电工使用防爆电气和本安仪表需要了解的防爆专业知识

什么是危险场所?
危险场所是指存在或可能存在易燃物质的区域(室内或室外)。易燃物质可能是液体、气体、蒸气或粉尘。该区域存在易燃物质在时间上可能是长时间、大部分时间、或仅在特定情况下，例如在停车或者事故期间。

许多时候，消除易燃物质是不可能的，因此，氧气(空气)或着火源必须被消除。

在危险场所，如果“爆炸三角”(下图)中的所有三个条件都满足，就可能发生燃烧或爆炸。这三个条件是：燃料(易燃物质)，点火源(或热)和氧气(空气)。这三者关系通常呈现为三角状，因而得名“爆炸三角”。调节器(http://yunrun.com.cn/product/list_73.html)安装在控制室，没有防爆要求。


如何防止爆炸?
从上面的“爆炸三角”我们可以得出结论：如果要防止发生燃烧或爆炸就必须消除三个条件中的一个或多个。许多时候，消除易燃物质是不可能的，因此，必须消除氧气(空气)或者着火源；然而，消除空气通常也是不可能的；因此，最实用最有效的解决方案就是消除着火源、火花或热源。

对于电气校准设备，可以通过特别的设计让其适用于危险场所。有很多方法可以设计出适合危险场所使用的电气设备，这个话题稍后将会讨论。校准设备安全设计的通常方法是让它不能产生足够的能量来引起点火、火花或热源。

简史
危险场所的概念始于早期的煤矿开采活动，矿井中的易燃物质煤炭粉尘和甲烷气体形成了危险场所。早期矿井的照明是蜡烛和火把，是着火源，这引起了许多的事故。

后来，当矿工们开始使用电气设备(照明、工具)时，许多事故都是由于火花或热源引起的。最后为电气设备制定了设计标准，以指导其设计过程，防止电气设备火花和热源的产生。这是第一个“本质安全”的电气设备，它引领了今天在危险场所使用的设备标准。

存在危险场所的典型行业
很多行业都有危险场所。有些工厂有大面积的危险场所，而有的工厂只有很小一部分被划分为危险场所。典型的存在危险场所的行业包括化工和石化行业、离岸和岸上的石油和天然气、炼油、制药业、食品和饮料、能源、油漆车间和采矿业等。

由于易燃物质可能是液体、气体、蒸气或粉尘，许多不同行业的某些场所可能在正常运行或停车期间存在易燃物质，甚至一些看似安全的行业也可能存在危险场所。

在工厂中，所有被划分为危险场所的区域应该清晰地标示出防爆标志：


易燃和可燃液体
人们经常讨论易燃液体和可燃液体，但它们究竟是什么呢?一般来说，它们是可以燃烧的液体。它们可能是汽油、柴油、溶剂、清洁剂、油漆、化学品等，其中一些液体存在于许多工作场所。

闪点和自燃温度也经常被讨论。闪点是液体气化的最低温度，液体在闪点会产生大量的蒸气，蒸汽和空气形成一种可燃性混合气体，如果遇到火花或足够的热量，它就会燃烧起来。自燃温度是即使没有外部的着火源，液体也会燃烧的最低温度。最常见的易燃和可燃液体自燃温度在300℃(572℉)到550℃(1022℉)之间，然而，有的液体自燃温度低至200℃(392℉)或更低。

通常37.8℃(100℉)被认为是易燃液体和可燃液体的温度分界线。易燃液体的闪点低于37.8℃，而可燃液体的闪点高于37.8℃。

根据它们的闪点，液体被划分为易燃液体和可燃液体。易燃液体可以在正常工作温度下燃烧，而可燃液体则需要在更高温下才能燃烧。通常37.8℃(100℉)被认为是易燃液体和可燃液体的温度分界线。易燃液体闪点低于37.8℃，而可燃液体的闪点高于37.8℃。

确切地说，易燃液体和可燃液体本身不会燃烧，而是它们的蒸汽会燃烧；更准确地说，是蒸汽和空气的混合物会燃烧。当然，某些混合物在一定的浓度范围内也会燃烧。如果混合物的浓度太低(太稀)，它就不会燃烧；如果浓度过高(太浓)，情况也是如此。这种爆炸极限被称为低爆炸极限(LEL)和高爆炸极限 (UEL)。

记住，一些液体的闪点可能相当的低。例如，汽油闪点低至-40 ℃ (-40 ℉)，它在常温环境下就可以产生足够多的蒸汽，和空气混合成可燃气体。可燃液体的闪点高于正常的环境温度，因此，它们必须被加热后才能燃烧。

闪点和自燃温度的一些例子

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物质             闪点                                          自燃温度

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乙烯             -136℃(-276.8℉)                      490℃(914℉)
丙烷             -104℃(-155.2℉)                      470℃(878℉)
丁烷             -60℃(-76℉)                             288℃(550.4℉)
乙醚             -45℃(-113℉)                           160℃(320℉)
乙醇             16.6℃(61.9℉)                          363℃(685.4℉)
汽油             -43℃(-45.4℉)                          280℃(536℉)
柴油             62℃(143.6℉)                           210℃(410℉)
航空煤油      60℃(140℉)                              210℃(410℉)
煤油             38 to 72℃(100 to 162℉)         220℃(428℉)

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各种保护技术
如前所述，为了防止爆炸，至少应该消除“爆炸三角”中的三个条件之一。实际上，最明智的做法就是消除着火源。

有各种各样的技术可以让电气设备在危险场所安全使用。这些不同的技术分为两大类：消除着火源(Exe，Exi)或隔离着火源(Exd、Exp、Exq、Exo、Exm)。

本质安全的设备是设计在任何情况下，即使在设备自身故障的情况下，设备也不能提供足够的能量产生火花或让表面温度过高。

下面的表格简要描述了一些不同的技术：

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技术        设备上的标识             描述

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Exe                e                        增安型
Exi                  i                        本安型
Exn                n                        无火花型
Exd                d                        隔爆型
Exp                p                        正压型
Exq                q                        充砂型
Exo                o                        充油型
Exm               m                       浇封型

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该表还描述了在设备分类上标注的字母。例如，采用本质安全技术的设备应具有“Exi”标签

本质安全技术
Exi“本质安全”技术是最常用、最适用的电气校准设备保护技术。本质安全的设备是设计在任何情况下，即使在设备自身故障的情况下，设备也不能提供足够的能量产生火花或让表面温度过高。这样设计的设备才是本质安全的。在Exi设备内部，Exm(“浇封”)技术也可能用在设备的某些部分(如在电池组中)。

动火作业许可证
在危险场所使用非防爆校准设备是可能的，但需要工厂安全人员的特别批准。通常，这也涉及到安全设备的使用，例如，需要携带便携式气体探测器到现场。

使用正确的防爆设备就比较简单了，因为它不需要任何特别的批准。自然地，防爆校准设备必须适用于与之相对应的危险场所。

国际/北美标准与差异
有两种不同的法规标准对危险场所和危险场所使用的设备分类做出了规定。一种是国际IEC标准和ATEX指令，在国际和欧洲法规标准中使用；另一种是北美的法规标准。由于这两者之间存在一些差异，本文首先对两者单独介绍，然后再对它们进行比较。

国际IEC标准、IECEx体系和ATEX指令
IEC 60079国际标准系列为相关规则制定了不同的标准。

IECEx体系是和IEC合作并基于IEC标准，IECEx体系的目标是促进在爆炸性环境中使用的国际设备和服务贸易，同时维持其需要的安全等级。目前，IECEx有包括美国在内的30多个会员国。

ATEX指令是为了统一欧盟内的危险设备和工作环境而制定的，基于90年代的指令。

危险场所分类
危险场所是根据某一区域的大气中存在某种易燃物质的可能性进行分类的。下表是不同的危险场所(区域)的分类情况：

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区域(气体、蒸汽)     区域(粉尘)     描述

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0区                          20区            大气中爆炸性物质连续或长期或经常存在的区域。
1区                          21区            大气中的爆炸性物质偶尔会在正常运行中出现的区域。
2区                          22区            大气中的爆炸性物质在正常运行中不可能存在的区域，如果存在，也只会持续很短的一段时间。

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产品类别及设备保护级别(EPL)
在ATEX指令组II中，设备被分成不同的产品类别，规定在不同的区域内使用。组Ⅱ设备的产品类别规定如下：
◆产品类别1
非常高的安全水平，可以在0区(亦可在1区和2区)使用。
◆产品类别2
高安全级别，可以在1区和2区 (但不能在0区) 使用。
◆产品类别3
普通安全级别，可以在2区 (但不能在0区和1区) 使用。

危险场所是根据某一区域的大气中存在某种易燃物质的可能性进行分类的。

在IEC标准中，同样也是用EPL(设备保护级别)表示。EPL几乎用相同的类别来规定：
◆EPL a
非常高的安全水平，可以在0区(亦可在1区和2区)使用。
◆EPL b
高安全级别，可以在1区和2区 (但不能在0区) 使用。
◆EPL c
增强型安全级别。可以在2区 (但不能在0区和1区)使用。

产品类别/EPL与危险区域之间的关系：

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产品分类标签    EPL标识        适用的危险区域       易燃物质               亦能用于危险区域

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1G                    a或Ga           0                            气体、蒸汽           1和2
2                       b或Gb          1                            气体、蒸汽           2
3                       c或Gc           2                            气体、蒸汽
1                       a或Da          20                           粉尘                     21和22
2                       b或Db         21                           粉尘                     22
3                       c或Dc          22                           粉尘

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产品类别为1/EPL a的设备(可以在0、1和2区使用)即使在设备同时出现两个故障时也是安全的，这意味着所有的保护性安全电路都是三重安全保护。产品类别为2/EPLb的设备的保护性安全电路是双重安全保护，可在1区和2区使用。产品类别为3/EPL c的设备只有单安全电路，只能在2区使用。

根据上面的表格可知，如果需要在危险区域0区使用电气设备，则只可使用产品类别1的设备；如果该区域为1区，则可使用产品类别1和2的设备；如果区域为2区，则允许任何产品类别(1、2或3)的设备。产品类别1的设备其ATEX标识中标有数字1，例如“Ⅱ1G”；在其IEC EPL标识中标有字母“a”，例如“Ex ia”。因此，重要的是要了解校准设备将被使用的场所，并据此选择设备。

设备分组
防爆电气设备根据IEC 60079-0标准分为以下几组：
1、组Ⅰ
组Ⅰ的电气设备适用于容易产生甲烷的矿井中。
2、组Ⅱ
组Ⅱ的电气设备适用于存在爆炸性气体的场所，除了容易产生甲烷的矿井之外。组Ⅱ的电气设备是根据场所中可能存在的爆炸性气体的性质来细分的。

组Ⅱ细分
◆ⅡA：典型的气体是丙烷。
◆ⅡB：典型的气体是乙烯。
◆ⅡC：典型的气体是氢气。
这个细分是基于最大试验安全间隙(MESG)或者是爆炸性气体环境中安装的设备的最小点燃电流比(MICR)(详见IEC 60079-20-1)。标有ⅡB的设备也适用于要求使用组ⅡA设备的场所；类似地，标有ⅡC的设备也适用于要求使用组ⅡA或组ⅡB设备的场所。
3、组Ⅲ
组Ⅲ的电气设备适用于存在爆炸性粉尘的场所，除了容易产生甲烷的矿井之外。组Ⅲ的电气设备是根据环境中可能存在的爆炸性粉尘的性质来细分的。

组Ⅲ细分
◆ⅢA：易燃的扬尘。
◆ⅢB：非导电的粉尘。
◆ⅢC：导电的粉尘。
标有ⅢB的设备也适用于要求使用组ⅢA设备的场所；同样，标有ⅢC的设备也适用于要求使用组ⅢA或组ⅢB设备的场所。

温度等级
温度等级规定了设备无论在什么状态下自身所能达到的最高表面温度。温度等级是很重要的，需要考虑到并保证它与在工厂危险场所可能出现的易燃气体相匹配。

设备温度等级和最高表面温度如下：

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温度等级         最高表面温度

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T1                   450℃(842℉)
T2                   300℃(572℉)
T3                   200℃(392℉)
T4                   135℃(275℉)
T5                   100℃(212℉)
T6                   85℃(185℉)

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某些设备的最高表面温度也可能被指定为温度等级之间的某个温度。根据某一场所易燃物质的种类，闪点和自燃温度将有所不同，选择用于该危险场所的设备必须有适合于该场所易燃物质的温度等级。设备的温度等级需在其标识中标注，例如“T4”。

北美标准不同之处：Division
在IEC标准中，危险场所划分为区域Zone，北美标准将它们划分为不同的分区Division。数字0到2在区域Zone中使用时，数字1和2在分区Division中使用。也就是Zone 0和Zone 1都由Division1所覆盖。

下面的表格比较了Zone和Division的区别：

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Zone      Division        描述

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Zone 0       Division 1              大气中的爆炸性物质一直存在的区域。
Zone 1       Division 1              大气中的爆炸性物质在正常运行中存在的区域。
Zone 2       Division 2              大气中的爆炸性物质仅在运行异常情况下存在的区域。

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以下是产品类别/EPL与危险区域Zones(IEC)和分区Divisions(北美)之间关系的简要概述：

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产品类别/EPL           Zone       Division

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1/a                           0              1
2/b                           1              1
3/c                           2              2

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爆炸性气体分组
与IEC标准相比，北美标准多一组的爆炸性气体或设备等级。北美和IEC的爆炸性气体分组的比较如下表所示：

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IEC                          北美

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ⅡC-乙炔/氢气          A-乙炔；B-氢气
ⅡB-乙烯                  C-乙烯
ⅡA-丙烷                  D-丙烷

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最危险的爆炸性气体在北美被确认为A，而在IEC标准中是IIC。

温度等级
在北美标准中，有更多的中间温度等级。下表是IEC/ATEX和北美温度等级的比较：

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IEC/ATEX          北美       最高温度

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T1                     T1          450℃(842℉)

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T2                     T2          300℃(572℉)
                         T2A        280℃(536℉)
                         T2B        260℃(500℉)
                         T2C        230℃(446℉)
                         T2D        215℃(419℉)

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T3                     T3           200℃(392℉)
                         T3A        180℃(356℉)
                         T3B        165℃(329℉)
                         T3C        160℃(320℉)

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T4                     T4          135℃(275℉)
                         T4A        120℃(248℉)

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T5                     T5          100℃(212℉)

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T6                     T6          85℃(185℉)

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环境条件
最后，重要的是要确保设备适用于使用它的环境条件。例如，设备的安全运行温度必须与设备在工厂区域中的使用环境温度相匹配。在潮湿多尘的环境中，需要考虑设备外壳的防护等级；防护等级分类可以根据IP(防护等级)或NEMA。不同的防护技术根据实际情况可能有不同的分类。

同样重要的是要记住，一些防爆设备的外壳是由防静电(半导电)材料制成，以避免静电(电荷)积累。根据分类的不同，贴在设备上的标签尺寸是有限制的。例如，标识气体组 IIC在0区使用的组Ⅱ设备，最大的标签尺寸可以是4cm² (0.6 inch2)。在防爆设备上粘贴任何标识标签之前，记住这一点是很重要的。

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