸危險場所，常用有門的隔墻來降低危險區(qū)域的等級。與爆炸危險場所相鄰的隔墻應該是堅實牢固的非燃性實體，隔墻上的門應該由堅固的非燃性材料制成，且有密封措施和自動關閉裝置。條件完善的控制室一般可認為系安全場所。3 適用于SPD的防爆機制 安裝在具有爆炸危險的工藝現(xiàn)場的SPD，目前市場上有隔爆型和本質(zhì)安全型（簡稱本安型）兩種。1）隔爆型SPD隔爆型SPD系基于間隙防爆原理。早在十九世紀初，德國科學家貝林（Beyling）在研究火焰穿過金屬間隙時，發(fā)現(xiàn)如下的情況：在圓柱形的法蘭容器內(nèi)引燃

8、事先充有的甲烷與空氣的混合物，當法蘭的間隙高度小到一定程度時，不會引起容器外面的甲烷與空氣混合物爆炸。因為金屬法蘭間隙不但能阻止爆炸火焰的傳播，還能冷卻爆炸產(chǎn)物的溫度，達到熄火、降溫和隔離爆炸產(chǎn)物的效果。隔爆型SPD就是用間隙防爆原理進行設計和制造的。隔爆間隙種類有圓筒結(jié)合面、螺紋結(jié)合面、金屬微孔（粉末冶金）等結(jié)構(gòu)形式。由于隔爆型SPD在開蓋后就失去防爆性能，因此不能在帶電的情況下打開外蓋進行維修。2）本安型SPD本安型SPD系基于減小點燃能量的防爆機理。這最初是英國科學家提出來的，即通過限制電路中的電氣參數(shù)，降低電路的電壓和電流，或采取某些可靠保護電路，阻止強電流和高電壓竄入危險場所，保證爆

9、炸危險場所中的電路產(chǎn)生的開/斷路電火花或熱效應能量小于爆炸性混合物的最小點燃能量，即點燃不起爆炸性混合物。由于本安型SPD結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、制造和維護方便，具有可靠的安全性，能直接應用在最危險的0區(qū)場所，特別是石化企業(yè)。4 不帶SPD的本安型系統(tǒng)的認證本安型防爆儀表（如現(xiàn)場儀表）和其關聯(lián)設備（如安全柵）組成的系統(tǒng)，在規(guī)定的試驗條件下，正常工作或故障狀態(tài)下所產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物的系統(tǒng)稱為具有本安型特性的儀表系統(tǒng)。不帶SPD的本安型系統(tǒng)由本安型設備、關聯(lián)設備及連接電纜（或?qū)Ь€）三者組成（見圖2）。目前，國際上各防爆檢測機構(gòu)對本安型防爆系統(tǒng)的認證方法，有下列兩

10、大類：1）系統(tǒng)認證（System Approvals）；2）參量認證（Parametric Approvals）。 系統(tǒng)認證在國內(nèi)又被稱為“聯(lián)合取證”，它是指把被檢驗的本安設備和被檢驗的關聯(lián)設備所構(gòu)成的系統(tǒng)進行檢驗即可。系統(tǒng)一經(jīng)認證后，系統(tǒng)中任一設備不能用未經(jīng)檢驗機構(gòu)按這種組合方式檢驗認證過的任何其它型號、規(guī)格的本安（儀表）或關聯(lián)設備代用。安全場所控制室儀表（如DCS）關聯(lián)設備（安全柵）現(xiàn)場設備危險場所圖2 本安型系統(tǒng)（不帶SPD）的組成 參量認證系指對單臺設備（本安儀表或關聯(lián)設備）進行檢驗認證，并給出一組相應的安全參數(shù)。通常，采用這種方法認證的本安設備可以與具有相兼容的關聯(lián)設備連接使用。美國

11、FM（工廠聯(lián)研會）把這種認證方法稱為“整體認證”（Entity Approvals）,把相應的安全參數(shù)稱為“整體參數(shù)”（Entity Parameters）。 圖2中的現(xiàn)場設備分為簡單設備和非簡單設備兩類。所謂簡單設備系指不會產(chǎn)生也不會存儲超過1.2V、0.1A、25mW和20µJ的電氣設備，如簡單觸點、熱電偶、熱電阻和電阻性元件等，它們不會產(chǎn)生足以點燃可燃性氣體的能量。如可能產(chǎn)生也會存儲超過上述數(shù)值的電氣設備，則為非簡單設備，如變送器、電磁閥、轉(zhuǎn)換器、接近開關等。通常，國際上認證現(xiàn)場本安設備時給出他們的整體安全參數(shù) 包括(下標為f）：Vfmax在故障條件下，現(xiàn)場本安設備可接受的最大

12、電壓；Ifmax 在故障條件下，現(xiàn)場本安設備可接受的最大電流；Cf 現(xiàn)場本安設備內(nèi)部的等效電容；Lf 現(xiàn)場本安設備內(nèi)部的等效電感。等效電容和等效電感是象征儲能的大小。 圖2中的關聯(lián)設備（如安全柵）是與本安型防爆儀表緊密相關的一種限能設備，其設備本身的電路不一定是本安型的，但是它能影響本安電路中的能量，常被用來保持電路的本安性能。 關聯(lián)設備的整體安全參數(shù)（下標為o）包括：Vo-在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大輸出電壓；Io-在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大輸出電流；Co-關聯(lián)設備允許外接的最大電容（包括連接電纜的分布電容）；Lo-關聯(lián)設備允許外接的最大電感（包括連接電纜的分布電感）。

13、安全柵是本安防爆儀表系統(tǒng)中最常見的關聯(lián)設備，它連接在本安電路和非本安電路之間，在正常工作條件下能使系統(tǒng)完好地工作，而在故障條件下其作用是限制電流和電壓，不使危險能量竄入到本安電路中去，以確保本安電路的安全性能。由于關聯(lián)設備與現(xiàn)場設備間的連接電纜存在分布電容和分布電感，因此其儲能勢必對本安系統(tǒng)的防爆性能造成影響。在實踐過程中通常將電纜按集中參數(shù)處理，其安全參數(shù)(下標為c)主要包括：Cc本安系統(tǒng)允許的連接電纜最大的分布電容；Lc本安系統(tǒng)允許的連接電纜最大的分布電感。連接電纜的分布電容和分布電感一般由電纜制造廠提供數(shù)據(jù)，在制造廠未提供數(shù)據(jù)時，可參照日本電氣學會本質(zhì)安全調(diào)查專門委員會提供的公式進行計算

14、： 式中：S-導線間的中心距，µm； d-導線外徑，mm； -絕緣體介電常數(shù)； D-導體絕緣外徑，mm。一種簡單的方法，可將分布電容和分布電感按L<0.66µH/m,C<197pF/m來進行驗算，如1000米長度的信號線，其總的分布電容和分布電感為 C=197×1000=197000pF=0.197µF L=0.66×1000=660µH=0.66mH若論證時，未知連接電纜的實際長度時，可按500米進行估算。不帶SPD的本安型系統(tǒng)的參量認證，只需比較關聯(lián)設備和本安設備的整體安全參數(shù)。當它們滿足下列關系式時，就不必經(jīng)認證機構(gòu)

15、認證，就可構(gòu)成本安系統(tǒng)： 1）現(xiàn)場本安設備可接受的最大電壓關聯(lián)設備產(chǎn)生的最大電壓，即VfmaxVo； 2）現(xiàn)場本安設備可接受的最大電流關聯(lián)設備可能產(chǎn)生的最大電流，即IfmaxIo； 3）關聯(lián)設備允許外接的最大電容 現(xiàn)場設備與電纜的等效電容之和，即Co Cf+Cc； 4）關聯(lián)設備允許外接的最大電感 現(xiàn)場設備與電纜的等效電感之和，即Lo Lf+Lc。 5帶SPD的本安型系統(tǒng)的認證帶SPD的本安型系統(tǒng)（見圖3）的本安認證的要點是:1）安裝在爆炸危險區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場儀表為本安型，則保護現(xiàn)場儀表的SPD也應為本安型，以保證不應存儲或產(chǎn)生足以點燃可燃性氣體的能量。 （如爆炸危險區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場儀表為隔爆型，則現(xiàn)場儀表的SPD也應為隔爆型）。 2）安裝在安全場所內(nèi)（如控制室內(nèi)）的SPD不屬于本安設備，而是本安電路的關聯(lián)設備。 3）SPD必須安裝在安全柵前。 SPD和安全柵不能相互替代。 4）如果本安電路兩端的SPD不是“簡單設備”，應將兩者的本安參數(shù)進行認證。圖3 帶SPD的本安系統(tǒng)認證本安型SPD的安全參數(shù)（下標為s)包括:1) 等效內(nèi)部電感Ls（一般可以忽略）； 2) 等效內(nèi)部電容Cs （一般可以忽略） ； 3) 不破壞本安、允許的最大輸入電壓Vs(如26.8V)； 4)