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本质安全电路设计要求
发布时间：2009-8-26 16:21:16 阅读：935次
本质安全电路设计要求
本质安全型：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，达到防爆的目的。
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，而且安全程度高。
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，本质安全型电气系统和设备，主要是用于控制、通讯、信号、测量、和监视方面。
一、基本要求
本质安全电路应满足以下基本要求：
1．本安电路与非本安电路在同一隔爆外壳内布置时，最基本要求是分开布置。
为了保证本安型系统的安全，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间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GB3836.4-2000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，应采取隔离措施，并按标准进行耐压试验。其次，为了易于辨别，安全火花电路用的连接导线用蓝色，接线端子应有“i”标志。
2．本质安全设备的温度组别应按6.2和GB3836.1-2000中第5章规定，以避免热表面引起点燃。温度组别不适用于关联设备。
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，证明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、a）可通过适当的爬电距离和电气间隙以及使用符合第8章可靠元件来满足规定要求，例如，变压器和限流电阻。
2、b）可通过已知元件的热特性以及在适当的故障条件下可能承受的最大功率来计算或测定元件的最高表面温度来满足规定要求。
3、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安全的。
二、本质安全参数确定
1．电阻电路的临界点燃参数和安全火花参数确定
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别。电阻电路的临界点燃参数可用GB3836.1-2000图A1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8.0～8.6%。电阻电路（指理想电阻电路，下同）的临界点燃参数约为50伏安。
电阻电路的安全火花参数，是将电阻电路临界点燃参数除以安全系数而得到的。按GB3836.4-2000规定的安全系数取1.5，即电阻电路故障状态的安全火花系数约为33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。所以交流电阻电路安全火花参数约为165伏安。
2．感性电路的临界点燃参数和安全火花参数确定
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=24伏时做的，如图A5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。
感性电路的安全火花系数，也是将临界点燃电流除以安全系数而得到的。安全系数取法与电阻电路相同。
3．容性电路的临界点燃参数和安全火花参数确定
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5-18所示。容性火花试验电路RC的配合，应该做到：(a)、火花试验设备触点断开时，电容C应达到完全充电；(b)、火花试验设备触点闭合时，电阻R应能限制电源E的电流，尽量使它比较小，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GB3836.4-2000图A2所示。

E

R

C

火花试验设备

图5-18 容性火花试验电路

容性电路的安全火花参数，是将临界点燃电压除以安全系数而得到的。要注意，容性电路必须对电压打安全系数。安全系数取法也与电阻电路相同。
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、本质安全电路的主要元器件要求
1．本质安全电路对电源变压器要求
本质安全电路的电源变压器是非常重要的部件，它对电路安全有着很大的影响，因此电源变压器应符合GB3836.4-2000第8.1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，因为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，以提高变压器的容量，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．本质安全电路的保护性元件
为了使电路达到安全火花要求，在电路中串联电阻元件，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．本质安全电路限流元件
蓄电池和电源变压器由于串联了限流元件，而使短路电流达到了安全火花要求，限流元件短路了，电源短路电流就不是安全火花了，因此，限流元件连接就必须可靠，采取措施防止短路，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．本质安全电路分流元件
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，而使电路达到本质安全要求。分流元件断开了，电路就达不到本质安全要求了，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，以保证电路的安全火花性能，这就是所谓双重化措施。元件参数的选择应符合GB3836.4-2000要求。
对于直流电感电路，常用二极管做保护元件，基本上不影响原电路的工作，实验证明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，如下图所示，a和b是正确的，c是错误的，当图中A点断开就失去二次保护机会，图5-19中a和b断开一个，还有一个在起作用。

图5-19
四、使用本质安全型电气设备应注意的问题
在安装本质安全型电气设备时，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。本质安全电路与非本质安全电路用的导线要分开布置，电路须采用单独的导线和电缆，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，以保证安全火花性能。
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．简单电感电路
为了更详细说明本程序，假定有一个矿用I类电路，是由一个20V的电池组（电池组内阻忽略，下同）与适当安装的可靠元件100Ω限流电阻组成的电源,并向一个200Ω、50mH的电感器馈电,如图5-20所示。

图5-20 简单电感电路

100Ω最小

50mH最大 200Ω最小

20V最大

100Ω和200Ω为最小值，50mH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安全的，第二，考虑连接负载的影响。
(1)电源
评定步骤如下：
(I)取100Ω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8.4），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，所以不是本质安全的。按GB3836.4-2000 7.4.3，查表5得出该电池组电压最高值，这里假定为22V。
(II)最大短路电流是22/100=220mA。因为电路是电阻性的，取1.5
倍安全系数，即在此电路中短路电流增加到1.5×220=330mA。
(III)由图A1可以查出，对于I类电阻性电路，在电压22V时，其最
小点燃电流约为2A，按火花点燃考虑，该电源可评定为本质安全的。
(2）负载的连接
评定步骤如下：
(I)电池组最高电压假定为22V。因为100Ω和200Ω是最小值，则负
载中的最大可能电流是22/（100+200）=73.3mA。
(II)在应用第5章和10.4要求时，对于安全系数取1.5，则电路中的
电流增加到1.5×73.3=110mA。
(III)对于I类，由图A5查出，50mH电感器在电源电压为22V时，其
最小点燃电流约为150mA。则该电路按火花点燃考虑可评定为本质安全的，并且适用于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安全的。
2．简单电容电路
现在考虑图5-21所示电路，该电路预期在I类中应用。该电路，由30V电
池组通过适当安装的可靠10kΩ电阻器与10uF电容器连接组成。在该示例中，30V和10uF值取为最大值，10kΩ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安全的，第二，考虑电容器情况的影响。

10uF最大

10KΩ最小

30V最大

图5-21 简单电容电路

(1)电源
该程序基本和上一例相同，不再详细叙述。该电源电路可很容易评定为本质安全的，按火花点燃考虑，其安全系数超过100。
(2)电容器
评定步骤如下：
(I)电池组最高电压是30V并且电容最大值为10uF。因为是电容电路，考虑将电压取1.5倍安全系数。
(II)在应用第5章和10.4.2要求时，对于安全系数取1.5，则电压增加到1.5×30=45V。
(III)对于I类，有图A2查出，在45V时，能引起点燃的电容最小值仅为3uF，并且在30V时，仅有8uF，因此该电路不能评定为本质安全的。
注：
1．为修改电路使其通过本质安全评定，可采用下列几种方案：降低电路电压或电容值，亦可在10uF电容器上串联一只可靠电阻。由图A2查出，对于10uF的最低点燃电压是26V，如果保持10uF电容值不变，则应使电池组电压降低到26/1.5=17.3V。另一方法，可将电容值减小到3uF ，或根据10uF+5.6Ω这条曲线得到最低点燃电压是48V，当加入最小值为5.6Ω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类火花点燃考虑可评定为本质安全的。
2．在上述评定中所考虑的电源本身有较大的安全系数，则可应用参考曲线但是，如果电源仅有较小的安全系数，那么，在它与电容器互连时可能产生一种情况，即使通过图A2和图A3评定它是本质安全的，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A1~A6提供参考曲线或表A1和表A2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时困难的。例如，许多电源具有非线性输出特性不能用参考曲线进行评定，因为只有电路可能用电池或电池组以及串联限流电阻来表示时，才能用图A1的参考曲线。正因为这样，非线性电路，例如恒流电路，在电流值低于以开路电压和短路电流为基础的图A1预计值时将发生点燃。某些型式的非线性电路，其最大允许电流可能仅是按参考曲线预计值的五分之一。因此，需要特别注意的是，只有当所考虑的实际电路能够用所提供参考曲线的某一简单电路代表时，才能保证评定。现有可利用曲线是有限的，因而它不可能包括本质安全电路设计中出现的全部详细问题，因此，绝大多数本安电路必须用火花试验装置进行评定。