摘要：IEC 60079-1 国际标准规定了隔爆型电气设备的设计、制造和检验的防爆要求，以期望达到电气设备的防爆目的。然而，在实际应用中按这种标准设计、制造的隔爆型电气设备，在电气设备外壳内部发生弧光短路故障往往起不到防爆作用。本文分析了在弧光短路状态下隔爆外壳“喷火”的原因。为了解决隔爆理论存在的不足，本文提出了隔爆兼控制型防爆方法，即在隔爆外壳内部增加光敏元件及用于防爆目的的保护电路。当电气设备外壳内部发生爆炸性气体混合物爆炸或弧光短路故障，所产生的光通过保护电路作用于上一级电源开关跳闸，避免隔爆型电气设备“喷火”。这种防爆方法还解决了隔爆型防爆电气设备在粉尘爆炸环境不防爆的问题，为粉尘爆炸环境使用的防爆电气设备开辟了新的途径。
关键词：隔爆理论；爆炸性气体混合物；爆炸性粉尘混合物；喷火；隔爆兼控制型；防爆方法
目前，在矿山、化工等易燃易爆场所使用的防爆电气设备，都是按照国际标准IEC 60079的要求来设计和制造。 国际标准中的IEC 60079-0对所有防爆类型电气设备提出了通用要求，IEC 60079-1规定了隔爆型电气设备的设计、制造和检验的防爆要求，通过这些要求来达到电气设备的防爆目的。我们国家的GB3836标准等同于IEC 60079国际标准。我们国家的GB3836.1国家标准等同于IEC 60079-0国际标准，GB3836.2国家标准等同于IEC 60079-1国际标准。
一、电气隔爆理论
电气隔爆理论是德国科学家提出的电气防爆理论，它的基本原理是：将电气设备的带电部件放在隔爆外壳内部，隔爆外壳要有一定的耐爆性和隔爆性，耐爆性是要求隔爆外壳具有一定的机械强度，当其内部发生爆炸性气体混合物爆炸不影响其隔爆性能；隔爆性是要求隔爆外壳的隔爆面宽度，隔爆面间隙，隔爆面粗糙度要符合IEC 60079-1国际标准的要求，隔爆外壳内部与外部有一定的间隙，该间隙称为隔爆间隙。爆炸性气体混合物进入隔爆外壳内部后，当隔爆外壳内部由于火花引起爆炸性气体混合物爆炸，产生的高温火焰要通过隔爆间隙向外传播，大部分热能被隔爆面金属或其他物质吸收，使其传出隔爆面的是气体，不是火焰。由于隔爆外壳内部爆炸性气体混合物爆炸产生的热能与爆炸物的体积成正比，因此，隔爆外壳的体积越大，要求隔爆面的宽度也越宽，使其能把外壳内部爆炸产生的热能有效吸收。由于爆炸性气体混合物燃烧或爆炸产生的火焰电阻较大，不会造成弧光短路，因此在这种状况下隔爆外壳起到防爆作用。
二、隔爆型电气设备的“喷火”原因
当隔爆外壳内部发生弧光短路故障，弧光短路电流大小与弧熄电阻成反比，弧熄电阻大小与两个电极间距成正比，间距越大弧光短路电流越小，弧光短路电流要比金属性短路电流小。动力电网中电气开关保护装置的整定电流Iz是最大一台电动机的启动电流Iq加上除启动这台电动机外其它所有电气负荷的额定电流之和ΣIe，如下面公式所示：
Iz=Iq+ΣIe
启动电流是额定电流的5～7倍，弧光短路电流往往小于继电保护整定值，不能使上一级电气开关保护装置迅速跳闸，弧光将持续下去，使电气设备内部及隔爆面间隙不断加热，最后温度饱和，隔爆面不能起吸收热能的作用，传出隔爆外壳的不是气体，而是弧光，电气设备的隔爆外壳失去防爆作用，引起隔爆外壳外部的可燃性混合物爆炸。出现这种“喷火”现象在煤矿井下经常遇到。
笔者在煤矿工作期间，在井下见到两次防爆开关“喷火”现象，现场“喷火”的过程如下：隔爆电气设备内发生弧光短路，在短时间内从隔爆面间隙喷出的是黄白色烟气，几秒种后变成火焰。通过这种“喷火”现象的过程来看，开始出现的弧光能被隔爆面介质吸收冷却，因此隔爆面间隙喷出的是黄白色烟气，当隔爆面不断被弧光加热，隔爆面热量逐渐积累，最后温度饱和，隔爆面起不到吸收热能的作用。
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标准规定隔爆型防爆电气设备不允许在粉尘爆炸环境中使用，其原因是：粉尘有导电粉尘和非导电粉尘，导电粉尘燃烧或爆炸会造成弧光短路故障，非导电粉尘燃烧或爆炸后会形成导电的碳粒子，也会造成弧光短路故障，保护装置不跳闸。
隔爆型电气设备“喷火”故障轻则损坏防爆电气设备，重则会引起易燃易爆物质爆炸，造成大量人员伤亡，从煤矿重大安全事故案例可以证明这一点。
三、解决问题的办法
从上述分析可以看出，解决隔爆型电气设备“喷火”的问题，最好的办法就是当隔爆型电气设备外壳内部发生火花或弧光，电源侧开关能迅速跳闸，快速切断故障电气设备的电源。
本文提出一种隔爆兼控制型防爆方法，本方法是在隔爆型电气设备内部增加了光控技术，当其内部发生爆炸性混合物燃烧、爆炸或弧光短路故障，光敏传感器检测到光信号，通过控制电路作用于电源侧开关断电。
作用于电源侧开关断电，控制信号传递有以下几种方案：
1、供电电缆选用六芯电缆，动力线三芯，保护接地线一芯，控制线两芯。发生故障的防爆电气设备通过两芯控制线向电源侧开关传递断电信号。
2、供电电缆选用金属导线与光线混合电缆，动力线三芯，保护接地线一芯，控制用的光纤一芯。发生故障的防爆电气设备通过光纤向电源侧开关传递断电信号。
3、供电电缆选用四芯电缆，动力线三芯，保护接地线一芯。电源侧开关与负载侧所有防爆电气设备内部均设有动力载波装置，发生故障的防爆电气设备是通过动力载波向电源侧开关传递断电信号。
上述三种方法中第一种方法断开电源侧开关的速度最快，当电源侧开关接到断电信号后直接作用于脱扣器跳闸。
笔者用上述第一种方案做了爆炸性气体混合物和粉尘混合物点火爆炸试验。点火装置是高压大功率点火器和去掉玻璃外壳的白炽灯灯丝两种方案。试验的结果是：爆炸性气体混合物点火后在隔爆外壳内部爆炸，爆炸性粉尘混合物点火后在隔爆外壳内部不爆炸（受条件限制仅做了煤粉和面粉两种粉尘的点火试验）。出现这种结果的原因是：爆炸性气体混合物的需要的点火能量比粉尘混合物低，也就是说气体比粉尘容易引爆。
虽然这种防爆技术对气体点火仍然会在隔爆外壳内部爆炸，但是由于光控保护的作用使气体爆炸持续的时间很短，不会使隔爆面温度饱和，爆炸的火焰不能传出隔爆外壳外面去。
这种防爆方法，不但解决了隔爆型防爆电气设备弧光短路不防爆的问题，还解决了隔爆型防爆电气设备不能用在粉尘爆炸环境的问题。
这种隔爆兼控制型防爆方法，还通过磁控技术，从技术角度解决了带电开盖或开盖送电的违章操作行为。
四、研究方向
这种隔爆兼控制型防爆方法，如果提高电源侧开关保护的断电速度，在气体和粉尘爆炸环境中隔爆外壳内部点火均不会爆炸，这将使隔爆外壳内部不承受爆炸的破坏作用，隔爆外壳就不需要能承受8个或16个大气压的要求，为降低产品造价和减小设备重量创造条件。
如：电源侧开关选用大功率电子器件作为主电路断路器，保护的断电速度将提高几个数量级。
参考文献：
[1]国际标准IEC 60079-0爆炸性环境 第0部分：设备 通用要求； IEC 60079-1爆炸性环境 第1部分：隔爆外壳“d”设备防护
作者简介：
李孝杰（1952-），男，黑龙江双鸭山人，高级工程师，黑龙江省职业院校省级学科带头人，第四届防爆电器分标委委员。长期从事矿山电气自动化专业和电气防爆专业专业课教学工作和科研工作，退休前任黑龙江煤炭职业技术学院科研所所长职务。联系人：李孝杰，Tel:13199225057,E-mail:hljhmzy@126.com
论文作者:李孝杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/22
标签：弧光论文; 电气设备论文; 外壳论文; 混合物论文; 粉尘论文; 爆炸性论文; 气体论文; 《电力设备》2017年第13期论文;