本质安全电路设计要求

1、本质平安电路设计要求本质平安型：是指电路、系统及设备在正常状态下和规定的故障状态下,产生的任何电火花或任何热效应都不能引起规定的爆炸混合物爆炸的电气设备.这个定义中的正常状态是指电气设备在设计规定条件下的正常工作试验时在试验装置中产生的短路或断路视为正常状态；故障状态是指在试电路,非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况.这种设备的防爆原理,就是设法减小电路火花的能量及元件上的温度其方法就是降低电源电压、减小电路电流,采用适当的电气元件及其参数,使其不能点燃矿井中爆炸混合物,到达防爆的目的.由于这类设备产生的明火花不点燃爆炸性混合物,因此它的优点很多,体积小、重量轻,便于携带,而

2、且平安程度高.要使电路火花不点燃爆炸性混合物,那么这种电路就只能是弱电系统.因此,本质平安型电气系统和设备,主要是用于限制、通讯、信号、测量、和监视方面.一、根本要求本质平安电路应满足以下根本要求：1 1 . .本安电路与非本安电路在同一隔爆外壳内布置时,最根本要求是分开布置.为了保证本安型系统的平安,免受非本安系统的影响,要求分开布置是非常必要的.在产品设计和装配中,必须注意这个问题.然而,由于在隔爆外壳内空问和位置都受到了限制,所以分开布置也只能是相对的,不是绝对的.我们应该在有限的空间内合理布置,力求本安系统与非本安系统分开要符合的要求.为了保证质量,除了外观检查外,还应把本安参数检查耐

3、压试验列入产品出厂试验项目.一般,当本安系统与非本安系统在电路上有连接时,应采取隔离举措,并按标准进行耐压试验.其次,为了易于区分,平安火花电路用的连接导线用蓝色,接线端子应有“i i标志.2 2 .本质平安设备的温度组别应按和中第 5 5 章规定,以预防热外表引起点燃.温度组别不适用于关联设备.3 3 . .电气参数要求,系统或设备必须经过防爆检验单位检查和试验,证实它在正常状态和故障状态下的明火花不会点燃爆炸性混合物.注：1 1、a a可通过适当的爬电距离和电气间隙以及使用符合第 8 8 章可靠元件来满足规定要求,例如,变压器和限流电阻.2 2、b b可通过元件的热特性以及在适当的故障条件

4、下可能承受的最大功率来计算或测定元件的最高外表温度来满足规定要求.3 3、c c可通过评定来满足规定要求.评定时,有关电压、电流和电路参数的数据,例如在点燃边界上的电容和电感等数据,都是必要的.这样就能从火花点燃的观点将电路评定为本质平安的.二、本质平安参数确定1 1 . .电阻电路的临界点燃参数和平安火花参数确定电阻电路的临界点燃参数,是利用火花试验设备进行实际点燃试验做出来的.当然,火花试验设备不同,触点发生的火花也会不同,所以火花试验设备的灵敏度也就不同,那么临界点燃参数也就会有差异.电阻电路的临界点燃参数可用图 A1A1 最小引爆电流与电源电压曲线表示,试验甲烷浓度用最易点燃浓度8.6

5、%8.6%.电阻电路指理想电阻电路,下同的临界点燃参数约为 5050 伏安.电阻电路的平安火花参数,是将电阻电路临界点燃参数除以平安系数而得到的.按规定的平安系数取,即电阻电路故障状态的平安火花系数约为 3333 伏安.由于最小引爆电流与电源电压曲线是用直流电源试验出来的,所以将曲线用于交流电路上就必须按电压峰值和电流峰值考虑.通常电压和电流都以均方根值来说的.所以交流电阻电路平安火花参数约为伏安.2 2 . .感性电路的临界点燃参数和平安火花参数确定感性电路是由电感和电阻组成的电路.它比电阻电路复杂.一是多了电感元件,它在电路断开时会产生感应电势.二是电感又有线性和非线性之分.空心电感是线性

6、电感,它的电感量不随电流而变化,是一个固定不变的数值.铁芯电感就是非线性电感,它的电感量随着电流而变化,不是一个固定不变的数值.感性电路的临界点燃参数是利用空心电感在电压 E=24E=24 伏时做的,如图 A5A5 电感电路最小引爆电流与电感的关系曲线所示,铁芯电感如断电器等可以利用磁场储能等效法进行换算.感性电路的平安火花系数,也是将临界点燃电流除以平安系数而得到的.安全系数取法与电阻电路相同.3 3 . .容性电路的临界点燃参数和平安火花参数确定容性电路是电容和电阻组成的电路,它和感性电路不同,感性电路是在触点断开时发生火花放电,这种断开火花放电就叫作电感火花.容性电路是在触点闭合将电容短

7、路时发生火花放电,这种闭合火花放电就叫作电容火花,容性火花试验电路如图5-15-18 8所示.容性火花试验电路 RCRC 的配合,应该做到：a a、火花试验设备触点断开时,电容 C C应到达完全充电；b b、火花试验设备触点闭合时,电阻 R R 应能限制电源 E E 的电流,尽量使它比拟小,以减小电源短路电流对电容火花放电的作用.这样,电源短路电流的作用就可以略去了,容性电路火花放电临界点燃参数就可以用电压和电容的关系来表示了,如图 A2A2 所示.图5-18容性火花试验电路容性电路的平安火花参数,是将临界点燃电压除以平安系数而得到的.要注意,容性电路必须对电压打平安系数.平安系数取法也与电阻

8、电路相同.很明显,前面的火花是电容直接火花放电引起的,如果电容经串联电阻火花放电,那么火花就可以大大地变小了,因此,电容串联电阻是减小电容火花放电的有效方法.三、本质平安电路的主要元器件要求1 1 . .本质平安电路对电源变压器要求本质平安电路的电源变压器是非常重要的部件,它对电路平安有着很大的影响,因此电源变压器应符合第条的要求除了上面要求之外,设计电源变压器还应考虑漏电感的问题,由于漏电感对于变压器的容量有着很大的影响,应该尽量减小漏电感,以提升变压器的容量,在实际生产中,变压器的容量是固定的,而漏电感是变化的,因此,漏电感的变化范围应该有所规定,并应逐个进行测量.2 2 . .本质平安电

9、路的保护性元件为了使电路到达平安火花要求,在电路中用联电阻元件,或在电感元件上并联面接触型二极管,并联电容器,并联电阻元件,这种串联元件和并联元件,就叫做保护性元件.由于串联和并联的特点,因此相应地分为两类,串联元件叫做限流元件,如限流电阻.并联元件叫做分流元件.元件是单个的,如果起保护性作用的是一个由许多元件组成的电路,那么就叫做保护性组件.3 3 . .本质平安电路限流元件蓄电池和电源变压器由于串联了限流元件,而使短路电流到达了平安火花要求,限流元件短路了,电源短路电流就不是平安火花了,因此,限流元件连接就必须可靠,采取举措预防短路,例如采用胶封法.限流电阻一般采用薄膜型和线饶型.限流电阻

10、的容量,应按外电路的短路电流来选取,如果限流电阻容量过大,不易装配,那么经与检验单位商量取得同意,与保险丝配合使用,减小电阻容量,也是可以的.4 4 . .本质平安电路分流元件分流元件有二极管、稳压管齐纳二极管、电容器、压敏电阻、短路环、阻尼绕组等.分流元件主要用于电感电路,并接在电感元件上,可以大大地减小电路中的电感火花,而使电路到达本质平安要求.分流元件断开了,电路就达不到本质平安要求了,而电路却还是在工作,这是一种危险状态,因此,分流元件总是要采用两个,断开了一个,还有一个并联着,以保证电路的平安火花性能,这就是所谓双重化举措.元件参数的选择应符合要求.对于直流电感电路,常用二极管做保护

11、元件,根本上不影响原电路的工作,实验证实并接二极管后的电感元件的等效电感,可减小到原电感值的十分之一到百分之一.对于交流电感电路,常用双向稳压管或压敏电阻做保护元件分流元件的连接方法也需要注意,如以下列图所示,a a 和 b b 是正确的,c c 是错误的,当图中 A A 点断开就失去二次保护时机,图 5-195-19 中 a a 和 b b 断开一个,还有一个在起作用图 5-195-19四、使用本质平安型电气设备应注意的问题在安装本质平安型电气设备时,应严格按使用说明书要求进行,注意线路布置尽量减小线路的分布电容和电感.本质平安电路与非本质平安电路用的导线要分开布置,电路须采用单独的导线和电

12、缆,采用一根电缆时,电缆芯线之间必须有可靠的接地屏蔽,使用时,经常检查,及时维修,以保证平安火花性能.线路参数、组件、元件,特别是保护性组件、元件,不得随意改变或更换,检修须更换时,必须按原来的规格、型号、图纸及技术条件的要求进行,一定要更换元件、组件和改变参数时,必须将图纸、说明、样品,报送原检验单位检查.五、简单电路设计举例1 1 . .简单电感电路为了更详细说明本程序,假定有一个矿用 I I 类电路,是由一个 20V20V 的电池组电池组内阻忽略,下同与适当安装的可靠元件 100100.限流电阻组成的电源, ,并向一个 200Q200Q、50mH50mH 的电感器馈电,如图 5-205-

13、20 所示.100Q100Q 和 200Q200Q 为最小值,50mH50mH 为最大值.这时,分别进行两个单独评定：第一,保证电源本身是本质平安的,第二,考虑连接负载的影响.(1)(1)电源评定步骤如下：(I)(I)取 100Q100Q 最小电阻作为限流电阻,该值就电阻来说相当于最坏的情况.如果该电阻不符合可靠元件要求见,此时,可假定该电阻是短路的,在这类故障情况下,该电源就认为可能发生直接短路故障,所以不是本质平安的.按,查表5 5得出该电池组电压最高值,这里假定为 22V22V.(II)(II)最大短路电流是 22/100=220mA22/100=220mA.由于电路是电阻性的,取倍平安

14、系数,即在此电路中短路电流增加到 X X220=330mA220=330mAo o(III)(III)由图A A1 1可以查出,对于I I类电阻性电路,在电压2222V V时,其最小点燃电流约为2A,2A,按火花点燃考虑,该电源可评定为本质平安的.(2(2负载的连接评定步骤如下：(I)(I)电池组最高电压假定为 22V22V.由于 100100Q Q 和 200200Q Q 是最小值,那么负载中的最大可能电流是 22/22/100+200100+200.(II)(II)在应用第 5 5 章和要求时,对于平安系数取,那么电路中的电流增加到 X X73.3=110mA73.3=110mAo o(I

15、II)(III)对于 I I 类,由图 A5A5 查出,50mH50mH 电感器在电源电压为 22V22V 时,其最小点燃电流约为 150mA150mA.那么该电路按火花点燃考虑可评定为本质平安的,并且适用于 I I 类电路.注：在上述评定中,电感器是按空心考虑的.如果电感器不是空心的,那么上述评定仅是近似的,这时必须用火花试验装置对电路进行试验,以确定电路是否为本质平安的.2 2 . .简单电容电路现在考虑图 5-215-21 所示电路,该电路预期在 I I 类中应用.该电路,由 30V30V 电池组通过适当安装的可靠 10kQ10kQ 电阻器与 10uF10uF 电容器连接组成.在该例如中

16、,30V30V 和 10uF10uF 值取为最大值,10kQ10kQ 取为最小值.这时,分别进行两个单独的评定:第一,保证电源本身是本质平安的,第二,考虑电容器情况的影响.10K最小30V最10uF最大大(1)(1)电源该程序根本和上一例因021引中硬铀蝌.该电源电路可很容易评定为本质平安的,按火花点燃考虑,具平安系数超过 100100.(2)(2)电容器评定步骤如下：(I)(I)电池组最高电压是 30V30V 并且电容最大值为 10uF10uF.由于是电容电路,考虑将电压取倍平安系数.(II)(II)在应用第 5 5 章和要求时,对于平安系数取,那么电压增加到 X X30=45V30=45V

17、O O(III)(III)对于 I I 类,有图 A2A2 查出,在 45V45V 时,能引起点燃的电容最小值仅为 3uF,3uF,并且在 30V30V 时,仅有 8uF,8uF,因此该电路不能评定为本质平安的.注：1 1 . .为修改电路使其通过本质平安评定,可采用以下几种方案：降低电路电压或电容值,亦可在 10uF10uF 电容器上串联一只可靠电阻.由图 A2A2 查出,对于 10uF10uF 的最低点燃电压是 26V,26V,如果保持 10uF10uF 电容值不变,那么应使电池组电压降低到.另一方法,可将电容值减小到 3uF3uF,或根据.这条曲线得到最低点燃电压是 48V,48V,当参加最小值为 Q Q 的可靠电阻器与电容器串联时,将组成一个新电路,该电路按I I 类火花点燃考虑可评定为本质平安的.2 2. .在上述评定中所考虑的电源本身有较大的平安系数,那么可应用参考曲线.但是,如果电源仅有较小的平安系数,那么,在它与电容器互连时可能产生一种情况,即使通过图 A A2 2 和图 A A3 3 评定它是本质平安的,但电路实际上不是本质安全的.通常,对这种电路不能按上述方法可靠评定,因而,应用火花试验装置进行试验.图A1AA1A6 6提供参考曲线或表A A1 1和表A A2 2只适用于简单电路,在某些情况下应用这些参考曲线来设计实际电路