带微正压的增安柜

姚勇涛

艾默生过程控制有限公司 上海 201206

伴随着生产领域自动化、智能化程度的不断提高，越来越多的电子、智能设备被应用于生产现场。当这些设备出现在各种恶劣环境下，甚至是在有危险爆炸性物质的现场时，如何对相关设备提供必要的保护以及如何防爆就成了必须面对的问题。本文从防爆的相关知识入手，介绍一种可以运用于现场2区爆炸危险环境的带微正压的增安柜，并对其相对于其它现场常用的防爆方式进行比较。

1 防爆相关概述[1][2]

本文所述的产品和问题涉及的防爆为电气防爆类防爆，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058和《爆炸性环境》GB3836中的规定对相关术语和分类定义如下：

(1)爆炸性环境：在大气条件下，气体、蒸汽、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物引燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。(GB50058)

(2)爆炸危险区域：爆炸性混合物出现的或预期可能出现的数量达到足以要求对电器设备的结构、安装和使用采取措施的区域。(GB50058)

(3)爆炸性物质分类：(GB 3836.1)

I类(Group I)-矿井甲烷

II类(Group II)-爆炸性气体混合物(含蒸气、薄雾)

III类(Group III)-爆炸性粉尘和纤维

(4)爆炸性气体混合物分级(GB 3836.12)，见表1。

表1 爆炸性气体混合物分级

(5)爆炸性气体引燃温度分组(GB 3836.1)，见表2。

表2 爆炸性气体引燃温度分组

(6)爆炸性粉尘的分级(GB 3836.1)，见表3。

表3 爆炸性粉尘的分级

(7)爆炸性气体危险区域的划分(GB50058)

爆炸性气体危险场所可划分为3个区域，即0区、1区和2区。它们对应的定义如下：

0区：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地或长时期存在的场所(1000h/y以上)；

1区：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所(10～1000h/y)；

2区：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也只是短时间存在的场所(10h/y以下)；

安全场所：小于1h/y。

(8)主要电气防爆型式及符号(GB 3836.1)

隔爆型-Ex d

本安型-Ex ia, ib, ic

增安型-Ex e

正压型-Ex px, py, pz

油浸型-Ex o

充砂型-Ex q

n型-Ex nA, nC, nR

浇封型-Ex ma, mb, mc

外壳保护型-tD-ta, tb, tc

本质安全型-iD(iaD，ibD)

浇封保护型-mD(maD，mbD)

正压保护型-pD

特殊保护型-s

其它(如矿用帽灯、伴热电缆)

2 增安接线箱的优点以及遇到的问题

2.1 使用情况介绍

在国内现行的防爆型式中，增安接线箱是解决2区接线最经济且最简易的方式，被大量用于石油化工等行业内存在爆炸危险性气体/粉尘2区的接线。本文介绍的某化工园区中各个生产装置区的2区也同样将大量的增安防爆箱用于电缆的连接。

2.2 使用中的问题

该化工园区在大量使用了增安接线箱后的一次大修开箱维护过程中发现，大量现场接线箱存在内部积水、安装设备内部发霉、腐蚀的现象，已经无法达到最初设计的防爆安全要求。相关现场照片见图1～图3。

图1 接线箱顶部滴水

图2 接线箱底部积水

图3 柜内设备发霉、腐蚀

2.3 原因分析

根据防爆要求增安柜柜体至少需要达到IP54的防护等级，并能够通过高低温的老化测试，因此增安柜都有很好的密封性。实际使用中，为了避免由于气温变化造成机柜内外出现较大的压力差，通常会在机柜上安装呼吸阀。由于呼吸阀的存在，在气温由高变低时，机柜外面的空气会通过呼吸阀进入机柜内。另外，如果机柜所在环境很潮湿，或者空气中存在某些气态的化学物质，湿空气或混合气也会通过呼吸阀进入机柜，并在机柜内通过冷凝作用重新液化，造成机柜内出现积水、发霉、腐蚀现象。

3 解决方案

3.1 方案及设想

根据增安柜进水成因，要解决这个问题就要避免在使用过程中机柜外的空气进入机柜内。对于只安装少量端子的小增安柜，采用的方法是去掉呼吸阀，因为机柜较小，温度变化引起的压力也比较小，不会对机柜产生损坏。但是这个方法不能用于大尺寸的增安柜，因为当机柜尺寸变大后，同样的温度变化产生的压力就会大大增加，轻者导致机柜无法打开，重者将导致机柜凹陷或者鼓起，破环机柜的防爆性能。

在寻找大型增安柜进水问题解决方案的过程中，最后采用了正压柜来解决现场机柜的防爆问题。通过将少量的仪表空气(化工园区现场仪表空气露点<-30℃)送入机柜使机柜内的压力比机柜外的压力稍微大一点点，并通过呼吸阀不断往外排气的方式保持机柜内干燥。

3.2 遇到的问题

根据上述大型增安柜的解决方案，在机柜供应商的配合下对机柜做了新的设计，并同供应商一起提交NESPI(国家级仪器仪表防爆安全监督检验站)审核，在审核过程中NESPI提出了进气位置存在如下问题:

(1)如何保证所进的气体在设备故障和出现意外停机的时候不会造成设备进水？

(2)作为一个认证的机柜，要求符合IP54和设备的高低温老化要求。现在有个进气的开孔无法做测试。

(3)设备界面在哪里，如果管道算设备的一部分,必须一起做测试;如果管道不算设备的一部分,如何保证管道损坏后设备不会进水？

3.3 NEPSI提出的问题解决方案

针对NEPSI提出的问题，刚开始的解决方案都是从如何保证设备可靠性，在设备和管道出现问题的时候报警提示的角度出发的，结果发现这些解决方案不但成本很高，而且基本无法实现，特别是那些很细的分支管道出现问题时，几乎很难立刻被发现。结果在很长一段时间内都无法找到一个好的解决方案，后来在一次和客户的交流中，客户介绍了小型增安柜去掉了呼吸阀后的使用情况，再次确认了造成机柜问题的原因是呼吸阀。而之前使用的呼吸阀IP等级是IP65，大大高于机柜的IP等级要求。由此想到是否可以仿效呼吸阀通过致密过滤网实现防水、防尘、通气的原理，在机柜进气口上加一个元件，达到空气可以进入机柜且继续保证对水和尘的IP54防护等级。

3.4 元件的设计

有了上述思路以后，便找供应商一起做相关设计和测试。最初的测试材料是呼吸阀中使用的一种类似沙粒压制的过滤材料，但是在设计安装外壳的时候发现，该材料很容易破碎，不易安装，不适合作为管道上的过滤材料。而后经多方寻找，找到了一种致密的多层不锈钢过滤网，并在此基础上设计了一个可以安装在机柜上的元件，既能作为一个进气口，又能在没有管道连接的情况下达到增安柜防护要求。

3.5 元件测试过程中遇到的问题及解决方案

在上述元件设计完成后，联系供应商做了几个样品安装在机柜上进行测试，结果由于刚开始设计时过滤材料过度追求高IP等级，导致透气性很差，需要很高的压力才能勉强使仪表空气进入机柜，不符合现场的使用条件。于是再次联系过滤材料的供应商拿到了多种孔径的过滤材料来进行测试，在IP等级和通气压力上做了平衡，使得整体IP等级维持在原来的IP65。且在现场仪表空气的最小压力条件下，机柜也能实现进气。此外，为了保证机柜进气压力的稳定，还在前面安装了一个过滤减压阀和一个可调节流量的流量计。

3.6 新的问题及解决方案。

在完成了上述测试并将方案提交NEPSI审核后，NESPI再次提出新的问题，即如何确保在前面过滤减压阀失效造成压力突增的情况下，机柜不会损坏而造成机柜防爆能力失效。

上述问题的解决方案很简单，只要像正压柜一样加一个泄压阀就可以了。难点在于该机柜内的压力很小，市面上一般的泄压阀都无法达到所需要的精度，且作为机柜的一部分，泄压阀也需要和机柜一起去做IP等级和高低温老化测试。为此不得不和供应商一起对现有的泄压阀做改进，重新制作符合要求的泄压阀。

在机柜安装了改进的泄压阀后,机柜的整体设计方案得到了NEPSI的认可，而后制作了样柜送去测试并成功通过了测试，拿到了NEPSI颁发的防爆证书。

4 整体小结及机柜介绍

4.1 机柜及说明

完成认证的机柜示意图见图4。

图4 完成认证的机柜示意图

其中机柜、进气口阻火器、呼吸阀和泄压阀作为整体机柜的一部分做了增安柜的相关测试。过滤减压阀和带调节阀的流量计本身不需要做相关测试，但是在认证过程中对过滤减压阀的出口压力、流量计的流量有相关的使用要求。泄压阀作为最后的安全措施，在过滤减压阀流量计失效的情况下起到最后的安全保障作用。

4.2 和其他类型的防爆机柜相比较的优势

4.2.1 与正压柜相比

虽然带上了微正压的增安柜和正压柜一样需要仪表空气，但是由于对仪表空气的要求不同依然存在如下优势：

(1)不依赖于仪表空气。相比较于正压柜在仪表空气出现问题时必须自动断电(0区和1区)或者报警要求尽快恢复仪表空气的供应(2区)，该增安柜可以在失去仪表空气供应的情况下长时间继续工作。

(2)经济性。整套微正压系统成本大概只有现在市面上最便宜的正压系统的1/3。

4.2.2 与隔爆柜相比

和隔爆柜相比较，该机柜有如下优势：

(1)可以制作大体积机柜。由于隔爆柜需要足够的强度来限制内部爆炸能量的外泄，因此受限于现有的材料技术，隔爆柜的体积都比较小，特别是IIC的隔爆柜，普遍很小，内部元器件的数量和体积受到很大限制。

(2)轻便。为了保证轻度，同样大小的隔爆柜重量是增安柜的好几倍，安装和开箱都比较困难。

4.3 和其他类型的防爆机柜相比较的劣势

(1)使用区域限制：相较于正压柜和隔爆柜可以使用在0区和1区，增安柜只能使用在2区。

(2)内部安装元器件限制：相较于正压柜和隔爆柜对内部元器件没有特殊的限制条件，增安柜内部只能安装有2区认证或者通过了相关单位审核测试的元器件。元器件选择面比较窄。

(3)设计认证复杂：相比较正压柜和隔爆柜在安装了相关元件后的成品认证，增安柜需要考虑的情况比较多，涉及面比较广，认证相对比较困难。

由于上面这些原因，增安柜通常都用于在2区能大量使用并批量生产的标准产品上。

5 后续问题及改进

从2019年底开始，以某化工园区乙烯项目为主的化工项目开始大量使用这种带了微正压的增安柜。在这一年多时间的使用过程中发现，这种大型的增安柜在作为现场智能设备安装载体时存在夏天机柜内温度偏高的问题，特别是当机柜受到太阳直射的时候。针对该问题，除了为机柜增加遮阳棚以外，正在开发带涡旋冷却器的增安柜。由于现有的涡旋冷却器不符合增安柜的使用要求，所以需要对机柜和冷却器做改进。

6 结语

综上所述，本文通过增安柜在某化工园2区现场使用中遇到机柜进水导致防爆失效的实例，根据增安的实现条件，提出了微正压的解决方案，并最终证明带微正压增压柜在2区使用具有较大优越性。