如何结合防爆标准来设计矿用本安型仪表

【摘要】结合GB3836.4-2010标准，文章从防爆审查和检验的角度出发，分析和阐述了矿用本安型设备设计时应注意的事项，可实现如何根据本安参数匹配的要求，有针对性的来规范本安型设备设计。

【关键词】本质安全;本安参数;参数认证

引言

众所周知，由于本安型设备结构简单，体积小，重量轻，制造、维修方便，造价低，安全性能可靠等优点，现阶段煤矿用所有防爆型式电气产品中本安型设备应用最为广泛。而据了解，对于如何结合防爆标准来设计本安型设备（特指外供电设备）是很多生产企业科研人员十分感兴趣的话题。因此作者决定从防爆审查和检验的角度出发，从以下几个方面进行分析和阐述，希望能给大家带来帮助。

1.本安型防爆原理概述

本质安全型电路定义：在标准规定的条件（包括正常工作状态和规定的故障条件）下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。

电火花是指电路中触点操作火花按钮、开关、接触器、继电器接点、电刷、各种控制接点等产生的火花，电路短路、断路及接地瞬间火花，也包括静电火花。热效应是指电气元件、导线的过热造成的表面温度以及电热体的表面温度。

根据本质安全型电路的定义可以看出，电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源，本安就是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现的。试验表明，对于各种爆炸性危险气体都有其最小点燃能量（例如，氢气19μJ、乙烯60μJ、甲烷280μJ），在正常工作和故障状态下，当仪表可能产生的电火花或热效应的能量小于这个能量时，仪表将不可能点燃相应的爆炸性危险气体而产生爆炸。因此，本安型防爆仪表的设计，必须从限制能量入手，可靠得将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏的故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起周围可能存在危险气体爆炸。

通常电气火花是随着电路的接通和断开而产生的，是电源能量和电路中储能元件储存的能量，在通断电路点的放电现象。放电时电路的电子流及通断点形成的电极间的气体电离的离子形成的导电带，并夹杂着熔融金属粒子和蒸气，在极高的电流密度作用下，产生高温和高热。

电气火花放电形式依电路性质不同，分为阻性、感性和容性。有接通、断开状态。放电火花亦分为短路火花和闭路火花，具体与电路的形式有关。三种电路的火花放电示意图以及放电能量的概算如下所示：

（1）电阻性电路

图1 电阻性电路

电阻性电路断开时，电极接触面逐渐变小，电流密度急剧增大，电极间电阻增大，随之极间电压加大。在电压和电流的作用下，电极熔化形成液体金属桥，随后产生金属蒸气使熔桥破坏，电极间电压上升，形成放电火花。然而在实际电路中，纯电阻电路基本上是不存在的，在电路中存在着分布电容和电感。因此，该值仅能作设计电路时参考。

（2）电感性电路

图2 感性电路

电感元件是储能元件，当电路工作时，电路中的能量以磁能的方式储存在电感中。当电路状态改变时电路中的电流不能突变，电压突变，在电感两端产生很高的反电势，电源和反电势均向电极放电。断路时，电极迅速分离，电阻突然增大，电流急剧降低，电流变化率很大，在电极间隙间处有很高的反电势，继电弧放电后还产生辉光放电。电源的能量和电感储能，在电极间隙放电，放电强度增加了，放电时间延长了。

（3）电容性电路

图3 容性电路

电容性电路，电容是储能元件，它把电源的能量以电能的形式储存起来。当电路闭合时，既有电源向电极放电，也有电容储能向电极放电。闭合电容电路放电瞬间放电电流极大，而且电容放电极为迅速（放电时间常数很小），能量高度集中，因此电容火花点燃能力更强，危险性更大。因为电容与电源 E 及电阻R 并联，所以在电极间放电火花为两者之和。电源部分放电与前面纯电阻电路放电是相同的。

2.本安型设备的安全参数

作为本安型设备，输入电源肯定为本安电源，按照现在的安标管理及防爆要求，本安电源的本安参数应包括：Uo、Io、Lo、Co;本安型设备的本安参数应包括：Ui、Ii、Li、Ci。

根据本安参数匹配原则即“参量认证”的方式，即对关联设备本安电源与本安型设备分别给出一组安全参数，并可由用户将不同生产厂商的电气设备进行组合，从本安防爆安全性角度出发只须满足如下关系：Ui≥Uo 、Ii≥Io、（Co-Ci）≥Ca 、（Lo-Li）≥La（La：连接电缆的等效电感、Ca：连接电缆的最大电容 ）

具体连接如图4所示。

图4 组成单元示意图

四个等式参照GB3836.4-2010很容易理解，如果等式方向相反，就达不到本安型设备的本质安全的要求。由此可见，本安型设备设计时结合防爆标准要求的核心内容就是本安参数匹配，围绕此中心可展开本安型设备设计时应注意的事项。

3.设计本安型设备的注意事项

3.1 本安型设备的基本设计要求

本安型设备的设计应满足以下三个基本要求：

（1）可靠隔离的要求

必须把本安与非本安电路完全、可靠地隔离。应有可靠隔离器件或是加大电气间隙和爬电距离、加强电气绝缘等方法来实现电路隔离，确保本安电路的防爆性能。

（2）最高表面温度要求（热效应）

本安电路中所有元器件或导线的最高表面温度须不大于所规定的最高温度的要求，以避免热效应点燃爆炸性气体混合物。限制元器件或导线的最高表面温度一般是通过电路中元器件有足够的功率，连接导线应有足够截面来限制热效应的产生。

（3）火花不点燃的要求（最小点火能量）

通过控制电路的电参数，降低电路电压和电流，减少电感和电容的储能元件参数的方法，使电路达到本安防爆要求。

3.2 本安型设备的特殊设计要求

本安型设备的设计根据关联设备本安参数的要求，电路中应重点核查的是大电容、大电感的储能元件，它们是最可能产生点火能量叠加而引起瓦斯爆炸的因素。可从以下三个方面进行分析：

（1）如何结合本安电源（Ui、Ii）

在起初设计矿用本安型设备时，首先要明确设备的额定工作电压范围，才能对应选择合适的关联设备，只要满足上面提到的Ui≥Uo、Ii≥Io即可。从安标认证和防爆检验的角度出发，任何矿用本安型设备必须要明确关联设备作为A类受控件，并且要通过GB3836.4-2010中10.1条规定的火花点燃试验方可连接。因此选择合适的关联设备是矿用本安型设备设计的前提和关键。本人建议，除了自己配套生产关联设备外可选用国内几家知名大公司生产的关联设备，不仅安全性能可靠，而且矿业领域可持续发展能力强。切记避免由于小公司生产的关联设备由于市场不景气或是质量不可靠而导致安标注销，直接会影响到本厂矿用本安型设备的安标暂停。

（2）如何结合最大输入电容（Ci）

在明确关联设备后，根据Co>Ci的等式要求，确保电源输入端的最大等效内电容不能超过关联设备的最大带载电容Co才能满足本质安全性能的要求。而在设计矿用本安型设备时，电路中难免会出现电容器件，根据不同的性能指标的需要可能会出现的电容达到几十微法甚至上百微法，如何结合标准对电容的要求，这就需要从以下两个方面考虑。

a.参考GB3836.4-2010表（如表1所示）

根据标准中电压和设备类别对应的允许电容表，设备开发者应严格按照设计电路中的电压等级来控制电容的规格，并要充分考虑到可能存在故障情况（如稳压芯片管脚短接）下的电压情况。

b.可采取浇封或是串联电阻等措施降低等效电容

如果对于某些设计电路来说，为了确保抗干扰能力或是提高采样性能指标的要求，有些电容不能按照要求降低，那就需要我们通过其他方式处理来达到本质安全性能的要求，如电容旁串联电阻的方式可以降低等效电容的数值，可参考图5串联电阻保护时有效电容允许降低系数;另一种方法可按照图5的方式进行处理，通过局部浇封，可以把非安部分的火花能量浇封在浇封剂内，不与外界可能出现的爆炸性气体环境接触，并且内部电容储存的能量通过反向二极管限制在浇封剂内部释放不出来。并且保证了后续电容可靠工作在电压范围内。

表1 电容取值标准参考表

（3）如何结合最大输入电感（Li）

同样，在明确关联设备后，根据Lo>Li的等式要求，确保电源输入端的最大等效内电感不能超过关联设备的最大带载电感Lo才能满足本质安全性能的要求。而在设计矿用本安型设备时，电路中难免会出现电感器件，如开关芯片的续流电感、电机线圈等。根据GB3836.4-2010中图6所示I类电感电路曲线可以分析出，在不同的电流等级对应有不同的电感允许量，如果不超过标准要求即可;如果实在满足不了标准曲线，亦可通过图6的方式进行处理。把非安的火花能量通过续流二极管自身释放掉，通过局部浇封限制在浇封剂中而传不出来。

图6 大电感浇封处理常见方式

4.结束语

通过对矿用本安型设备如何结合防爆标准进行设计的分析和阐述，作者归纳总结了几个要点，并提出了一系列解决问题的思路和办法。其中本质安全型设备在保证本安电源输入的前提下，如何寻找防爆安全与性能指标的平衡是重中之重，希望能够给企业带来一定的启示和帮助。

参考文献

[1]GB3836.1-2010.爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求.

[2]GB3836.4-2010.爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备.

[3]柳玉磊.矿用产品本安系统联机检验的分析与实践[J].电气防爆，2010（3）.

[4]柳玉磊.浅谈本安参数的确定方法和原则[J].电气开关，2012（2）.

[5]柳玉磊，张震.关于矿用便携式设备电池安全选择的技术探讨[J].煤矿安全，2012（11）.