防爆“n”型电气设备中nL-限制能量设备

章平谊，王寿柏

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯154005)

0 引言

防爆“n”型电气设备即过去我们通称的防爆无火花型电气设备。2003 年在对标准GB 3836.8—1987版修订时按IEC60079—15:2001《爆炸性气体环境用电气设备 第15 部分:“n”型电气设备》的标准内容制订了GB 3836.8—2003《爆炸性气体环境用电气设备 第8 部分:“n”型电气设备》标准。此标准中将“n”型电气设备详细分为:nA-无火花设备;nC-有火花设备;nR-限制呼吸外壳;nL-限制能量设备;nZ-具有n-正压外壳。

2011 年实施的GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4 部分:由本质安全型“i”保护的设备》中，引入了“ic”保护等级的定义。下面就详细地介绍一下爆炸性气体环境用电气设备“n”型电气设备，特别着重地介绍nL-限制能量设备及其与本质安全型中“ic”保护等级的区别。

1 术语和定义

1.1 “n”型防爆［4］

电气设备的一种防爆型式，这种型式的电气设备，在正常运行时和本部规定的一些异常条件下，不能点燃周围爆炸性气体环境。

1.2 能量限制［4］

在规定的试验条件下，设备电路产生的电火花或任何热效应不能点燃规定的可燃性气体或蒸汽。

1.3 nL-限制能量设备［4］

电路和元件的设计符合能量限制原理的电气设备。

1.4 本质安全型［3］

电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。

1.5 “ic”保护等级［3］

施加Um或Ui后，在正常工作情况下，“ic”等级电气设备中的本质安全电路应不能引起点燃，施加1.0 倍安全系数(故障的概念不适用于该保护等级)。

2 “n”型设备的防爆原理及设计理念

这种型式的防爆电气设备，在正常运行时和规定的一些异常条件下，不能点燃周围爆炸性气体环境。所谓“正常运行和规定的一些异常条件下”是指设备的电气性能和机械性能符合设计规范要求，并在制造商规定的范围内使用。

“n”型电气设备是一种用于地面工厂2 区危险场所的防爆电气设备。在正常运行时不会产生火花，也不太可能产生引起点燃故障的电气设备。综合起来看，一是场所不太可能出现危险;二是电气设备不太可能形成点燃源，两者同时发生并相遇的机会就很小。为了有一个定量的概念，我们就两者相遇概率作一个粗略的估算。根据国外的有关资料介绍，在2 区爆炸危险场所中，每年出现爆炸性混合物的时间不大于10h(一年按8 000h计)，亦即爆炸性混合物出现的概率为1/800;假设电动机每小时起动1 次，每次需2s，则1h 内可能产生火花的概率为1×2/3600=1/1800.两者相遇的概率为1/800×1/1800=7×10-7，可见相遇概率极小，达到我们所能接受的安全水平。这就是“n”型电气设备用于2 区爆炸危险场所的原因。

“n”型电气设备根据设备的性能特点主要分以下两种情况。

2.1 无火花设备(nA)在正常运行时不得产生电弧和火花。与爆炸性混合物相接触的内、外表面温度均不得超过设备温度组别的最高温度(如“n”型防爆电机)。

2.2 对正常运行时会产生火花或电弧或是高温热表面的零部件，需采取下列几种方法之一进行保护来防止点燃外部的爆炸性气体。

2.2.1 限制呼吸外壳(nR)是一种能阻止或限制外面爆炸性气体进入的外壳。在一段时间内，使外壳内积聚的爆炸性气体或蒸汽的浓度达不到爆炸下限，而这一段时间要比外部爆炸性气体或蒸汽预定存在的时间长，从而使内部产生的火花不会点燃爆炸性混合物。

2.2.2 气密装置(nC)是一种能防止外部气体渗透到内部的装置。通过熔接、锡焊、铜焊、焊接或玻璃与金属熔接等方法达到气密性能要求。这种防爆设备就是过去GB 3636.10—1991《爆炸性环境用防爆电气设备气密型电气设备“h”》规定的气密型(“h”型)防爆设备，1998 年修订GB 3636系列标准时将气密型归到无火花型中，主要适用一些小的产品如熔断器等。

2.2.3 密封装置(nC)是一种正常运行时不能打开的装置，内部净容积小于100cm3，能有效防止外部大气进入，近似于浇封型(“m”型)防爆设备。

2.2.4 正压装置(nZ)技术是将保护气体充入到设备外壳内，并保证外壳内部压力高于周围环境，以阻止环境中的爆炸性气体进到设备外壳内。近似于正压型(“p”型)防爆设备，它与“p”型的最大不同就是它不适用于有内部释放源的情况。

2.2.5 能量限制(nL)技术是针对产生电弧、火花或热表面的设备或电路，将火花部件安放在合适的电路中，限制它的电压、电流以保证不能发生点燃。限制能量的元器件可以放在设备本体或另一个设备中，该设备为设备本体的关联设备。对于电子设备和有关的小功率设备(≤20W)，如测量、控制通讯设备、仪器仪表等均适合设计成此种防爆型式。设计重点要掌握以下几方面。

(1)设备的外壳防护等级不低于GB 4208—2008 中的IP54 要求，除非设备经过安装达到同样的防护等级;

(2)设备或设备部件的额定电压应不超过60V DC 或75V AC;

(3)不管设备内或设备外，应采取措施以防额定电压因瞬态干扰而超过40%以上。

为满足上述要求需采取以下措施。

①设备的外壳:nL-限制能量设备的零件和布线必须加以适当保护，以防止非正常情况下受到影响而直接或间接地引起危险，通常的做法是在外壳的配合面间加密封圈、垫，这些密封垫应粘附或固定到一个配合面上，以防止丢失、损坏或错装。

如果用塑料外壳，外壳应具有较好的热稳定性，要求材料允许的工作温度高于设备外壳最高表面温度。为了保证塑料外壳正常工作时不集聚危险静电，应选用表面电阻≤1GΩ 的塑料材质。

如果用轻金属外壳，应选用镁和钛的总含量不大于7.5%的材质。

②限制设备的点燃能量:通常，限制点燃能量的设计可根据电路的特点灵活应用下列不同的技术方法来满足电路设计的经济、合理、安全、可靠的要求。

a.逐一解决法

这种方法通常适用于单一电源的电路。对于电路中的各储能元件及可能的发热元件可以通过分析，逐一予以解决。

元件的额定值:除变压器、熔断器、热脱扣器、继电器和开关外，与防爆型式有关的任何元件，在正常条件下不应在超过与该设备的额定值、安装状态和规定的温度范围有关的最大电流、电压和功率的三分之二下运行(对不常承受应力的元件可不受此限制)。如用于抑制由人工操作或不频繁开关的电磁阀产生的火花能量的二极管仅需要将电路中的正常电流作为额定值。

熔断器:熔断器可以用来保护其它元件并且可以限制限能电路中的电流。对于此用途的熔断器应能连续通过1.7In电流(In为熔断器额定电流)。熔断器的时间电流特性应保证不超过保护元件的瞬态额定值。熔断器的电气间隙和爬电距离的要求按Um的额定电压(或Ui)值确定。除非装有辅助限流装置，用在关联设备上的熔断器应有分断1 500A 的能力，并应符合前面所说的元件额定值的要求。

并联安全元件:二极管和限压装置等并联安全元件应牢固地连接到保护元件上使它们不可能分开(如浇封)。

单体电池和蓄电池:按单体电池和蓄电池的型式提出使用限制，见表1。

表1 单体电池和蓄电池的型式和使用

开关、插头、插座:开关触点或工作中有可能断开的插头、插座应按GB 3836.4—2010 中的要求进行火花试验或评价。

b.逐级限压/限流法

这种方法通常适用于具有多个工作电源的电路。在设计时，我们可以采取可靠的限压钳位措施，将具有不同工作电源电路的最高电压分别予以控制。必要时，还可以依据实际的电路工况，在钳位电压下采取适当的限流措施，以限制最大工作电流。然后，在对各电路中的储能元件及可能的发热元件分析其安全性。这种设计方法既允许电路具有较高的电容、电感，便于实现电路的基本性能，同时也允许在较低工作电压下的电路选用具有较低功率的元件，便于限制能量设备实现小型化。

c.电路分离法

这种方法通常适用于复杂电路，且各功能电路之间本身是相互隔离的情况。尤其是对于逐一解决法和逐级限压/限流法都不便于实现限能的情况，我们可以借助于电路自身隔离的特点，按照限能设计的基本要求，通过对隔离元件的可靠设计，首先使不同功能的电路实现可靠隔离，然后依据逐一解决法、逐级限压/限流法去完成电路的设计。

3 nL-限制能量设备与本质安全型设备的区别

3.1 本质安全型设备按安全系数分为“ia”保护等级、“ib”保护等级和“ic”保护等级。

“ia”保护等级的设备是最安全的，是所有防爆设备中唯一(除一小部分专门为0 区设计的特殊型外)可以用在0 区爆炸性气体环境危险区域的防爆设备，此种设备安全系数高，对电路结构、元器件性能要求的比较苛刻，设计难度和生产成本都相对要高。

“ib”保护等级的设备可以用在1 区和2 区。

“ic”保护等级是GB 3836.4—2010 标准中新增加的保护等级。其定义为:施加Um或Ui后，在正常工作情况下，“ic”等级电气设备中的本质安全电路应不能引起点燃［3］。这种保护等级在设计时可以不考虑安全系数。

3.2 具体区别

3.2.1 电气间隙和爬电距离:从GB 3836.8—2003 和GB 3836.4—2010 中对电气间隙和爬电距离的要求可知在相同的电压等级下相同材料级别，nL 型的电气间隙和爬电距离要求与“ic”级的相差不多。但是在GB 3836.4—2010 中还说明如果将保护印制电路板组件或者隔离部件安装于符合现场使用条件的防护等级不低于GB 4208 规定的IP54 的壳体中，电气间隙和爬电距离就可放宽，对于II 级材料≤30V 的电气间隙、爬电距离没有要求。

3.2.2 关联限能设备:GB 3836.8—2003 中只是概括性的说明了用齐纳二极管和串联电阻来限制设备的能量，而GB 3836.4—2010 中引用了二极管安全栅的定义。二极管安全栅中的二极管用于限制施加到本质安全电路上的电压，可靠限流电阻用于限制流入本质安全电路的电流，并制定了详细的试验方法。特别说明在“ic”保护等级的安全栅内，最低要求有单只齐纳二极管和一个限流电阻器。

3.2.3 安全系数:GB 3836.8—2003 中规定，nL-限制能量设备故障条件和安全系数应忽略不计，只对正常运行的设备和电路进行评价或试验;GB 3836.4—2010 中规定“ic”保护等级，施加1.0倍安全系数。

3.2.4 导电部件的隔离:GB 3836.8—2003 中只规定了限能电路和非限能电路、各限能电路之间、限能电路和接地之间的电气间隙和爬电距离的要求;GB 3836.4—2010 中详细规定了本质安全电路和非本质安全电路之间隔离元件的要求，包括:a.电气间隙和爬电距离的要求;b.非本质安全电路的连接应具备保护措施，确保符合规定的元件额定值不会被超过，除非能证明连接到这些端子上的电路不会使元件的可靠隔离作用失效;c.连接在本质安全电路端子和非本质安全电路端子之间的元件，应符合下列要求的介电强度试验:本质安全电路和电气设备机架或可能接地的部件之间的绝缘应能承受两倍本质安全电路电压或500V交流有效值，两者取较大值;本质安全电路和非本质安全电路之间的绝缘应能承受2U+1000V 交流有效值试验电压，但不小于1 500V。U 指本质安全电路和非本质安全电路的电压有效值之和;在各自独立的本质安全电路之间击穿可能引起不安全情况时，则电路之间的绝缘应承受2U，但不小于500V 交流有效值电压试验，U 指所考虑的电路的电压有效值之和。

3.2.5 试验和评定:都是要求按GB 3836.4 的方法进行评价或试验。评价或试验时均不考虑故障条件。

3.3 通过以上的分析比较我们就可以推断出“ic=nL”。GB 3836.4—2010 前言中说明了“增加了‘ic’保护等级(‘n’型中nL)”，这就给我们的推断做了充分的肯定。只就限制能量这一点来说，GB 3836.4—2010 中的要求、规定制定的更具体更详细一些，对我们设计、制造的帮助会更大。因此设计nL-限制能量设备时完全可以参考GB 3836.4—2010中对“ic”保护等级的规定来进行。其实在GB 3836.8—2003 中对“nL”型的试验要求也是要执行GB 3836.4—2000 中规定的，只是那时GB 3836.4 还没有改版，没有“ic”的定义。由于在GB 3836.15—2000《爆炸性气体环境用电气设备第15 部分:危险场所电气安装(煤矿除外)》中没有“ic”级设备，但是规定了“n”型电气设备只能使用在2 区，因此，“ic”级设备也只能使用在2 区。

在最新版本的IEC 60079-15《爆炸性气体环境用电气设备 第15 部分:“n”型电气设备》中已将nL-限制能量设备取消了，可能是考虑了与“ic”级设备的重复性。有可能GB 3836.8—2003 在下一次的修订也会将nL-限制能量设备取消，那时设计制造这种防爆设备时就会明确地执行GB 3836.4—2010 中对“ic”保护等级的设备要求了。

4 结语

随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅速发展，防止爆炸事故的发生已成为十分突出的问题。为了解决这个问题就需要我们采取的预防措施合理、可靠、经济。首先了解爆炸性气体环境危险区域，环境中出现的爆炸性气体的类型、温度组别，在相应的区域和爆炸性气体环境中使用哪种防爆型式的电气设备是安全可靠的，只有这样才能有的放矢，设计、生产出既安全可靠又经济实用的防爆电气设备。

［1］ 辽宁科学技术出版社出版工业防爆实用技术手册.

［2］ 仪表本安防爆技术机械工业出版社出版.

［3］ GB 3836.4—2010 爆炸性环境 第4 部分:由本质安全型“i”保护的设备.

［4］ GB 3836.8—2003 爆炸性气体环境用电气设备 第8部分:“n”型电气设备.

［5］ GB 3836.14—2000 爆炸性气体环境用电气设备 第14 部分:危险场所分类.

［6］ GB 3836.15—2000 爆炸性气体环境用电气设备 第15 部分:危险场所电气安装(煤矿除外).