浪涌保护器的防爆

浪涌保护器（SPD）的

隔爆论证和本安论证

在有爆炸危险的环境下，电子系统防雷所采用浪涌保护器，必须进行隔爆论证和本安论证，现简述其原理和方法。

1 概述

物体的燃烧容易与否取决于下述的三个因素：

1）燃烧物质的物态。在气态爆炸物混合物中，可燃物质的分子高度地被分散，只要有较小的能量就可以把部分气体分子加热活化到引起激烈氧化反应的程度而引起燃烧。所以可燃气体（或易燃液体、易燃固体蒸气）与空气的混合物，其着火能量相比液态、固态都小。

粉尘与空气形成的爆炸性混合物中，虽然粉尘的分子的数量大大地超过气态，但是因为粉尘粒度细，因此使其升温活化达到燃烧所需的能量大大低于块状固体。

2）着火能量的大小。一般可燃气体和易燃液体的着火能量都很小，如汽油仅为0.2毫焦耳（约十万分之五卡都不到）。

3）火源的方式。火源一般有明火、静电火化和电火化三种。若以电火花作为火源，则感抗电路中产生的火花最易点燃，容抗电路次之，阻抗电路第三。

而爆炸是快速燃烧的结果。产生气体爆炸的主要条件是：

1） 有足够浓度的可燃性物质的存在；

2） 有足够的空气（氧气）的存在，可形成可燃气体混合物；

3） 有足够能量的火源。

以上三个条件必须同时存在才会发生爆炸事件。

可燃性气体的性质不一，使爆炸的感度也不一样。我们把可燃性气体的相关性质称之为爆炸参数，它包括闪点、自燃温度、最小点燃电流、爆炸上下限值和最大试验安全间隙等。下简述之。

1） 闪点

闪点是指引起闪燃时的温度。所谓闪燃是指可燃液体（或固体）的表面上，在一定的温度时产生

一定的可燃蒸汽的浓度，当其在空气中达到一定的可燃性混合物浓度时，遇到火源就可发生燃烧瞬间火光的现象。所以，易燃液体（或固体）在闪点以上温度时，遇到明火会随时发生点燃的危险。反之，在闪点以下温度时，可燃蒸汽的压力低，其与空气混合生成的混合物还不足以与明火相遇而被点燃的危险。

2） 自燃温度

自燃是物质因长期的缓慢氧化作用，在无明火或电火化情况下而自发地发生燃烧现象。这个现象可能是该易燃物质因受外界热源作用下升温达到自燃温度点，或者是由于自身内部化学或物理作用或生化过程使热量积聚，升高温度而达到自燃温度点。不论哪种情况，凡是能使可燃物质发生自燃的最低温度被称为该物质的自燃温度。

3） 最小点燃电流（MIC）

图1 最小点燃电流试验装置

在图1规定的试验装置上，用直流24V，95mH的电感电路的火花进行3000次点燃试验，能够发生点燃的最小电流。此电流若降低5%即不能点燃。

最小点燃电流比（MICR）是各种可燃气体或蒸汽与空气相混合的混合物的最小点燃电流对甲烷/空气混合物的最小点燃电流之比值。

4）爆炸极限值

可燃气体（或蒸汽）与空气混合形成的可燃气体浓度低于该可燃气体的爆炸下限（LEL）或高于其爆炸上限（UEL）都不会发生爆炸。上限或下限一般被称为爆炸极限。上限和下限间的可燃气体浓度称为爆炸范围区，不属于上限和下限内的范围称为非爆炸范围区。

爆炸范围不是一个固定不变值，它受下列因素的影响：

A.温度升高，爆炸下限范围下降，上限范围上升，即范围变宽，危险增大；

B.可燃气体的分子量愈大，爆炸下限愈低，即危险性愈大；

C.压力降低时（接近0.1MPa）,对可燃气体爆炸范围影响很小，当压力升高时，有一定影响，但随不同可燃物的种类而异。

5）最大试验安全间隙（MESG）

该参数是在规定的标准试验条件下进行的。在一个壳体内充有一定浓度的被试验气体（或蒸汽）与空气的混合物，点燃后，通过25mm长的接合面均不能点燃壳外爆炸性气体混合物，则外壳表面和内壳表面之间的最大间隙称为最大试验安全间隙。

6）爆炸指数

爆炸指数系表征可燃气体与空气混合物发生爆炸的猛烈程度。通常爆炸指数是按照《ISO 6184/2 可燃气体/空气混合物爆炸指数确定方法》所测得的数据为准。

2 关于爆炸危险场所的划分

爆炸场所按爆炸物的状态有气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两大类。对危险场所的分类原则是按爆炸物出现的频度，出现后持续时间的长短以及其危险程度的不同而进行划分的。《GB 50058》规定，爆炸性气体危险场所按其危险程度大小，划分为0区、1区和2区三个等级，爆炸性粉尘或纤维的危险场所按其危险程度大小，划分为10区和11区两个等级。此外，将能引起火灾危险的区域划分为21区、22区和23区三个等级。

在生产现场，哪些地方属爆炸危险场所，离开多少距离之外属非爆炸危险场所，这些问题一般由工艺专业人员根据有关规定来确定。

在工程设计中遇到较多的情况是为了让控制室避开爆炸危险场所，常用有门的隔墙来降低危险区域的等级。与爆炸危险场所相邻的隔墙应该是坚实牢固的非燃性实体，隔墙上的门应该由坚固的非燃性材料制成，且有密封措施和自动关闭装置。条件完善的控制室一般可认为系安全场所。

3 适用于SPD的防爆机制

安装在具有爆炸危险的工艺现场的SPD，目前市场上有隔爆型和本质安全型（简称本安型）两种。

1）隔爆型SPD

隔爆型SPD系基于间隙防爆原理。早在十九世纪初，德国科学家贝林（Beyling）在研究火焰穿过金属间隙时，发现如下的情况：在圆柱形的法兰容器内引燃事先充有的甲烷与空气的混合物，当法兰的间隙高度小到一定程度时，不会引起容器外面的甲烷与空气混合物爆炸。因为金属法兰间隙不但能阻止爆炸火焰的传播，还能冷却爆炸产物的温度，达到熄火、降温和隔离爆炸产物的效果。隔爆型SPD就是用间隙防爆原理进行设计和制造的。

隔爆间隙种类有圆筒结合面、螺纹结合面、金属微孔（粉末冶金）等结构形式。由于隔爆型SPD在开盖后就失去防爆性能，因此不能在带电的情况下打开外盖进行维修。

2）本安型SPD

本安型SPD系基于减小点燃能量的防爆机理。

这最初是英国科学家提出来的，即通过限制电路中的电气参数，降低电路的电压和电流，或采取某些可靠保护电路，阻止强电流和高电压窜入危险场所，保证爆炸危险场所中的电路产生的开/断路电火花或热效应能量小于爆炸性混合物的最小点燃能量，即点燃不起爆炸性混合物。

由于本安型SPD结构简单，体积小、重量轻、制造和维护方便，具有可靠的安全性，能直接应用在最危险的0区场所，特别是石化企业。

4 不带SPD的本安型系统的认证

本安型防爆仪表（如现场仪表）和其关联设备（如安全栅）组成的系统，在规定的试验条件下，正常工作或故障状态下所产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的系统称为具有本安型特性的仪表系统。

不带SPD的本安型系统由本安型设备、关联设备及连接电缆（或导线）三者组成（见图2）。 目前，国际上各防爆检测机构对本安型防爆系统的认证方法，有下列两大类：

1）系统认证（System Approvals）；

2）参量认证（Parametric Approvals）。

系统认证在国内又被称为“联合取证”，它是指把被检验的本安设备和被检验的关联设备所构成的系统进行检验即可。系统一经认证后，系统中任一设备不能用未经检验机构按这种组合方式检验认证过的任何其它型号、规格的本安（仪表）或关联设备代用。

图2 本安型系统（不带SPD）的组成

参量认证系指对单台设备（本安仪表或关联设备）进行检验认证，并给出一组相应的安全参数。

通常，采用这种方法认证的本安设备可以与具有相兼容的关联设备连接使用。美国FM（工厂联研会）把这种认证方法称为“整体认证”（Entity Approvals）,把相应的安全参数称为“整体参数”（Entity Parameters）。

图2中的现场设备分为简单设备和非简单设备两类。所谓简单设备系指不会产生也不会存储超过

1.2V、0.1A、25mW和20µJ的电气设备，如简单触点、热电偶、热电阻和电阻性元件等，它们不会产生足以点燃可燃性气体的能量。如可能产生也会存储超过上述数值的电气设备，则为非简单设备，如变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。

通常，国际上认证现场本安设备时给出他们的整体安全参数

包括(下标为f）：

Vfmax——在故障条件下，现场本安设备可接受的最大电压；

Ifmax —— 在故障条件下，现场本安设备可接受的最大电流；

Cf —— 现场本安设备内部的等效电容；

Lf—— 现场本安设备内部的等效电感。

等效电容和等效电感是象征储能的大小。

图2中的关联设备（如安全栅）是与本安型防爆仪表紧密相关的一种限能设备，其设备本身的电路不一定是本安型的，但是它能影响本安电路中的能量，常被用来保持电路的本安性能。

关联设备的整体安全参数（下标为o）包括：

Vo---在故障条件下，可能传送到危险场所的最大输出电压；

Io---在故障条件下，可能传送到危险场所的最大输出电流；

Co---关联设备允许外接的最大电容（包括连接电缆的分布电容）；

Lo---关联设备允许外接的最大电感（包括连接电缆的分布电感）。

安全栅是本安防爆仪表系统中最常见的关联设备，它连接在本安电路和非本安电路之间，在正常工作条件下能使系统完好地工作，而在故障条件下其作用是限制电流和电压，不使危险能量窜入到本安电路中去，以确保本安电路的安全性能。

由于关联设备与现场设备间的连接电缆存在分布电容和分布电感，因此其储能势必对本安系统的防爆性能造成影响。在实践过程中通常将电缆按集中参数处理，其安全参数(下标为c)主要包括：

Cc——本安系统允许的连接电缆最大的分布电容；

Lc——本安系统允许的连接电缆最大的分布电感。

连接电缆的分布电容和分布电感一般由电缆制造厂提供数据，在制造厂未提供数据时，可参照日本电气学会本质安全调查专门委员会提供的公式进行计算：

C0.02413F/km lgD

2S0.05mH/km d L0.2ln

式中：S---导线间的中心距，µm；

d---导线外径，mm；

ε---绝缘体介电常数；

D---导体绝缘外径，mm。

一种简单的方法，可将分布电容和分布电感按L

C=197×1000=197000pF=0.197µF

L=0.66×1000=660µH=0.66mH

若论证时，未知连接电缆的实际长度时，可按500米进行估算。

不带SPD的本安型系统的参量认证，只需比较关联设备和本安设备的整体安全参数。当它们满足下列关系式时，就不必经认证机构认证，就可构成本安系统：

1）现场本安设备可接受的最大电压≥关联设备产生的最大电压，即Vfmax≥Vo；

2）现场本安设备可接受的最大电流≥关联设备可能产生的最大电流，即Ifmax≥Io；

3）关联设备允许外接的最大电容 ≥现场设备与电缆的等效电容之和，即Co ≥ Cf+Cc；

4）关联设备允许外接的最大电感 ≥现场设备与电缆的等效电感之和，即Lo≥ Lf+Lc。

5带SPD的本安型系统的认证

带SPD的本安型系统（见图3）的本安认证的要点是:

1）安装在爆炸危险区域内的现场仪表为本安型，则保护现场仪表的SPD也应为本安型，以保证不应存储或产生足以点燃可燃性气体的能量。

（如爆炸危险区域内的现场仪表为隔爆型，则现场仪表的SPD也应为隔爆型）。

2）安装在安全场所内（如控制室内）的SPD不属于本安设备，而是本安电路的关联设备。

3）SPD必须安装在安全栅前。 SPD和安全栅不能相互替代。

4）如果本安电路两端的SPD不是“简单设备”，应将两者的本安参数进行认证。

图3 带SPD的本安系统认证

本安型SPD的安全参数（下标为s)包括:

1) 等效内部电感Ls（一般可以忽略）；

2) 等效内部电容Cs （一般可以忽略） ；

3) 不破坏本安、允许的最大输入电压Vs(如26.8V)；

4) 不破坏本安，允许的最大输入电流Is（如500mA)。

带SPD本安系统的参量认证应满足：

1)现场本安设备可接受的最大电压≥SPD或关联设备产生的最大电压，即 Vfmax≥Vs (或Vo ,取大者）

2)现场本安设备可接受的最大电流≥SPD或关联设备可能产生的最大电流，即 Ifmax≥Is (或Io ,取大者）

3)关联设备允许外接的最大电容≥现场设备、电缆与SPD的等效电容之和，即 Co ≥ Cf+Cc+Cs

4)关联设备允许外接的最大电感≥现场设备、电缆与SPD的等效电感之和，即 Lo≥ Lf+Lc+Ls