正压型电气设备的防爆结构和安全要求

知识点：防爆电气设备

1.通用结构

(1)结构材料和结构强度

在正压型电气设备中，设备的外壳被称作所谓的“正压外壳”，是这种防爆型式的一个重要结构。

通常情况下，正压外壳采用普通钢板(例如Q235A钢板)或者不锈钢钢板(例如1Cr18Ni9Ti钢板)等金属板材制成，当然，也可以使用高强度的塑料材料制作。但是，假若使用塑料材料制作时，防爆正压柜设计人员应该考虑所使用的塑料材料必须具有抗静电性能。

正压外壳应该具有足够的机械强度，除设备正常要求的结构强度外，外壳、与其连接的保护性气体输送管道以及连接部件应该在所有进、排气口封闭的情况下承受1.5倍的最高正压的压力值，最低也应该承受200Pa的压力而不出现变形或损坏。

假若正压型电气设备在运行过程中内部压力可能引起外壳、输送管道以及相关的连接部件发生变形，那么人们就应该在正压保护系统中设置自动安全装置，例如最高正压监测装置，将系统中的过压限制在对防爆型式不产生不利影响的程度。

(2)门和盖子

正压型电气设备的门和盖子应该同电气回路进行联锁。这种联锁，当门或盖子开启时，应该自动切断正压保护系统中未按相应防爆型式进行防爆处理的电气元器件的前缀电源;当门或盖子没有可靠关闭且系统没有完成吹扫之前，不能重新对这些元器件供电。

对于静态正压型电气设备，门或盖子必须使用专用工具才能够开启，而且还应该在其外壳明显部位设置一个警告标志：“警告!严禁在危险场所开启!”。

在正压型电气设备上，尤其是I类设备上，使用的紧固件应该是所谓的特殊紧固元件。为了防止因内部压力过大在开启门或盖子时出现伤害事故，设计人员可以采用双位紧固件，或者其他的特殊缓动措施。

此外，当正压型电气设备内部包含大容量的电容器和(或)发热元器件时，人们不得在电容器的剩余能量不符合要求时和(或)发热元器件温度没有降至温度组别的温度值以下时打开门或盖子。因此，设计人员应该将断开前级电源至允许打开门和盖子的时间间隔标志在设备的外壳上，告诫人们只有在这个时间间隔以后才允许开启设备。

(3)保护性气体的进气口和排气口

正压型电气设备应该设置保护性气体进气口和(或)撵气隧。它们的位置应该根据保护性气体的密度来决定。

当保护性气体的密度比空气大时，进气口应该开设在设备外壳的上部，排气口应该开设在设备外壳的下部;当保护性气体的密度比空气小时，进气口应该开设在设备外壳的下部，排气口应该开设在设备外壳的上部。不管进气口或排气口是在设备外壳的上部或下部。进气口和排气口都应该设置在设备外壳的相对侧。这样的布置便于保护性气体的流动和吹扫换气。

一般情况下，进气口(或排气口)的面积可以按每1000cm?正压外壳容积不小于1cm?来计算。这样计算得出的进气口总面积，就可以保证正压外壳在合适的时间内得以充分的吹扫(换气)。

(4)正压外壳内导流板

为了保证正压型电气设备得到充分的吹扫，设计人员可以在正压外壳内设置一些导流板，使吹扫气流通过正压外壳内的每一个角落。

有时正压型电气设备内的电气元器件的安装板也可以起到导流的作用。

如果正压外壳被分割成几个小的空腔，除采用导流板来改善保护性气体的吹扫效果外，还可以对小空腔单独设置一些进气孔，增加吹扫气流的透道。

(5)火花和炽热颗粒挡板

当正压型电气设备的排气口设置在爆炸性气体环境中时，在其外壳内应该设置一些挡板。防止外壳内的炽热颗粒和可能的放电火花通过外壳的排气口窜出外壳，飞到周围爆炸性气体环境中。

假若外壳内不产生炽热颗粒，则可以不设置这种挡板。另一种情况，即当外壳内的触头工作电压不大于275V(交流)或60V(直流)，工作电流不大于10A，而且触头还安装灭弧罩时，正压外壳的排气口也可以不设置火花和炽热颗粒的挡板。

在设置火花和炽热颗粒挡板时，这种挡板应该使排出气流在其流通方向上至少发生8次90°的方向改变。因为气流在其流通方向上多次改变方向可以“沉淀”炽热颗粒和减小火花携带的能量。

(6)防护要求

为了保持正压型电气设备正常工作时内部压力高于外部压力的正压，除必要的进气口和排气口以外，正压外壳应该尽可能地保持在密封状态，防止保护性气体发生泄漏，降低外壳内部的压力。

在通常情况下，从防护等级(IP)角度看，正压外壳的防护等级不应该低于IP5X，对于使用在潮湿和充满煤尘的采掘工作面上的电气设备，防护等级不应该低于IP54。

(7)警告标志

在正压型电气设备外部明显部位，人们应该设置警告标志：“警告!正压外壳!”。

这个警告标志告诉人们，正压型电气设备的外壳是一种特殊的外壳。它是保持内部正压压力的重要结构，应该具有适当的密封作用，应该具有可靠的联锁功能。因此，人们在安装、运行、维护、修理正压型电气设备时必须给以足够的注意。

2.电气间隙、爬电距离和极限温度

(1)电气间隙和爬电距离

在正压型电气设备中使用的绝缘材料，和其他防爆型式的防爆电气设备中使用的绝缘材料相比，没有原则的区别l，因而电气间隙和爬电距离也应该是一样的。

但是对于I类电气设备来说，假若额定电流大于16A，例如在断路器、接触器或隔离开关中，这种电流在开、关时可能产生电弧，那么所用的绝缘材料至少应该符合以下任一种要求：

①相比耐电痕化指数(CTI)不小于GB/T 4207-2022《固体绝缘材料耐电痕化指数和相比耐电痕化指数的测定方法》中规定的CTl400M(相当于材料级别Ⅱ级或I级)。

②绝缘材料表面上不同电位的裸露带电导体之间的爬电距离应该符合GB/T 16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》中规定的适用于3级污染、III类过电压时材料的数值。

(2)温度限制

正压型电气设备的温度组别应该符合各种防爆型式电气设备的统一规定，但是温度组别的确定方法，却因正压型电气设备的设备保护级别的不同而不同。

1)“pb”级正压型电气设备

在确定“pb”级正压型电气设备的温度组别时，设计人员应该既要考虑设备外壳外表面的最高表面温度，还要考虑设备内部零部件的最高表面温度，按照这两个温度中最高的那个作为确定温度组别的温度值。

但是，对于正压型电器设备内的一些小元件(表面积不超过100m?)，当其最高表面温度低于相应的可燃性气体的点燃温度一定值时，其最高表面温度可以高于温度组别的温度值;另外，当设备内部发热元器件在开启门或盖子之前能够冷却到温度组别规定温度值以下时，其最高表面温度也可以超过温度组别的规定值。

此外，当正压型电气设备的正压保护突然中断时，设备周围的可燃性气体就会进入设备内部，因而，电气设备此时还应该具有一定的保护能力，防止在内部发热元器件没有冷却到允许的最高温度之前接触可燃性气体。

对于这种情况，人们可以将发热元器件用其他的防爆型式保护起来，防止这些元器件接触进入的可燃性气体，或者对于一些特殊设备，可以采用备用的通风系统(保护性气体供气系统)，防止主正压保护系统突然中断时外部可燃性气体进入外壳内(一旦中断，备用系统马上自动启动)。

2)“pc”级正压型电气设备

“pc”级正压型电气设备的温度组别仅仅以正压外壳外表面的最高表面温度为依据来确定。

这是因为，由于“pc”级正压型电气设备只允许运行在爆炸性危险场所的2区，爆炸性气体-空气混合物出现的概率小，加之正压外壳的阻碍，接触内部元器件的概率更小，所以在确定设备温度组别不仅仅以外壳外表面的最高表面温度为评价依据。

此外，设计人员还应该考虑当正压保护突然中断瞬内部带电部件的盘身保护。

3、正压保护系统中自动安全装置的防爆型式

对于正压型电气设备来说，除正压外壳外，对正压保护系统工况的监测，是保证这种防爆型式防爆安全性能的一项十分重要的安全措施。这是正压型电气设备的一个重要特征。

在正压保护系统中，检测和控制正压保护系统工况的监测单元(装置)被称为自动安全装置。它本身不应该成为可燃性气体的点燃源，应该符合一种防爆型式的要求，或者安装在非爆炸性危险场所中。这一点是设计人员必须重视的。

在选择自动安全装置的防爆型式时，设计人员应该按照下列原则进行：

①对于“pb”级正压型电气设备，自动安全装置的防爆型式可以采用设备保护级别为 Ga(Ma)级或Gb(Ma)级的各种防爆型式。

②对于“pc”级正压型电气设备，自动安全装置的防爆型式可以采用所有设备保护级别的各种防爆型式。

另外需要指出的是，各种自动安全装置是正压保护系统必需的伺服单元;它们应该在正压保护系统投入工作之前、运行之中和停止工作之后提供可靠“服务”。因此，自动安全装置的电源不应该和主回路共用一个电源，至少应该设置在主回路的隔离开关或电源开关之前，这样就可以在主回路断电时仍然能够提供可靠的“服务”。

4.保护性气体

(I)气体种类

在正压型电气设备中使用的保护性气体，应该是一种非可燃性气体，它自身不应该被点燃。此外，保护性气体还不应该影响正压外壳、输送管道以及连接部件的可靠性，不应该影响电气设备的正常运行。

因此，清洁的空气，以及氮气等一些惰性气体，可以作为保护性气体。

这里应该指出的是，在使用惰性气体作为保护性气体时，应该警告人们，惰性气体有窒息的危险。

(2)气体温度

在正压外壳的进气口处，保护性气体的温度，通常情况下不应该超过40℃。

但是在在一般特殊情况下，保护性气体的温度可以较高一些，或较低一些，此时，人们应该把最高温度或最低温度标志在正压型电气设备的外壳上。有时人们还应该考虑如何避免因温度升高而影响电气元器件工作，或温度过低而出现凝露或结冰现象，以及温度离低交替变化引起的“呼吸”作用。

5.正压保护技术

从正压型电气设备的防爆原理可知，正压外壳内部的压力必须高于外壳外部的压力(大气压力或某个压力)，这样才能够防止外壳外部环境的可燃性气体进入外壳内部。GB3836.5《爆炸性气体环境用电气设备第5部分：正压外壳型“P”》指出，正压型电气设备外壳内任何池方的压力：对于“pb”级，大于等于50Pa;对于“pc”级，大于等于25Pa。

当正压型电气设备吹扫结束、正式起动之后，如果不采取相应的技术措施，由于正压外壳不可避免地会发生泄漏，因而外壳内部的压力就会降低，以至于降低到所要求的压力值以下，这是不允许的。

为此，人们可以采取所谓的“连续稀释式”正压保护技术或“泄漏补偿式”正压保护技术，来维持正压井壳内部所需的压力值。

(1)连续稀释式正压保护技术

连续稀释式正压保护是指，在正压型电气设备吹扫之后，连续地以一定流量的保护性气体输入正压外壳内，以使外壳内可燃性气体的浓度始终保持在其爆炸极限下限以下。

这种保护技术的特点是，在正压型电气设备吹扫之后允许保护性气体通过排气管道排放到外壳外部，但是不允许正压外壳内部的压力降低到正压规定值以下。

因而，对于这种正压保护技术，设计人员应该在正压型电气设备的排气管道的出口处设置一个所谓的“阻气门”，使排气管道的出口在这里突然变小，人为地给通过正压外壳的保护性气体气体流一个阻力。在保护性气体通过正压外壳的流量一定的情况下，阻气门使正压外壳内部建立一个比外壳外部高的压力，即所谓的“正压”。

此外，为了保持正压外壳内部的压力不低于相应的正压规定值，正压保护系统在正压型电气设备起动之后还必须连续地向正压外壳输送一定流量的保护性气体。

这种保护技术使用的保护性气体可以是空气，也可以是惰性气体。

(2)泄漏补偿式正压保护技术

泄漏补偿式正压保护是指，在正压型电气设备吹扫之后，对正压外壳供给一定数量的保护性气体，以补偿正压外壳及其连接的输送管道发生的任何泄漏，从而保持外壳内部所需的正压值。

对于这种保护形式的正压型电气设备，设计人员应该在正压型电气设备的排气管道的出口处设置一个截止阀;在吹扫之后，阀门就将排气管道封堵。但是，正压外壳及其输送管道在内部正压的作用下不可避免地会发生泄漏，因而外壳内部的压力就会下降，甚至下降到正压规定值以下。

所以。为了保持正压型电气设备内部的正压规定值，正压保护系统在正压型电气设备起动之后必须实时地补偿正压外壳内保护性气体的任何泄漏数量。

设计人员在正压型电气设备的进气管道人口处设置一个流量控制装置，在系统的其他自动安全装置的配合下，实时地向正压外壳内补充一定数量的保护性气体，以维持正压外壳内部的规定压力。这就是这种正压保护技术的特点。

这种保护技术使用的保护性气体可以是空气，也可以是惰性气体。

6.静态正压型电气设备的安全措施和安全要求

静态正压型电气设备是一种在爆炸性危险场所中正常运行时不需要补充保护性气体且能够保持正压外壳内正压压力的电气设备。这种电气设备，一般情况下不需要完全固定安装。

静态正压型电气设备，除应该符合正压型电气设备的一般要求外，还应该符合下列的专门要求和规定。

①正压外壳内不应该包含可燃性物质的内释放源。

②正压外壳内充入的保护性气体应该采用惰性气体，而且在惰性气体充入之后外壳内部的氧气浓度不应该超过1%(体积分数)。充入惰性气体的作业应该在非危险场所进行。

③在正压外壳上应该设置自动安全装置，例如压力传感器。对于“pb”级设备，应该设置两台这样的装置;对于“pc”级设备，可以只设置一台。当正压井壳内部的压力下降到规定值时，自动安全装置应该可靠地发出报警信号(声、光信号)，并自动地切断主回路的电源。

④在规定的不利运行条件下，正压外壳内部的正压值必须高于外部压力50Pa。

7.非静态正压型电气设备的安全措施和安全要求

非静态正压型电气设备是相对静态正压型电气设备而言的。这种电气设备在爆炸性危险场所中正常运行时需要实时地补充保护性气体，以维持内部的正压值。

非静态正压型电气设备，按照正压保护技术的不同，又分为连续稀释式正压型电气设备和泄漏补偿式正压型电气设备。

这种电气设备，包括保护性气体输送管道，应该牢固地安装在爆炸性危险场所中。

(1)正压保护与自动安全装置

根据正压型电气设备的设备保护级别(“pb”级或“pc”级)的不同，人们对于这种防爆型式的电气设备可以采用最高正压检测、保护性气体流量检测、最低正压检测和吹扫时间检测等安全措施和安全要求，对正压保护系统进行实时检测，进行随机保护。

对于“pb”级设备，保护系统应该设置4个自动安全装置，而且这些自动安全装置能够同时自动地实时检测保护系统，发出主回路启动指令，并在发生故障时及时地发出报警信号(声、光)，同时切断主回路的电源。

对于“pc”级设备，保护系统可以只设置2个自动安全装置，它们能够自动地检测保护系统中有关数据，必要时发出报警信号(声、光)。人们根据这些装置的检测数据来自动地或手动地控制主回路。

(2)检测最低正压和气体流量

在防爆正压柜外壳内必须保持一个最低正压，即外壳内保护性气体的压力必须离于外壳外部的压力(可以是大气压力，也可以是某个压力)。这样才越够阻止外壳外部的可燃性气体进入外壳内部，保证这种防爆型式的电气设备的防爆安全性能。

1)“pb”级电气设备

对于“pb”级电气设备来说，在正压保护系统中，自动安全装置应该使用压力传感器来实时监测正在运行中的正压型电气设备及相应的输送管道中可能出现的最低正压值，并在规定的情况下发出指令(输出电信号，报警并切断电源)。

自动安全装置的压力传感器应该直接从正压外壳中获取压力信号，在传感器和外壳之间不要设置任何阀门。

此外，自动安全装置还应该使用气体流量计来检测正压外壳排气口处保护性气体的流量。在设备即将起动时，一旦气体流量大于规定的最小流量时，流量计便向定时器发出预起动指令;或者，在设备正常运行时，一旦气体流量小于规定的最小流量时，流量计便发出指令。使正压保护系统动作，切断主回路。

2)“pc”级电气设备

对于“pc'’级电气设备来说，假若正压外壳不配置自动安全装置，它应该配置一个显示器。显示器的取样点应该设置在设备处于最恶劣的运行条件下外壳内的最低压力点，随时显示外壳内的压力值。在显示器和外壳之间不应该配置任何阀门。

另外，在“pe”级电气设备内，假定采用流量计来显示外壳内的压力和流量时，则流量计应该安装在外壳的排气口处;假若采用流量计仅仅是为了显示压力，那么，它可以安装在外壳内除进气口以外的任何最低压力点处。

除此之外，为了保证“pc”级正压外壳内的最低正压值，设计人员还应该在保护性气体的供气体上配置报警装置，实时监测供气源的工作状态(压力和流量);当供气源出现故障时报警装置就向人们发出警示信号，例如发出声、光报警信号。由于“pc”级电气设备不是完全自动控制的系统，因而实时监测供气源的工作状态是十分重要的;假若供气源临时出现故障，在人工监测疏漏时，正压保护系统将会失效，直接影响工业现场的安全。

(3)检测吹扫(换气)时间

对于正压型电气设备来说，吹扫(换气)时间是一个相当重要的安全指标。吹扫是指在正压型电气设备起动前用保护性气体充入正压外壳内置换外壳内部的可燃性气体的过程。吹扫结束后正压外壳内充满了保护性气体，此时才允许对设备通电，启动设备。

吹扫(换气)时间是指对正压外壳充入5倍外壳(包括输送管道)容积的保护性气体量所需的时间。显然，吹扫时间与充入正压外壳的保护性气体的压力、流量有关。

当防爆正压柜外壳内的正压值不低于最低正压规定值、保护性气体的流量不低于设计的最小流量值时，吹扫(换气)时间可以按照下式计算求得。

通常情况下，吹扫时间由两部分组成：正压型电气设备自身的和相连保护性气体输送管道的。正压型电气设备自身的吹扫时间(正)由制造商计算确定，输送管道的吹扫时间由使用者计算确定。而且，由使用者将这两个时间加在一起作为正压保护系统的总的吹扫时间(T=Tl+r2)，并标志在正压型电气设备的显著部位。

对于“pb”级电气设备来说，检测吹扫时间由在电路中接入的定时器完成。当定时器收到最低正压检测装置“与”流量检测装置发出的信号后，它便开始自动计时。一旦计时时间达到规定值(吹扫时间)，定时器便向主回路启动装置发出主回路合闸供电指令。

对于“pc”级电气设备来说，允许在正压型电气设备上标志出保护性气体的最小流量和吹扫时间。人们可以通过实测保护性气体的压力、最小流量和吹扫时间来确定何时对设备通电(自动或手动)，启动正压型电气设备。

8.内含释放源的正压型电气设备的安全措施和安全要求

在现代化工企业中和其他存在可燃性气体和(或)易燃性液体的生产环境中，由于工艺流程的需要，往往有一些含有可燃性气体和(或)易燃性液体的工艺管道需要通过一些电气装置(设备)。这些工艺管道在正压型电气设备中就可能是一种所谓的可燃性气体和(或)易燃性液体的内释放源。

通常情况下，能够形成内释放源的正压型电气设备内的工艺管道部分被称为所谓的“内置系统”。

(1)内置系统及其释放工况

根据内置系统结构的可靠程度和控制系统的设置状态，可以把内置系统分为无故障内置系统和有故障内置系统。因此，人们也把正压外壳内的内释放情况分为无释放工况和有限释放工况。

1)无故障内置系统及其无释放工况

当内置系统为无故障内置系统时，这种内置系统不会向正压外壳内释放出可燃性物质。

要想使内置系统不释放出可燃性物质，一是必须保证内置系统在任何情况下都不发生故障，二是内置系统设置自动安全装置对系统进行保护。

①对于前者，由于内置系统的结构十分可靠，它不可能造成内置系统中的可燃性物质发生任何释放和泄漏。

②对于后者，当设备在规定的极限温度和正常运行条件下正压外壳内的最低正压比内置系统中可燃性气体(易燃性液体或蒸气)的最高压力高出50Pa时，便可以认为这种内置系统不会发生任何释放和泄漏。当正压外壳内和内置系统内的压差小于50Pa时，自动安全装置应该立即可靠地进行报警并切断相应的电源。

还应该指出，当通过内置系统的可燃性气体混合物的浓度自始至终都低于其爆炸极限下限时，这种内置系统也被认为是无故障内置系统，是不会发生任何释放和泄漏的，因为这种混合物无论如何也不可能发生燃烧和爆炸。

2)有故障内置系统及其有限释放工况

当内置系统为有故障内置系统时，这种内置系统将会向正压外壳内释放出一定数量的可燃性物质。

内置系统的这种有限释放工况又分为可燃性气体的有限释放和易燃性液体的有限释放。

①对于可燃性气体的有限释放，在所有可能发生的故障状态下从内置系统中释放出可燃性气体的流量是可以预计的。在最坏的情况下，这个流量应该是进入内置系统的流量。

②对于易燃性液体的有限释放，和可燃性气体的有限释放一样，释放时正压外壳内的液体流量也是可以预计的。但是，人们应该考虑到，这些释放到正压防爆柜外壳内的液体在正压外壳内积聚后可能造成的严重后果。此外，如果这些液体可能释放氧气，则人们还应该预计氧气的最大流量。

在分析了内置系统的释放工况以后，人们就可以采取相应的技术措施，保证包含内释放源的正压型电气设备的运行安全性。

(2)内含释放源的正压型电气设备正压保护技术的特殊性

对于这种内含释放源的正压型电气设备，设计人员应该尽可可能采用连续稀释式正压保护技术，在特殊情况下，也可以采用泄漏补偿式正压保护技术。

由于内释放源释放的可燃性物质的特性不同，所以，这些正压保护技术还具有一定的特殊性。

1)采用连续稀释式正压保护时

在连续稀释式正压保护的情况下，不管内释放源是正常的还是异常的有限释放工况，当释放气体的爆炸极限上限小于80%时，保护性气体既可以是空气，也可以是惰性气体;当释放气体爆炸极限上限大于80%时，保护性气体只能是空气。

在有限的可燃性气体(或蒸气)释放情况下，假若内置系统发生了严重的故障，连续稀释时保护性气体的流量仍然应该把释放出来的可燃性气体稀释到下列状态：

①当保护性气体是空气时，释放出来的可燃性气体的浓度被稀释到不超过其爆炸极限下限的25%(体积分数)。

②当保护性气体是惰性气体时，释放出来的可燃性气体被稀释到其氧气含量不超过2%(体积分数)。

③当释放出来的可燃性气体的爆炸极限上限大于80%(体积分数)时，人们应该使用空气把它稀释到不超过其爆炸极限下限的25%(体积分数)。

④在有限的易燃性液体释放情况下，保护性气体应该采用惰性气体。用惰性气体把释放出来的易燃性液体的蒸气连续稀释到其氧气含量不超过2%(体积分数)。

2)采用泄漏补偿式正压保护时

在泄漏补偿式正压保护的情况下，不管内释放源是正常的还是异常的有限释放工况，保护性气体都应该是惰性气体。

泄漏补偿式正压保护只适用于内释放源释放的爆炸极限上限不超过80%(体积分数)的可燃性气体，而且正压补偿之后外壳中混合物的氧气含量不应该大于2%(体积分数)。

这种正压保护方式不适用于爆炸极限上限超过80%(体积分数)的释放物质。因为可燃性气体的爆炸极限上限大于80%(体积分数)时，它与不大于4%(体积分数)的氧气在具有足够能量的点燃源作用下便可以发生燃烧。这是一种非常危险的可燃性物质。

这里定义的氧气浓度不大于2%(体积分数)，就是这个道理。

不管是连续稀释式正压保护，还是泄漏补偿式正压保护，之所以可以采用惰性气体作为保护性气体，是因为在一定的条件下，惰性气体可以稀释可燃性气体空气混合物中的氧气含量。因为在氧气含量不足的情况下，无论如何，爆炸是不会发生的。

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