防爆设备的设计要点

(中海油天津化工研空设计院有限公司,天津 300131)

1 引言

随着石油和化工行业的不断发展，越来越多的防爆设备走入了我们的视野。防爆设备是应用在爆炸性环境场所中，即正常气压下，标准氧含量为21%，环境温度在-20～+40℃范围内，可燃性气体、蒸气、纤维、粉尘、飞絮等物质与空气混合后，可以被点燃，且能保持燃烧自行扩散的环境。爆炸性环境的危险性在于环境本身比较容易被点燃，产生爆炸危险。顾名思义，防爆技术即是在设备本身做文章，以减弱或消除使用设备产生的点燃源为初衷，将点燃风险降到可以接受的程度，从而实现防爆的目的。

2 点燃源型式

目前，使用在爆炸性环境中的设备包括防爆电气设备和防爆非电气设备。不同设备的点燃源不尽相同，但点燃源的型式主要包括电气放电、静电放电、机械火花、高温表面、辐射源等。防爆的概念涉及甚广，使用在爆炸性环境内的设备，无论是单一的仪表元件、控制器、电机、工业车辆、空调、发电机组、无人机等电气设备，还是防爆扳手、手动搬运车、防爆潜油泵等防爆非电气设备，甚至是成百上千套上述总成的整体系统，都应进行防爆设计。下面将通过分析如何避免或消除点燃源的潜在危险，来介绍防爆设备的设计思路。

3 设计要点

3.1 限制电气放电影响

在控制电路中，我们经常可以见到开关、断路器、接触器、继电器等控制器件，这些器件本身都含有开关元件，开关在接通和断开时会产生电弧和火花形式的电气放电，这种放电通常具有很大的能量，激发和电离爆炸性环境内的介质分子，可迅速引起局部高温，产生强烈的反应。此外，插座和插头在带电插拔的瞬间，会产生电弧放电；直流电机工作时，换向器和碳刷之间的摩擦可导致电气放电火花；连接导线的绝缘等级不达标，引起短路或漏电也可导致电气放电的发生。这些放电现象对于使用在石化行业危险环境的电气设备而言，是非常危险的，也是无法避免和消除的。既然无法消除，我们可以想办法降低其对外界环境的破坏。

针对这个问题，我们首先可考虑对此类器件或设备进行隔爆型式的保护，限制电气放电后的影响。隔爆型保护，是设计一个具有一定强度的隔爆外壳，将这些火花元件、设备置于外壳内部。设备运行时，如果发生电气放电，点燃外壳内部可燃性环境，形成一定的爆炸压力。此时，这个隔爆外壳可足以承受内部压力，不被损坏，也不会将内部火焰传播至外壳外，造成更大的破坏。隔爆型保护是对火花元件、电机和其他电气控制总成的最简单、最直接、也最易实现的保护方式，但由于需要增加大于设备本身体积的外壳，所以隔爆型存在设备整体体积变大，占空间的弊端，以至于有些特定场合无法实现。

正压型的保护型式，也可对火花类器件或设备进行保护，即将上述电气设备置于正压外壳内部，向外壳内通入非可燃保护气，保持外壳内部气体的压力高于外部环境的压力，且能阻止外部危险环境介质的进入。正压型是一种相对较复杂的防爆技术，主旨思路是将正压外壳内部保持为安全区域的状态，所以外壳内可不受制约的安装电气设备，即便外壳内发生电气放电，也不会引燃外壳内的保护气。正压型式除了要设计正压外壳，主要的难点是保护气源的控制，同时需要增加过压和失压的保护。正压型对于气路和气压的控制和电气保护的设计与隔爆型外壳对于结构和强度上的设计要复杂的多。正压型多适用于大型的电动机、电气控制柜的防爆设计，通常体积较大。

以上为大功率火花元件设备采用的保护方式，当电气设备为小功率设备或印制电路板，则可以采用其他几种保护型式保护。本质安全型就是针对电路系统而言的，是利用限制电路能量的方式来实现保护功能的。即使电路发生短路、断路、击穿故障，引起放电都不会引燃爆炸性环境。本质安全型电气设备包括本安设备和关联设备，关联设备是我们常见的齐纳式或隔离式安全栅。基本安全设计措施包括：限制电路中的电压和电流，限制电路中的电容和电感等储能元件，关联设备的本安端参数选择与本安设备输入端电气参数应匹配，本安端与非本安端的绝缘耐压也满足标准的要求。

同样的，部分小功率设备、电路板也可以选择浇封型型式保护，用浇封复合物将电气元器件浇封起来，浇封固化后，元器件的带电部分，包括焊接点、芯片管脚等均被隔离在复合物的内部，无裸露带电部件外露在外，起主要隔离保护作用的复合物应具有适当的机械强度、较好的耐热性能和较好的绝缘特性。电气元器件尽量选择可靠元件，即额定运行时元器件的电气参数不超过额定参数的2/3。安装时元器件的机械间距也应满足标准要求。浇封厚度根据设备外壳材质和厚度不同，可按照标准选择，满足最小厚度要求即可。浇封型设备还应保证在正常运行情况，可预见故障情况下，内部电气元件的最高温度不超过浇封复合物的连续运行温度。为了保证复合物的可靠隔离作用，不因为设备故障过热，失去保护功能，通常还须在电路中串接温度保护元件和/或熔断器，以实现超温断电保护。

个别的专用设备还可以设计成增安型、nA型，例如线圈绕组、接线盒、蓄电池，这些设备自身不包含开关、熔断器等火花元件，同时满足不同电位带电导体的电气间隙和爬电距离符合可靠距离，这样可保证不会发生击穿放电现象。增安型设备的保护外壳除了应有适当的机械性能，还应具备一定的防护性能，防止外部水气及其他污染物进入，破坏内部元件的绝缘，导致危险发生。

此外，还有其他的防爆型式，防爆机理与上述的基本接近，这里不做赘述。

3.2 防止静电放电

高阻绝缘体由于摩擦会产生静电电荷，电荷累计起来，可以形成很高的静电电压，在一定条件下，就可以发生静电放电。静电放电能量的大小与静电电荷总量、绝缘体的形状和放电面积大小、静电电压等有关，且主要与绝缘材料上的静电电压有关。相对于电气放电而言，静电放电为无源式放电，放电能量较弱，但仍然可以点燃爆炸性环境。静电放电可分为两种情况：绝缘体上的静电放电现象和被绝缘的导体上的静电放电现象，前者绝缘体上所带静电电荷不能随意移动，只有部分电荷可以释放到地，也叫局部放电，只要绝缘体上有足够的静电电荷，同时具有很高的静电电压，即可构成放电条件；后者情况不同，接触到接地导体时，被绝缘的导体上感应的静电电荷即会全部释放，较低静电电压，也可能释放较多电荷，更容易满足放电条件，因此后者的静电放电更加危险。由静电理论可知，降低静电电荷积累的方法很多，比如增加空气湿度，选择电阻率较低的绝缘材料，工艺上控制，在绝缘材料上喷涂抗静电漆等等，但是，最直接也是最有效的方法是选择电阻率较低的绝缘材料，从而控制静电放电的危险。

3.3 避免机械火花

机械火花，顾名思义，就是固体之间由于机械作用力产生的火花，二者剧烈接触后，动能无法在瞬间得到释放，能量守恒转化为热能，机械碰撞产生的温度瞬间上升很高，个别颗粒高速分离出来，从而形成机械火花。机械火花的能量不容小觑，也足以点燃爆炸环境。机械火花点燃能力主要与下面几个方面相关，一是碰撞体的材料成分和硬度，二是碰撞速度；三是碰撞接触面的形状和接触面积；四是环境的温度和湿度。由于机械火花点燃爆炸性环境的原因是非常复杂的，很难从理论上做具体的论述。通常，我们以往的经验是在可能出现机械碰撞或摩擦的表面采用例如铜和不锈钢等无火花材料，来防止机械火花。隔爆型电机的端盖与轴之间就是采用铜套作为中间过渡件，避免转轴与外壳碰撞形成火花。

3.4 避免高温表面

高温表面可以点燃爆炸性环境中的可燃介质，高温表面也是点燃源其中的一种。爆炸性环境可燃介质的点燃温度是应该避免的危险温度，所以我们应该控制所有设备在正常运行或在可预见的故障状态下，运行的温度均不超过危险温度，或者设置控制装置保护，使设备在未达到危险温度前，将设备断电，阻止温度进一步上升。这里的高温表面，不限制高温源的状态，也就是既包括高温固体表面，也包含高温气体。这里，我们可参考防爆内燃机排气口的温度限制来理解高温表面的形态。

3.5 选择符合条件辐射源

我们知道，辐射源的类型有很多，一些辐射源的辐射能量是具有一定的点燃能力的，比如具备一定条件的射频源、激光辐射和超声波辐射等。辐射源通常含有连续源和脉冲源两种形式。第一，对于射频在一定范围的连续射频源和脉冲时间超过热起燃时间的脉冲辐射源，射频功率应不超过爆炸性环境通用标准的相关要求，对于脉冲时间不超过热起燃时间的脉冲辐射源，其射频能量应结合相关要求，对其设限。其中，热起燃时间，是指由火花沉积的能量积聚在其周围的少量气体中而没有明显的热耗散的时间。第二，连续式激光源，与脉冲式激光源不同，前者由于加热了受照射点部位产生高温可引起点燃，带来潜在危险。这里的高温，既取决于激光的辐射功率，也不能忽视受照射点材料的热传导率和受照射点的面积，辐射功率越大，受照射点材料热传导率越小，面积越小，越容易产生高温，所以连续式激光源应同时限制射频功率和单位面积的射频功率；脉冲式激光源则是由于辐射源可击穿周围环境而引起的点燃，较连续式激光源有较大的时间间隔，故应对单位面积的辐射能量加以限制即可。第三，当超声波辐射源的频率很高并发生振动时，可以使周围环境中分子与之共振，提高振动速度，从而获得很大的能量。对于连续源超声波，波源输出的频率和单位面积功率不应超过标准规定，对于脉冲源超声波，波源输出的单位面积功率和单位面积能量同样应限制在一定的范围内。

4 综述

以上内容不难看出，防爆设备种类繁多，五花八门，但是我们依然可以针对不同类型特征的设备进行一种或者多种方式的保护，隔爆型式的保护多偏重结构上的设计；本安型式的保护多针对电路能量的限制；增安型式的保护为无火花元件的选择，配合良好的连接、绝缘处理和附加的防护措施；正压型式为保护气置换危险气，内部压力高于外部环境压力，以及对于气压的控制；充砂型和浇封型均为填充隔离介质，使电气部分与外界隔离，且同时保证电气的可靠和稳定。不管是何种措施的处理，最终都是为了消除以及避免产生点燃源。