隔爆型电气设备的设计要点

一、概述

随着电子技术的发展，自动化仪表已被广泛应用于石油、化工、煤炭、冶金等具有爆炸危险的产业部门，由于生产规模的不断扩大和自动化程度的不断提高，在生产过程中，生产现场将不可避免地存在爆炸性危险气体。因此，我们必须对那些使用在生产现场和生产车间的大多数电气设备采取一些特定的防爆措施来保证生产现场的安全生产，以避免爆炸性事故的发生。众所周知，产生爆炸必须具备下列三个条件：

1、 点燃源（电火花、热表面）

2、 爆炸性物质

3、 空气（氧气）

当这三个条件同时存在，而且当爆炸性物质与空气的混合物浓度处于爆炸极限范围内时，将不可避免地产生爆炸。因此，在实践中，为了抑制爆炸，我们总是设法避免上述三个条件同时存在，以达到防爆的目的。

目前为止，就我国而言，接受的各类气体防爆型式如下表1所示：

表1

序号

防爆型式

代号

国家标准

防爆措施

隔爆型

d

GB3836.2

隔离存在的点火源

2

增安型

e

GB3836.3

设法防止产生点火源

3

本质安全型

ia或ib

GB3836.4

限制点火源的能量

4

正压型

p

GB3836.5

把危险物质与点火源隔开

5

充油型

o

GB3836.6

把危险物质与点火源隔开

6

充砂型

q

GB3836.7

把危险物质与点火源隔开

7

无火花型

n

GB3836.8

设法防止产生点火源

8

浇封型

m

GB3836.9

设法防止产生点火源

注1） GB3836 .1规定了各防爆型式的通用要求。

由于隔爆型防爆型式与其他防爆概念相比，不仅具有结构简单，且又易于操作。因此，这种以隔离点火源为防爆手段的防爆技术通常被广大防爆仪表制造厂商及其用户所选用。

隔爆型电气设备的特征是，将正常工作和事故状态下可能产生火花的部分放在一个或分放在几个外壳内。这种外壳除了将其内部的火花、电弧和电气设备使用环境中的爆炸性气体隔开以外，它还具有一定的结构强度，各零部件的联结具有一定的结构尺寸。从环境中进入壳内的爆炸性气体混合物被壳内的火花、电弧引爆时，外壳不致被炸坏和不致使爆炸产物通过联结缝隙引爆环境中的爆炸性气体混合物。

二、防爆电气设备的类别、级别、组别及其防爆标志

防爆电气设备分为两类：

Ⅰ类：煤矿用防爆电气设备；

Ⅱ类：工厂用防爆电气设备。

根据爆炸性气体试验安全间隙和最小点燃电流比将Ⅱ类电气设备分为A、B、C、三级。分级标准如表2

表2

级 别

最大试验安全间隙

δmax，mm

最小点燃电流比

MICR

ⅡA

ⅡB

ⅡC

δmax≥0.9

0.9 &δmax & 0.5

0.5≥δmax

MICR & 0.8

0.8 ≥ MICR ≥ 0.45

0.45 & MICR

各种爆炸性气体或蒸汽与空气的混合物按其自燃温度分为六组：T1、T2…. T6。分组标准如表3。设备允许的表面温度不得高于分组温度下限。

表3

温度组别

自燃温度T，℃

设备允许表面温度，℃

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T ≥ 450

450 & T ≥300

300 & T ≥200

200 & T ≥135

135 & T ≥100

100 & T ≥85

450

300

200

135

100

85

三、隔爆型电气设备的设计要点

1、 外壳材质

所有的隔爆型电气设备的隔爆外壳，其结构强度都应能承受其内部的爆炸压力。从这个目的出发，凡是能承受爆炸压力的外壳，无论它的材质是什么，都应该是允许的。因此，黑色金属中的钢、铸钢、铸铁，有色金属中的铜、铝等轻合金，高分子材料中的热固性塑料和热塑性塑料、无机材料中的玻璃、陶瓷等，都可能成为隔爆外壳的材质。国标GB3836.1-2000对这些可能作为隔爆外壳的材质根据防爆方面要求对这些材质作了规定。

（1）塑料外壳

塑料外壳的应用受一些安全条件的限制。塑料的结构强度，与其成型工艺密切相关。以温度为例，温度过高，造成高分子的断裂；若温度偏低，粘结剂的粘结不好。这两种情况都导致外壳结构强度降低。因此，塑料外壳一般适用于低电压、小容量隔爆外壳。

塑料外壳除了结构强度问题以外，还有一个防静电积聚问题，塑料外壳的表面绝缘电阻值应不大于1×109欧。

塑料外壳不可避免地会接触火花、电弧或爆炸火焰。因此，作为隔爆外壳材质的塑料应是不燃性或难燃性塑料。

（2）轻合金外壳或金属外壳

这里所说的轻合金主要是指铝合金。用它制造防爆电气设备外壳是受限制的。这是因为，铝合金与锈铁摩擦会放出大量的热能。这种能量的释放容易引起爆炸性气体混合物的点燃。针对上述情况，在隔爆外壳的材质中，限制了铝合金的应用和限制了铝合金中镁的含量。制造Ⅰ类电气设备外壳的材料，按质量百分比，铝、钛、镁的总含量不允许大于15%，并且钛和镁总含量不允许大于6%；制造Ⅱ类电气设备外壳的材料，按质量百分比，含镁量不允许大于6%。对此，设计者应予重视。

（3）透明件

隔爆外壳上的透明件是隔爆外壳的一部分。它首先应能承受住外壳内部爆炸压力作用；其次它能承受住使用环境中外界条件的作用：机械的（碰、砸、撞）、化学的、热的作用等。透明件应采用玻璃或其他抗机械、热、化学等作用的材料制。

2、隔爆外壳强度

为了保证隔爆外壳的耐压性能，在正确选材的条件下，设计足够结构强度的外壳。

国内外的试验表明，外壳容积小，散热面积较大，爆炸压力较低；对于大容积外壳，在爆炸过程中，爆炸压力会异常增加，造成较大的压力分布不均匀。尤其是当初始压力大于大气压时，压力的升高会更加明显。因此在设计隔爆电气设备外壳时，应考虑外壳的容积确定外壳的强度。外壳的强度可根据其材质和可能承受的压力通过计算的方法确定。

对小型隔爆外壳强度的设计，则是根据小挠度理论进行。对于大型隔爆外壳强度的设计，若仍根据小挠度理论，那么，设计出的外壳将显得笨重。为此，设计大型隔爆外强度壳应用大挠度理论及加筋的方法。

另外，在隔爆外壳的设计过程中还应考虑外壳内的压力重叠现象。外壳不宜制成以小孔连通的多空腔。壳内电气元件的安装也应避免将整腔分隔成几个小空腔。另外，外壳纵向尺寸和横向尺寸不宜过大，否则就可能造成外壳内的压力重叠现象。存在压力重叠现象的外壳强度只有通过动态压力试验后方能确定。

一般来说，在隔爆型电气设备设计阶段，外壳强度设计应考虑达到：Ⅰ类、ⅡA和ⅡB类电气设备外壳应能承受1.0MPa水压试验，历时12s不损坏；ⅡC类电气设备外壳应能承受1.5MPa水压试验，历时12s不损坏的要求。

3、 隔爆接合面参数

由于加工制造、安装使用、维护等方面的原因，隔爆外壳不可能是“天衣无缝”的一个整体，而是由许多零件组成。零件间的零件缝隙会为壳内的爆炸产物所通过时，这些缝隙即称作“火焰通路。火焰通路都必须有一定的结构尺寸，叫做“隔爆参数”。有的隔爆参数经许多次试验，已经知道了保证安全的参数范围，对此，在防爆国标GB3836.2- 2000中已作出明确规定。否则，则通过防爆试验方可证明其安全性。

隔爆结构参数的规定，则是在最大试验安全间隙的基础上取一定安全系数后确定的。：平面隔爆接合面、止口隔爆接合面、螺纹隔爆接合面、操作杆与孔隔爆接合面、胶粘隔爆接合面、采用衬垫作为隔爆措施的参数、轴承结构结构参数。

平面隔爆接合面、止口隔爆接合面、操作杆与孔隔爆接合面的隔爆参数应符合GB3836.2-2000表1～表4的要求；

螺纹隔爆接合面的隔爆参数应符合GB3836.2-2000表5的要求；

胶粘隔爆接合面的隔爆参数应符合GB3836.2-2000条款5.5.2的要求；

采用衬垫作为隔爆措施,其结构和参数应符合GB3836.2-2000附录D3的要求；

轴承结构参数应符合GB3836.2-2000表1～表4及条款7的要求

国标GB3836.2-2000中没有明确呼吸装置和排水装置的防爆参数，但对这些装置的材质作出了规定。因此，呼吸装置和排水装置的防爆参数须通过防爆试验后方可确认。

4、紧固件

通常，外壳零件加紧固措施后，才构成一个完整的隔爆外壳，起到防爆作用。紧固件是保证防爆电气设备性能的重要零件。国标GB3836.1-2000和GB3836.2-2000对紧固件作出了明确规定：

（1）隔爆型电气设备的紧固件，只允许用工具才能松开或拆除；

（2）含轻金属的外壳用的紧螺钉允许用轻金属或塑料制成，只要紧固件材料适用于外壳材料即可；

（3）当采用可拆卸螺钉或螺栓紧固隔爆外壳的任何部件时，这些螺钉或螺栓孔不应穿透壳壁。孔周围的厚度不小于孔径的三分之一，且至少为3mm；

（4）当螺钉或螺栓没有垫圈而完全拧入孔内时，螺钉或螺栓尾部与螺孔的底部之间应留用螺纹裕量；

（5）若为了制造方便而钻孔穿透完全壁时，该孔应用棍棒接合面符合GB3836.2-2000表5要求的螺塞将其堵住。螺塞应按（6）所述的方法固定；

（6）永久固定在外壳上的螺钉或螺栓应可靠地焊接或铆焊，或是采用某些等效方法固定；

（7）一般情况下，应采取防止紧固件因振动而松脱的措施；

（8）结构上有特殊要求时，须采用殊紧固件。如将螺栓头或螺母放在护圈或沉孔

中。以防无关人员随意打开这些外壳，造成外壳隔爆失效。

5、引入装置

通常，隔爆型电气设备都存在电源引入、负载输出、电信号输入输出等。为此，就必须为输入或输出提供引入装置。国标GB3836.2-2000条款12对电缆和导线的引入及连接作出了明确的规定；GB3836.2-2000也对引入装置的结构作出了规定。

目前，隔爆型电气设备大多采用带橡胶密封圈的引入装置。密封圈是引入装置中实现防爆功能的主要部件。在设计时，密封圈应考虑以下方面：

（1）材料：应是我国广泛应用的橡胶。如所周知，橡胶易老化，从而失去弹性、龟裂。目前，建议用硅橡胶、丁腈橡胶及其他类似耐老化材料；

（2） 硬度：密封圈应采用国际硬度65°~70°的橡胶制成。很多厂家和用户，选用密封圈不检查，有时硬度过高，起不到密封和防松的作用，从而使设备失去防爆性能；

（3） 长度：密封圈压紧密封后，密封的最小轴向尺寸应符合表1～表4中火焰通路的最小长度要求。

6、接地

接地的目的在于防止电气设备外壳带电。当电气设备绝缘破坏时，正常不带电的金属外壳等会带电，它会造成人身触电或对地放电引起爆炸。良好接地，则可使外壳总是处在“地”电位，避免上述灾害。

电气设备的金属外壳应设外接地端子；接线盒内应设内接地端子。接地端子处应标接地符号“〨”。接地零件应做防锈处理或用不锈材料制成。

关于外接地

电气设备的金属外壳和铠装电缆接线盒均应设置辅助的外接地连接件。移动式电气设备可不设外接地连接件，但应使用具有接地芯线或等效接地芯线的电缆。

电气设备外接地连接件应能至少与截面积为4mm2的接地线有效连接。

关于内接地

电气设备应在接线空腔内的电路连接件旁设置接地连接件。

接地连接件应至少保证与一根导线可靠连接，导线截面积应符合GB3836.1-2000表3要求。

7、温度组别

隔爆外壳热表面温度也是一种危险的点燃源，爆炸性危险气体与高于其自燃温度的热表面接触就可能引起爆炸。因此，在设计隔爆型电气设备时应根据要求的温度组别合理设计外壳结构及选择、配置内部元器件，以限制最高表面温度的产生，满足电气设备使用场所可能出现的危险气体的最低引燃温度高于该设备的温度组别对应温度，即T1<450℃；T2<300℃；T3<200℃；T4<135℃；T5<100℃；T6<85℃。

8、标志

隔爆型电气设备应在主体部分的明显部分设置铭牌，并可靠固定。铭牌（含警告牌）必须考虑到可能存在的化学腐蚀下，仍然清晰和耐久。通常，铭牌采用青铜、黄铜或不锈钢制成。

通常情况下，铭牌内容应包括下列内容：

a.制造厂名称或注册商标

b.产品名称及型号

c.防爆标志

d.防爆合格证编号

e.出厂日期或编号

f.检验单位名称或标记

g.产品其他信息（如额定电压、电流等）

警告牌“断电后开盖”或相类似警告语。

四、隔爆电气设备的检验：

隔爆型电气设备须送国家授权的质量监督检验部门按GB3836.1-2000和GB3836.2-2000标准的规定进行检验。

检验工作包括技术文件审查和样机检验两项内容。

1、技术条件审查审查下列资料：

l 产品标准（或技术条件）；

l 与防爆性能有关的产品图样（须签字完整，并装订成册）；

l 产品使用说明书；

l 有关试验报告；

l 有关的工厂产品质量保证文件资料

2、样品检验

委托方应提供符合合格图样的完整样机，其数量应满足试验的需要。隔爆型电气设备样品主要测试项目如下：

（1） 冲击试验

冲击试验是考虑到外壳及其部分零件用脆性材料、轻合金等材料制成时，受外物和其他外力的冲击，易破坏防爆电气设备的防爆性能。为此，要进行冲击试验。对下列防爆电气设备的外壳或外壳零部件，必须进行冲击试验：

a.保护网、保护罩、风扇保护罩、电缆引入装置

b.塑料外壳

c.轻金属合金或铸造金属外壳

d.透明件

e.壁厚不大于下列规定的其他金属材料制成的外壳：

Ⅰ类防爆电气设备：3mm

Ⅱ类防爆电气设备：1mm

（2）外壳耐压试验

外壳耐压试验分为两步：第一步测定参考压力；第二步按1.5倍最大参考压力作过压试验。一个隔爆外壳由几个独立的隔爆空腔组成时，每个空腔都须进行上述步骤的耐压试验。

外壳耐压试验次数及试验气体混合物浓度应符合GB3836.2-2000表6要求。

（3）内部点燃的不传爆试验

内部点燃的不传爆试验在外壳耐压试验合格以后进行。内部点燃的不传爆试验一定是在进行过耐压试验合格的样品上进行。这样做，既是对隔爆外壳进行内部点燃的不传爆试验，又是检查隔爆外壳的耐压试验是否真正合格的方法。

外壳耐压试验次数及试验气体混合物浓度应符合表6要求,试验方法按GB3836.2-2000条款15.2.1进行。

（4）引入装置试验

隔爆电气设备的每一个引入装置和引入装置中各种规定尺寸的密封圈均须进行本试验。试验各作一次。

GB3836.1-2000 附录D对密封圈夹紧的引入装置、填料夹紧引入装置、有夹紧装置的引入装置规定了拉力试验和机械强度试验及其方法。

附录D对带橡胶密封圈的引入装置、用填料密封的电缆引入装置、带螺纹的电缆引入装置的引入装置规定了密封试验和机械强度试验及其方法。

（5）温度试验

A.防爆电气设备表面温度试验

防爆电气设备在正常允许的高电压下使用，但设备的表面温度不高于该设备温度组别的温度规定。试验方法按GB3836.1-2000条款23.4.6.1进行。

B.热剧变试验

灯具的玻璃透明件和电气设备观察窗玻璃应经受热剧变试验。试验方法按GB3836.1-2000条款23.4.6.2进行。

隔爆电气设备除了上述试验以外，还应根据外壳材料及使用条件进行以下试验：

a.跌落实验（不适用于固定安装设备）

b.外壳防护等级实验

c.耐热耐寒实验（适用于非金属材料的外壳）

d.光老化实验（适用于非金属材料的外壳）

e.耐化学试剂实验（适用于非金属外壳的I类设备）

f.表面电阻（适用于非金属外壳，有警告标志可免测）