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第四节 本质安全型电气设备的防爆 一、本质安全型电气设备的类型 根据使用场所的需要，本质安全型电气设备分为单一式(全本质安全型)和复合式(部分本质安全型)两种型式。复合式又分一般兼本质安全型和隔爆兼本质安全型两种基本型式。 1、单一式 单一式是指从电源到负载全部电路都是本质安全电路的电气设备，其主要特点是体积小、重量轻、携带方便。井下携带式仪表多属单一式本质安全型，如瓦斯检定器、一氧化碳测定器、测尘器等。 2、一般兼本质安全型 如果设备主机置于安全场所(如地面绞车房、调度室等)可设计成一般型，而进入井下的电路部分为本质安全型，这就构成了一般兼本质安全型。例如矿井调度电话系统，调度总机设在地面为一般型，井下各电话分机为本质安全型。 3隔爆兼本质安全型 隔爆兼本质安全型电气设备在煤矿井下应用最为普遍，这种类型的没备把非本质安全的部分放在隔爆外壳内。如瓦斯断电仪、扩音电话、采区电气控制、信号、通讯系统等。 二、本质安全型电气设备的等级 本质安全型电气设备除按使用范围可划分为不同的类别、级别和温度组别之外，根据其安全程度不同又分ia和ib两个等级。 1、ia等级 电路正常工作中及出现一个故障和两个故障时爆炸性气体混合物的电气设备。正常工作时，安全系数为2.0； 一个故障时，安全系数力1.5， 两个故障时，安全系数为1.0。 设备中，正常工作产生火花的触点须加隔爆外壳、气密外壳或加倍提高安全系数。 “气密外壳”是指通过金属与金属、玻璃与金属等材料的熔接，能防止外部的爆炸性气体混合物进入外壳内的完全密封的外壳。 2、ib等级 在正常工作和一个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。 正常工作时，安全系数为2.0； 一个故障时，安全系数为1.5。如设备正常工作时有火花的触点，加隔爆外壳或气密外壳保护，并且有自显示措施，则一个故障时安全系数为1.0。安全系数是电路安全程度的标志，对于电阻电路和电感电路，规定的安全系数K最小点燃电流设计最大允许电流。对电容电路，K最小点燃电压设计最大允许电压。从以上规定可以看出：ia等级的本质安全型电气设备的安全程度高于ib等级。三、本质安全型电气设备的防爆 电流所产生的电火花、电弧和电热是导致爆炸性气体混合物爆炸的主要点火源。本质安全电路的防爆原理是通过限制电路的电气参数或采取保护措施，削弱电流所产生的热效应及火花、电弧的放电能量，使电路系统无论在正常操作或故障状态下，产生的火花和热效应都不能点燃爆炸性气体混合物。 电路本身的电能引爆表现为火花引用或热引爆。热引爆也就是被电流加热的导体的灼热表面所引起的爆炸。与电火花引爆相比，热引爆很少发生。对沼气一空气混合物，热点燃温度至少在600以上，除白炽灯丝和热传感元件外，很少会造成这样的高温，所以我们主要考虑电火花引爆问题。 电路的放电火花，是电气设备在实际运行中由于开关的触点开闭和电路绝缘损坏造成短路而引起的。在研究放电火花的规律性时，由于电路绝缘损坏造成短路而产生的电火花相当于触点闭合而产生的电火花，因此只需研究触点开闭时的放电火花。电路切换时产生的电火花是电流能量和电路中储能元件向通断电极间隙的放电现象释放能量)。电火花实际上是电路的电子流和电极间气体电离的离子流形成的导电带。它夹杂着熔融金凤粒子和蒸气(又称液态金属桥)，在极高的电流密度作用下产生高温。当其能量超过爆炸性混合物的最小点燃能量时就会引起爆炸。 一般认为电路放电有下面三种基本形式： 火花放电一般是低电压大电流放电，如本安电路中的电容放电、化学电源放电等； 弧光放电高压击穿产生的放电，可产生持续电弧，电流密度大，能量集中，有很强的点燃能力。如电感电路一般都能产生弧光放电； 辉光放电发生在高电压、小电流的条件下。一般认为电压在200300V以上才产生辉光放电。辉光放电能量不集中，散失大，不易造成点燃。 电火花的形成过程和特征与电路的性质(电阻性、电感性、电容性)和开关特性(接通、断开)有密切关系。下面分别加以讨论。 1、电阻电路的火花放电(R性电路) 电阻性电路无储能元件，电路通断时，火花的能量仅来于电源，放电过程较为简单。当电路断开时，电极接触面迅速减小，接触部位的电流密度急剧增加，电流密度高达103一104Amm2。在大电流的作用下，电极熔化形成液态金属桥，随后产生金属蒸气使熔桥破坏，电极间的电阻增大，电极间的电压也随着增加，当电压高于起弧电压时就产生电弧放电。只要电阻电路的电感大于0.2uH，就能达到起孤电压。与其它性质的电路相比，电阻性电路的放电火花的能量是较小的。电阻电路闭合时火花放电与断开时火花放电在效果上是完全相同的，不再重复叙述。图41表示电阻电路火花放电电路。 图41 电阻电路火花放电电路2、电感电路的火花放电(L性电路)电感电路实际上是由电感和电阻组成的电路。电感元件是储能元件，它可以把电路的能量以磁能形式储存起来(其储能为1/2LI2)，当电路变化时，可以把储存的能量放出来。因此电感电路的放电过程较为复杂，既有电源向电极间隙放电，又有电感储能放电。电源向电极间隙的放电如前所述。电感储能放电的过程是：当电路断开时，电极迅速离开，电阻突然增大，电流急剧降低，电流的变化率很大，则电极间隙处产生根高的感应电势，把电感的储能释放到放电间隙。加上电源的能量，不仅增加了放电强度，也加长了放电时间，因此电感电路的断路火花有更大的危险性。电感电路闭合时，一般不会产生火花或者只产生很小的火花，这是因为电路闭合瞬间电流强度从零开始上升时，不易产生强烈的放电现象。图42为感性电路的火花放电电路。 图42 感性电路的火花放电 3、电容电路的火花放电(C性电路) 容性电路是由电阻和电容组成的电路。电容电路的火花放电不同于感性电路。感性电路是在触点断开时产生火花放电，而容性电路却是在触点闭合时产生火花放电。电容电路断开瞬间，电极间不存在电位差，对直流电路无切断电流，一股不会产生放电现象。但是，电容也是储能元件，可以把电源的能量以电场能的形 式储存起来(其储能为1/2CU2)。当电路闭合时，既有电源向电极间隙放电，又存在电容储能放电。在闭合电容电路的放电瞬间，放电电流极大，而且电容放电非常迅速(放电时间常数R.C，很小)，能量高度集中，因此电容电路放电火花点燃能力强，危险性很大。同样的放电能量，电容火花比电感火花、电阻火花更危险。为了提高容性电路的本质安全性能，一般在电路中串联一定的电阻。如图43所示，串联电阻r (一般只要串联515电阻)可大大地限制容性电路电容放电的作用。 图43 电容经串联电阻火花放电电路四、影响放电火花点燃能力的因素 影响电路放电火花点燃能力的因素很多，如：爆炸性气体混合物的成分、浓度、温度、湿度、流速，电路的电气参数(电压、电流、电感、电容等)都对电火花点燃放力产生影响。1、爆炸性气体混合物成分和浓度对电火花点燃能力的影响爆炸性气体混合物的成分和浓度对火花点燃能力有十分明显的影响。例如：沼气空气混合物的最小点燃能量与氢气空气混合物相差10倍以上。对同一种爆炸性介质，不同浓度最小点燃能量相差也很大。当浓度超过一定限度，即使能量再大也不发生引爆。各种爆炸性介质都存在一个最易点燃的浓度，例如电火花最易点燃的沼气浓度是85，热表面最易点燃的沼气浓度是7.5 2爆炸性气体混合物的温度、湿度、流速对点燃能量的彩响爆炸性气体混合物的初始温度越高所需点燃能量越小；湿度越大，越不易点燃，流速越高越不易点燃，静止的沼气比流动的沼气更容易点燃。另外，电极触头的材质、形状、分断和闭合的速度等亦对电火花的最小点燃能量有影响。五、本质安全型电路采取的安全措施设计本质安全电路就是要合理选择电路的参数，使电路在正常和故障情况下流过的电流不超过相应条件下的设计最大允许电流。由于设计最大允许电流正比于最小点燃电流，所以电路的电压越高，电感越大，其设计最大允许电流越小。为了提高本质安全电路的工作电流，增加电路工作的可靠性就需要采取措施来降低电路的工作电压和电感。为此，常采取以下措施：(1)在合理选择电气元件的基础上，尽量降低供电电压，并采取措施防止危险电压的出现；(2)增大电路中的电阻或利用导线的电阻来限制电路中的电流；(3)并联电阻或二极管等保护性元件消耗掉断开电路时电感元件所释放的储存能量；(4)对于能影响本质安全电路安全性能的非本质安全电路采取可靠的隔离措施。六、安全栅安全栅又称安全保护器，也是一种保护性组件。它是设置在非本安电路与本安电路之间的限流、限压装置，其作用是防止非本安电路的危险能量窜入本安电路，起保护作用。安全栅在电气系统中是一个特殊组件，能将安全场所中的非本安型电气设备与危险场所小的本安型电气设备连接起来使用。安全栅一般设置在安全场所或隔爆外壳中。安全栅属于关联电气设备，其输出端以下为本安电路。安全栅的种类很多，常用的有两种： (1)稳压管式(齐纳式)安全栅；(2)三极管式安全栅。安全栅有两个作用：(1)不妨碍信号传递，(2)有效地