防爆LED灯具光引燃评价方法

辛磊夫

(上海工业自动化仪表研究院，上海　200233)



防爆LED灯具光引燃评价方法

辛磊夫

(上海工业自动化仪表研究院，上海200233)

摘要：针对防爆LED灯具越来越多地应用于爆炸性危险场所的现状，对比了隔爆型和本质安全型防爆LED灯具在结构设计和光能量限制方面的差异性。从光源驱动器故障分析入手，进行了针对光源的光功率和光辐照度试验，证明了光辐照度测试在防爆LED灯具光引燃评价中比光功率测试更加适用。阐述了防爆LED灯具光引燃危险的评价方法。从标准的角度论证了国产防爆LED灯具取得欧盟ATEX认证的可能和具体实现方法。

关键词：防爆爆炸性危险场所隔爆本质安全故障分析光引燃光辐照度

0引言

凡涉及易燃易爆物质的生产、加工、处理、储存、运输的场所，都可能形成爆炸性危险环境。在石油、化工、煤炭等领域中不可避免地会产生爆炸性物质的泄漏，泄漏物质将与空气混合形成爆炸性危险场所。这些爆炸性危险场所中安装的电气设备、仪表、电机及驱动、照明灯具都必须符合相关防爆标准的要求。

防爆照明灯具由于安装数量多、应用范围广，是爆炸性危险场所中较为常见的一种防爆设备。防爆照明灯具主要采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED等光源[1～6]。LED防爆灯具由于其发光效率高、温度组别低、体积小等优点被越来越多地应用在爆炸性危险场所中，覆盖射灯、泛光灯和视孔灯等固定式照明灯具以及帽灯和手电筒等便携式照明灯具。

试验证明，对于LED灯具，仅仅考核灯具外壳热表面和灯具内部电气火花不足以确保其安全性。LED灯具所发射出的光辐照施加在吸收体上之后，吸收体的温度有所升高，进而将引燃爆炸性危险物质。吸收体的位置既可以位于灯具外壳内部，也可以位于灯具外壳外部。这一特性使得传统的隔爆技术和本安技术对于LED灯具的光引燃保护失效。

本文通过对比IEC60079-28标准中规定的两种试验评价方法，结合LED灯具的发光特性以及当前LED防爆灯具的设计特点，给出了以隔爆技术、本质安全技术和浇封技术为主防爆技术的LED防爆灯具的光引燃评价方法。该评价方法不仅结合了中国国内LED防爆灯具的特点，还考虑了国际标准的符合性，因此在申请IECEx和ATEX国际认证时，本文介绍的方法也被认可。

在实际应用中，LED被广泛用于状态指示。由于此类LED的功耗和发光功率都很低，不足以引燃爆炸性介质，所以此类问题不在本文讨论范畴之内。

1LED防爆灯具主要防爆技术

1.1以隔爆技术为主的LED防爆灯具

隔爆型防爆技术是一种间隙防爆技术，依靠间隙、啮合长度来达到降温/熄火效果。隔爆外壳允许危险气体进入，隔爆外壳内可能产生爆炸，但要求外壳必须具有足够的强度，且隔爆结合面必须具有足够长的啮合长度和足够小的间隙，以确保内部爆炸不会穿过隔爆结合面而导致外部环境爆炸。

以隔爆型为主要防爆技术的LED防爆灯具通常设计有另一个隔爆腔或者增安腔，用于安放LED驱动器和接线端子。这有两个目的：其一是IEC60079系列标准和GB3836系列标准对于单一隔爆腔用于IIC环境时有隔爆腔体2L容积的限制，对产品机械设计提出了更高要求；其二是LED防爆灯具对于LED粒子散热有较高要求，设计隔爆腔+隔爆腔或者隔爆腔+增安腔的结构，便于利用隔爆结构散热。

1.2以本质安全技术为主的LED防爆灯具

本质安全型[7-8]防爆技术是一种以抑制引燃源能量为手段的防爆技术。要求从电路设计入手，确保设备在正常工作和故障状态下可能产生的电火花能量小于爆炸性危险介质的最小引燃能量，且热效应小于爆炸性危险介质的引燃温度。

以本质安全型为主要防爆技术的LED防爆灯具通常是便携式LED防爆灯具，如帽灯或者手电筒。此类便携式LED防爆灯具通常采用电池供电，驱动单颗LED粒子或者多颗LED粒子阵列实现照明。

1.3以浇封技术为主的LED防爆灯具

浇封型防爆技术是一种隔离型防爆技术。这种技术利用浇封剂将引燃源与爆炸性危险介质隔离开，以实现破坏爆炸三角形的目的。基于此原理，浇封剂的耐温、硬度、黏性等理化性能需要被直接或者间接地考核。

以浇封型为主要防爆技术的LED防爆灯具通常使用浇封剂来保护LED粒子及粒子引出线，为了不降低LED的发光效率，通常用来浇封LED粒子的浇封剂都具有非常高的导光率和良好的热传导性能，在将LED粒子与爆炸性危险介质隔离的同时起到LED粒子降温的作用。由于这种浇封剂固化之后通常是柔性的，不具备较强的机械性能，所以通常还需要辅以其他的防爆技术对其进行机械保护，通常采用的辅助防爆技术是增安型防爆技术。

2光引燃机理及光防爆技术

2.1光引燃机理

光辐射设备或者光辐射传输系统可能被安装在爆炸性环境中，光辐射设备和光辐射传输系统也可能本身并不处于爆炸性环境中，其发出的辐射能量可能会通过这些环境，而这些辐射能量也可能会点燃周围的爆炸性介质。因此，光辐射的点燃机理总结如下：

①光辐射被表面或微粒吸收后，使它们的温度升高，在某些条件下，会使它们达到点燃周围爆炸性环境的温度。

②当光波长度与气体的吸收波段匹配时，一定体积的可燃性气体发生热点燃。

③由于紫外波长范围内的辐射使氧分子光解，形成光化学点燃。

④在强光束聚焦处激光直接导致气体分解，产生等离子和冲击波，二者最终成为点燃源。接近分解点的固体材料能够对这些过程起到支持作用。

本文主要讨论的LED防爆灯具的引燃机理属于引燃机理①，从根本上来说也就是热引燃。引燃机理①中的直接引燃源就是吸收了光辐射，并且温度升高了的表面或者微粒。

2.2GB标准和IEC标准在光防爆技术上的差异

目前申请欧盟ATEX认证和IECEx认证，需使用IEC60079-28标准对光辐射设备和传输系统进行光引燃危险性考核。虽然尚无与IEC60079-28标准相对应的中国GB标准，但是在防爆通用标准GB3836.1-2010中的第6.6.2条对激光或其他连续波的光功率或者光辐照度提出了如下要求[9]。

EPLMa或Mb级电气设备的激光或其他连续波源的输出参数不应超过下列值：

①激光或其他连续波源，20mW/mm2或150mW;

②脉冲间隔至少5s的脉冲激光或脉冲光源，0.1mJ/mm2。

EPLDa或Db级电气设备的激光或其他连续波源的输出参数不应超过下列值：

①连续波激光或其他连续波源，5mW/mm2或35mW;

②脉冲间隔至少5s的脉冲激光或脉冲光源，0.1mJ/mm2。

EPLDc级电气设备的激光或其他连续波源的输出参数不应超过下列值：

①连续波激光或其他连续波源，10mW/mm2或35mW;

②脉冲激光或脉冲光源，0.5mJ/mm2。

脉冲间隔小于5s的辐射源被视为连续波源。

可以看到，GB3836.1-2010标准中仅对煤矿使用的设备和爆炸性粉尘场所内所使用的设备提出了光辐照度、光功率和光能量的要求，而对爆炸性气体危险场所内所使用设备的要求，则需要参照IEC60079-28标准。在GB3836.1-2010标准中所引用的IEC60079-28标准实际上是IEC60079-28ed1标准，而在这一版本标准中未对EPL等级为Da、Db和Dc的设备提出要求，故上述要求实际上是GB标准对IEC标准的补充。在IEC60079-28ed2标准中，已经将EPL等级为Da、Db和Dc的设备纳入标准[10]，如表1所示。

表1　III类设备的辐射功率和辐照度的要求Tab.1　Requirements of radiation power andirradiance for class III equipment

可以看到，表1中的值与GB3836.1-2010中第6.6.2条规定值并无差异[9]。

2.3光防爆技术

根据IEC60079-28ed2标准，可用三种防爆型式来防止潜在爆炸性环境中光辐射造成的点燃。这些防爆型式适用于所有光学系统。

这三种防爆型式是：

①固有安全型光辐射，防爆型式符号“opis”。固有安全型光辐射是指，在正常或规定的故障条件下，不会产生足够的能量从而点燃特定爆炸性环境的可见辐射或红外辐射。原理是限制光束强度。

②保护型光辐射，防爆型式符号“oppr”。保护型光辐射要求辐射限定在光纤或其他传输介质内，前提是假定辐射没有从限制范围内溢出，也就是说光辐射并非人为设置的敞开光束，也非由于光纤破损导致的光辐射溢出。

③连锁装置型光学系统，防爆型式符号“opsh”。连锁装置型光学系统采用特定的功能性设置，使光能的切断时间小于爆炸延迟，即在爆炸之前就将光能切断。

3LED防爆灯具光引燃评价实践

3.1光防爆技术的选择

“oppr”保护型光辐射的原理限于对光纤等传输介质的保护，并不适用于LED防爆灯具。本文讨论的LED防爆灯具可以使用固有安全性辐射“opis”或者连锁装置型光学系统“opsh”，其中连锁装置型光学系统在标准中仅规定了应用原理，但是在实际应用中并未看到较多的应用案例，所以本文仅讨论使用“opis”型保护的LED防爆灯具的评价方法。“opis”的具体实现方法是将辐射按照持续时间和频率分成连续型光辐射和脉冲光辐射两类，分别评价光功率、光辐照度或者光能量。由于LED防爆灯具属于连续性光辐射，所以只需要对光功率或者光辐照度之一进行评价。

3.2故障分析

LED防爆灯具的光功率测试和光辐照度测试并非直接在成品灯具上进行测试，正确的测试方法是先进行故障分析，然后对成品灯具施加足够的故障，搭建专门的测试样机。当然，如果想要验证待测灯具的光功率和光辐照度的通过可能性，直接在成品灯具上进行摸底试验也是可行的。如果直接摸底试验不通过，那么施加故障条件后也必定不通过。

故障条件的施加方法有如下两种：

①固有安全发光元件分析法。这种施加故障条件的方法具备相当的严酷性，原理是认定所有的外围保护和外围电路都发生了短路或者断路故障，导致发光元件(LED粒子)达到了理论发光极限。在实际操作中就是通过试验来验证这个发光极限。这种测试需要单独搭建驱动电路，通过调整输入电流的方式描绘LED粒子的光功率/光辐照度曲线，在21～25 ℃的室温下测得发光极限值，即最大光功率/光辐照度值，并以表2为判据进行比对[10]。

表2　 I/II类设备的安全辐射功率和辐照度限值Tab.2　Safety radiation power and irradiance for class I/II

需要说明的是，这种发光元件分析法通常用于评价单颗LED粒子，并给LED粒子颁发固有安全型部件证书。对于仅适用单颗LED粒子的防爆照明灯具，可以直接使用这种固有安全型LED粒子，而无需再测试光功率或者光辐照度。如LED防爆灯具采用多颗这种部件认证的LED粒子，则仍需测试光功率或者光辐照度。

从原理上讲，这种发光元件分析法也可以应用于LED粒子阵列或者LED整灯，不过由于需要使用10只样品，所以样品数量过大，所以实际操作中一般不用于评价LED粒子阵列或者LED整灯。

②驱动故障分析法。这种施加故障条件的方法对于LED防爆灯具来说更为实用，因为经过较多的试验验证，以照明为目的的LED防爆灯具所采用的粒子难以通过固有安全发光元件分析法进行分析评价。这种分析方法的着手点在于驱动电路或者外围电路，认为外围电路上的元件可以发生一定数量的计数故障和非计数故障，这里的计数故障和非计数故障概念源自IEC60079-11本安安全标准，认定方法也可以依据IEC60079-11本安标准。故障施加数量可以参考表3。

表3　计数故障和非计数故障的数量Tab.3　 Number of countable fault and non-countable fault

3.3四种测试方法

在3.2条描述的两种故障条件下，IEC60079-28ed2标准中对于光功率和光辐照度给出了四种可选测试方法：

①将施加了故障的驱动安装到LED防爆灯具中，如果LED粒子的厂家能够提供LED粒子发光能力按照工作温度的调整系数，那么只需要在21～25 ℃的室温下测试整灯光功率或者光辐照度,然后使用温度系数进行计算，得到最大光功率或者光辐照度。如果厂家不能提供此调整系数，那么需要按照表4进行测试，N代表施加的计数故障。需要说明的是，如果施加了故障的驱动输出大于LED发光元器件的额定输入，那么无温度系数情况下的不同测试环境温度中所使用的样品是不同样品。

表4　测试环境温度与样品数量Tab.4　Testing ambient temperature and number of samples

②通过对驱动器施加故障并进行计算得到最大输出参数后，使用独立的电源按照此输出参数对拆除了驱动器的灯具进行供电。如果LED粒子厂家能够提供随工作温度变化的LED粒子发光能力系数，那么只需要在21～25 ℃的室温下测试整灯光功率或者光辐照度，然后使用温度系数进行计算得到最大光功率或者光辐照度。可以参照表4进行试验，对于这种试验方法，取N=1。需要说明的是，如果施加了故障的驱动输出大于LED发光元器件的额定输入，那么无温度系数情况下的不同测试环境温度中所使用的样品则必须是不同样品。

③等同于固有安全发光元件分析法。

④计算对发光元件的最大电气功率输入，作为LED的最大光功率，使用表2进行比对。需要说明的是，以照明为目的的LED防爆灯具的输入功率通常远远高于表2中规定值，所以这种方法针对照明灯具并不适用。

3.4测试位置的选择

针对以隔爆、本安和浇封为主防爆技术的三种灯具的测试位置并不相同，由于3.3中介绍的方法④并非测量光功率和光辐照度，所以我们仅对3.3中介绍的方法①、②、③进行解释，详见表5。

表5　防爆型式与光辐照度测量点位置的关系Tab. 5　Relationship between types of explosion proof andmeasurement point locations of light irradiance

需要说明的是，IEC60079-28中认为产品外壳满足IP6X则代表透明件外表面，即为吸收体可达最近表面。实际上，IP6X仅代表外壳的防护等级，并无法有效阻止外壳内部吸收体的存在，所以这种认定方法实际上存在较大的风险。在实际操作中，各机构对这种认定方法也持相当谨慎的态度。

4防爆标志

对于防爆产品来说，防爆标志是表征其防爆型式和防爆技术的重要依据。防爆LED灯具在通过了光引燃危险评价后，可以给予固有安全型“opis”的防爆标志。与隔爆和本安产品的防爆标志类似，固有安全型的防爆标志也包含“温度组别”。需要说明的是，前文表2中的T1、T2、T3、T4等温度组别与通常所说的温度组别并非为同一个概念，表2中为了明确囊括可以使用的气体种类，借鉴了气体介质按照温度组别的划分方法。所以表2中的T1、T2、T3、T4代表具有T1、T2、T3、T4组别的爆炸性气体。

例如表2中对于光功率≤35mW这种情况，IIC仅仅列出了T1、T2、T3、T4而没有列出T5和T6。这是因为IIC没有T5组别介质，而且T6的CS2在试验中被24mW的光能量引燃了，所以将T5和T6都排除。此处使用TCode并非是从温度角度作了评价，而仅仅是使用TCode作了一个标示，便于区分各种TCode的爆炸性危险气体的最小引燃能量。另需说明的是，IEC60079-28ed2中将CS2划分为T6组别，与GB表中的T5组别划分有区别。

5结束语

综上所述，本文介绍的评价方法和测试方法基本可以覆盖目前市场上的以隔爆技术、本质安全技术和浇封技术为主防爆技术的LED防爆灯具。这些方法作为电气防爆技术的补充，从光引燃角度明确给出了评价参数和试验方法，对于LED防爆灯具在爆炸性危险场所的推广使用起到了安全保障作用。考虑到中国GB标准与IEC标准的内容相关性，这种方法对于中国防爆认证体系、IECEx体系和ATEX体系同样适用。

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中图分类号：TH-3;TP212

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607004

AssessmentMethodofLightIgnitionforExplosion-proofLEDLightingFixture

Abstract：Aiming at the current status that explosion-proof LED lighting fixtures are more and more being used in explosive hazardous areas, the differences of the structural design and optical energy limit between flame proof type and intrinsic safety type explosion-proof LED lighting fixtures are compared. On the basis of fault analysis of light source driver, the optical power tests and optical irradiance tests of light source are conducted, thus, it is verified that in assessment of light ignition for explosion-proof LED lighting fixture, the optical irradiance test is more applicable than the optical power test. The assessment method for the risks of light ignition of explosion-proof LED light fixture is described. The possibility and specific implementing method of gaining European Union ATEX certificate for domestic explosion-proof LED lighting fixtures are demonstrated from the aspect of standard compliance.

Keywords:Explosion-proofExplosive hazardous areaFlameproofIntrinsic safetyFault analysisLight ignitionOptical powerOptical irradiance

修改稿收到日期：2016-05-11。

作者辛磊夫(1983一)，男，2011年毕业于上海交通大学电子与通信工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事防爆技术的研究和防爆产品的认证工作。