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本安知识简介 汇报人 甘梅 时间 2017年10月20日 防爆型式是为防止点燃周围爆炸性混合物而对电气设备结构所采取特定的安全措施 就我国现有制定的强制性国家标准及近几年来的技术状况来说 其防爆型式有 以下就矿用本安型要素进行详细讲解 主要参考标准为 GB3836 1 2010爆炸性环境第1部分 设备通用要求GB3836 4 2010爆炸性环境第4部分 由本质安全型 i 保护的设备 前言 目录 一 概述 二 本安防爆基本原理 三 本质安全型电气设备的防爆结构 四 本安参数确定方法 五 本安电路设计计算基础 一 概述 一 概述 我司本安设备分类 纯本安型设备所有电路都是本安电路组成 由其关联设备提供本安电源供电 可在煤矿井下使用 比如我司几乎所有的I类传感器 隔爆兼本安型设备 可以是关联设备 由非安和本安电路组成 有隔爆外壳 可在煤矿井下使用 比如隔爆兼本安型电源箱 一般兼本安型设备 可以是关联设备 由非安和本安电路组成 外壳不防爆 只能在安全环境使用 仅本安部分电路可延伸至危险环境中 比如数据接口 一 概述 名词解释 1 本质安全型电路在正常工作和规定的故障条件下的任何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路 2 本质安全型电气设备全部电路都是由本质安全型电路组成的设备 如 本安型传感器 3 关联设备含有限能电路和非限能电路 且结构使非限能电路不能对限能电路产生不利影响的电气设备 如 隔爆兼本安型电源箱 一般兼本安型数据接口 一 概述 4 保护等级1 ia等级 施加Um和Ui后 在下列每一种情况下 ia 等级电气设备中的本质安全电路均不能引起点燃 正常工作和施加最不利条件下的非计数故障 正常工作和施加一个计数故障加上最不利条件下的非计数故障 正常工作和施加两个计数故障加上最不利条件下的非计数故障 电路进行火花点燃试验和评定时 对于 和 安全系数取1 5 对于 安全系数取1 0 2 ib等级 施加Um和Ui后 在上述 的每一种情况下 ib 等级电气设备中的本质安全电路均不能引起点燃 3 ic等级 施加Um和Ui后 在正常工作情况下 ic 等级电气设备中的本质安全电路均不能引起点燃 安全系数取1 0 一 概述 5 本安参数Um 施加到关联设备的非限能链接装置上而不会使防爆型式失效的最高电压 Uo 最高输出电压Io 最大输出电流Po 最大输出功率Co 最大外部电容Lo 最大外部电感Ui 最高输入电压Ii 最大输入电流Pi 最大输入功率Ci 最大内部电容Li 最大内部电感 一 概述 6 故障本安电路故障 在能影响本安性能的任何一部件 即元件 连接件 隔离或绝缘 但可靠件 可靠组件除外 上发生的短路或开路故障称之为本安电路的故障1 计数故障 是指符合标准结构要求的电气设备部件上出现的故障 电气设备的部件上出现的故障 如果间距小于GB3836 4 2010中表5规定的值 但大于等于其值的1 3 且对本质安全性能会造成损害 则认为是计数短路故障 注 针对ia ib保护等级 额定值符合2 3原则的元件的故障 注 元器件额定值的选定 2 3原则 电路最大电流 电压 额定功率不超过元器件额定值的2 3 熔断器 变压器 光耦 开关除外 2 非计数故障 是指不符合标准结构要求的电气设备部件上出现的故障 所以施加的非计数故障可以不同 如果间距小于GB3836 4 2010中表5规定的值的1 3 且对本质安全性能会造成损害 则认为是非计数短路故障 注 针对ia ib保护等级 额定值不符合2 3原则的元件的故障 一 概述 7 安全栅 由熔断器 电阻或其组合保护的分流二极管或齐纳二极管构成的组件 作为独立装置或设备 8 本质安全电路中的可靠件 可靠组件 按某种规定和要求而组成的或制造的元件或组件 无论是在工作中或试验中或存放期间 可认为不易发生某些规定的故障状态 这些元件或组件被称为可靠件 例如 符合GB3836 4 2010中8 1条的变压器 光耦 继电器 符合2 3使用原则的电阻 9 本安电路可靠隔离或可靠绝缘 使用 包括试验时 或在存入期间 导电部件之间的隔离或绝缘被认为不会发生短路称之为本安电路的可靠隔离或可靠绝缘 例如 两个导体之间的电气间隙 爬电距离达到并超过规定的电气间隙和爬电距离 那么这二裸导体之间称为可靠的隔离 在符合规定的条件下它们是不会短路的 10 电气间隙 两导电部件在空气中的最短距离 11 爬电距离 两导电部件之间沿绝缘材料与空气接触的表面的最短距离 12 涂层下爬电距离 两导电部件沿覆盖绝缘涂层的绝缘材料表面的最短距离 二 本安防爆基本原理 二 本安防爆基本原理 本质安全型防爆基本原理是将设备电路中可能产生电火花或热效应的能量限制在相应的最小点燃能量以下 因此 本安型电气设备只能用于弱电回路 1 电路放电火花1 本安型防爆保护措施主要是限制电路中的电压 电流和最大功率 还需考虑2 电感电路放电 电路断开时 电感电路既有电源向电极间隙放电 还有电感储能放电 而且加长了放电时间 3 电容电路放电 电路闭合时 电容电路既有电源向电极间隙放电 还有电容储能放电 2 电火花最小点燃能量 二 本安防爆基本原理 3 影响放电火花点燃能力的主要因素1 爆炸性混合物浓度 甲烷混合物在浓度为8 5 最易点燃 2 爆炸介质的温度 湿度和流速 3 电路的电气参数 电压 电流 电容 电感 4 电极材质和形状 电极表面越粗糙越易点燃 4 电火花放电能量概算电容储能公式 W 1 2CU2电容串联 1 Cs 1 C1 1 C2 1 Cn 电容并联 Cp C1 C2 Cn电感储能公式 W 1 2LI2电感串联 Ls L1 L2 Ln 电容并联 1 Lp 1 L1 1 L2 1 Ln 二 本安防爆基本原理 5 关联设备设计框架 一个产品由非安电源供电 要输出1路本安电源 至少要满足如下要求 隔离变压器要求 选用的变压器要求为电源隔离变压器 要求变压器的初级和次级电气绝缘 且满足GB3836 4 2010中8 1条要求 具体如下 变压器结构上 初 次级绕组分开绕制 初 次级绕组之间采用固体绝缘 参考表5 或者接地屏蔽 参考表6 变压器铁芯设置接地导线 变压器用浸渍或浇封方式加强绝缘 变压器应与熔断器一起使用 熔断器选择1 7In Ii In为熔断器额定值 Ii P U P额是变压器额定输入功率 U额是额定输入电压 限能要求 根据输出电源的保护等级不同 要求 ia等级 煤矿管道用产品 限能电路要采用3重限能 且有一重必须使用可靠限能 电路限流 ib等级 煤矿环境用产品 限能电路要采用2重限能 二 本安防爆基本原理 5 关联设备设计框架 一个产品由非安电源供电 要输出2路本安电源 至少要满足如下要求 两路不同本安电源之间如果不隔离 电源1使用不当时可能影响到电源2 将危险传递给电源2 因此 在两路不通本安电源之间必须要有隔离电路 并且通过500V耐压试验 两路本安电源可分别输出ia与ib等级 只要分别满足相应相应要求 ia要3重限能 其中一重为可靠限能 ib要2重限能 即可 二 本安防爆基本原理 5 关联设备设计框架 一个产品由非安电源供电 要输出2路相同保护等级的本安信号 至少要满足如下要求 两路不同本安信号的总能量由限能电路限能 任何一路本安信号发生异常都使得限能电路动作 保证了整体产品的本质安全性能 但前提是必须评估性能上两路本安信号不能相互影响 如果这两路不通本安信号分别为ia和ib保护等级 那么就需要分别用ia电源和ib电源供电了 且ia与ib电源之间必须有隔离电路 如下所示 二 本安防爆基本原理 5 关联设备设计框架 一个产品由非安电源供电 要输出2路相同保护等级的本安信号以及2路本安电源 至少要满足如下要求 三 本质安全型电气设备的防爆结构 三 本质安全型电气设备的防爆结构 1 外壳1 非金属外壳 要求具有阻燃性和防静电性 防静电性应满足 表面绝缘电阻不超过1G 限定非金属部件表面积不超过100cm2 如果无法满足上述要求 可在非金属外壳上施加名牌 或者给便携式产品施加皮套 以防止静电危险 2 轻合金外壳 需满足GB3836 1 2010中8 1条规定 例如 I类 EPLMa级或Mb级的外壳 按质量百分比的总质量不应超过 a 15 的铝 镁 钛和锆 b 7 5 的镁 钛和锆 3 外壳防护等级 一般要求不低于IP54 2017年安全监控系统升级改造后 要求采掘面传感器防护等级应为IP65 三 本质安全型电气设备的防爆结构 2 温度1 最高表面温度 当设备承受最高环境温度和相应的最大额定外部热源时 设备外壳 导线及元件等最高表面温度不应超过150 2 设备内导线 本安型设备内导线一般选用铜导线 选型如下表 3 印制电路导线 最高导线自身发热温度的最大允许电流如下表 三 本质安全型电气设备的防爆结构 3 链接外电路用连接装置本安电路端子和关联设备端子应符合隔离规定 以防止电路导线混触碰线产生危险 1 端子 本安电路接线端子与非安电路接线端子之间安全距离为50mm 本安电路接线端子的裸露导电部件之间的电气间隙应符合GB3836 4 2010中表5规定 非安电路接线端子的裸露导电部件之间的电气间隙应符合GB3836 3 2010中表1的规定 连接外部导体的裸露导电部件之间的电气间隙不小于6mm 裸露导电部件与接地金属件或其他导体部件之间的电气间隙应不小于3mm 三 本质安全型电气设备的防爆结构 3 连接外电路用连接装置2 插头和插座用于连接外部本安电路与非本安电路的插头和插座应分开布置 且不能互换 或有能鉴别互换的措施 3 间距通过浇封化合物的间距 通过固体绝缘的间距 涂层下的爬电距离 绝缘材料相对漏痕指数 CTI 都应符合GB3836 4 2010中表5规定 4 防止极性接反保护设备电源或电池组的极性接反可能是本安防爆失效 应在本安设备被装有二极管保护措施 以防极性接反 5 接地导体 连接和端子要求接地导体和端子应具有适当横截面积 以能承受故障状态下流过的最大允许电流 6 用于隔离爆炸性环境的浇封浇封可将元件与爆炸性气体隔离 作为被浇封元件的防爆措施 技术要求参考GB3836 9 2014 三 本质安全型电气设备的防爆结构 4 给本安型电路供电的变压器1 保护措施给本安电路供电的可靠变压器的输入电路 应该用符合规定的通断器或适当额定值的断路器保护 要求变压器能够承受相应温度试验 1 7In电流供电6h 变压器温升不得超过90K 2 变压器结构向本安电路供电的绕组与其他绕组之间应按照GB3836 4 2010中第8 1条进行隔离 3 变压器例行试验变压器例行试验应按照GB3836 4 2010中11 2条进行 耐压试验 变压器型式试验应按照GB3836 4 2010中10 10条进行 耐压和温升试验 三 本质安全型电气设备的防爆结构 5 保护性元件和组件当本安设备或关联设备中某些元件 组件或连接发生故障后 将使本安电路失爆 所以在设计和制造时采取一些保护措施以保证某些元件 组件在使用过程中不会出现故障 而这类元件 组件即被认为是保护性元件和组件 1 限流电阻 限流电阻可采用金属膜电阻 绕线电阻和厚模电阻 不宜采用碳膜电阻 限流电阻在正常工作和规定故障条件下 应不超过其额定功率值的2 3 当采用金属膜电阻 精度应不低于 5 元器件应经过筛选 2 隔离电容阻隔直流的电容须两只串联方可作为可靠组件 且应选择高度可靠固体介质类型电容 例如陶瓷型或云母型 不宜采用电解电容和钽电容 三 本质安全型电气设备的防爆结构 5 保护性元件和组件3 分流安全组件安全分流组件应采用双重 ib 或三重 ia 设计 方可作为可靠组件 例如使用二极管作为分流安全组件 应设计如下 三 本质安全型电气设备的防爆结构 5 保护性元件和组件4 限压安全组件安全分流组件应采用双重 ib 或三重 ia 设计 方可作为可靠组件 例如下图 有U1和两级可控硅电路 可作为ia等级的限压电路 去掉一级可控硅保护则降为ib等级 四 本安参数确定方法 四 本安参数确定方法 1 隔爆兼本安型或一般兼本安型设备 本安参数确定方法 Um 根据额定供电电压计算 比如额定输入最大电压为660V 电源波动为75 110 那么最大的输入电压值就是660V 110 726V Uo 用万用表测试输出端的最高输出电压 这个值即为Uo Uo一旦确定 后续生产的设备输出的最高电压则不得大于Uo Io 在输出端串接滑动变阻器 滑动变阻器设置在最大电阻位置 和电流表 慢慢减小电阻值 则电流值会慢慢增大 记录电源保护的瞬间的电流值 即为Io 以后生产的设备 其输出最大电流则不得超过Io Co 在输出端并联电容箱和火花实验装置两电极 将电容箱的电容值调至Co 预先确定 进行I类等级火花试验不点爆即可 Lo 在电源箱输出端串联电感箱和火花实验装置两电极 将电感箱的电感值调至Lo 预先确定 进行I类等级火花试验不点爆即可 四 本安参数确定方法 2 纯本安型设备 本安参数确定方法 Ui Ii Pi 纯本安型电气设备Ui和Ii的确定需要考虑电路中元器件主要参数是否满足2 3原则 还需考虑其供电的关联设备的Uo和Io 两者中取较大值 当电路中元器件满足2 3要求时 如果可由多个不同本安参数的关联设备供电 则分别取其最大Ui和Ii 并写明最大功率Pi 比如一个传感器可由电源箱1 Uo 25VIo 500mA 供电 也可由电源箱2 Uo 18 5VIo 390mA 供电 那么此传感器的本安参数有 Ui 25VIi 500mA案例请见 KXB18原理图 Ci Li 据电路图计算得出 在电路最不利的故障条件计算最大输入电容和电感 案例请见 a 0 F电源模块案例 KGT30原理图b 可控硅电路案例 ZWT5 18Z原理图 四 本安参数确定方法 3 纯本安设备与关联设备的参数匹配一个纯本安产品 UiIiCiLi 由其关联设备 隔爆兼本安型电源箱 UoIoCoLo 供电 对其本安参数有如下要求 Uo Ui Io Ii Co Ci Lo Li原因 1 纯本安产品能承受的最大输入电压和电流分别是Ui和Ii 如果其供电设备提供的Uo和Io值超过纯本安产品的承受能力 可能造成失爆 所以要求 Uo Ui Io Ii2 纯本安产品等效的最大输入电容和电感分别为Ci和Li 如果超过了其关联设备最大负载能力Co和Lo 可能造成失爆 所以要求 Co Ci Lo Li 五 本安电路设计计算基础 五 本安电路设计计算基础 本安电路评定方法 1 基本