化工装置防爆电气设备的防爆型式与选型原则

导读

在常见的化工装置中，根据介质的情况，大多数化工装置都是位于爆炸危险性区域内，因此仪表及电气设备应根据气体环境等级，采用本安或隔爆等不同的防爆措施。但有时由于概念混淆不清，易引起一些设备类型的高选，如通常会将本安信号接入增安型接线箱，隔爆信号接入隔爆型接线箱，而这种做法是否正确且为最优设计选择还需要深入探讨，本文将从GB 3836-2010《爆炸性环境》入手，结合GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》对增安型及隔爆型接线箱的选择加以介绍和推荐。

爆炸危险环境和爆炸物性质的分类

首先，爆炸危险区域的定义是爆炸性混合物出现的或预期出现的数量达到足以要求对电气设备的结构、安装和使用采取预防措施的区域。所谓爆炸性环境即在大气条件下，气体、蒸汽、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物引燃后，能够保持燃后自行传播的环境。因此，爆炸性环境主要分为气体环境和粉尘环境，本文将以爆炸性气体环境为主要介绍对象。

01

气体环境分区

爆炸性气体环境即在大气条件下，气体或蒸汽可燃物质的混合物被点燃后燃烧将传至整个未燃烧混合物的环境，根据气体混合物出现的频繁程度和持续时间，按下列规定可分为三个气体环境分区：

1）0区。连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境。

2）1区。在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境。

3）2区。在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在。

02

爆炸性物质的分类、分级和分组

按照爆炸性物质分为三类：

I类为煤矿瓦斯气体；

II类为工厂中的爆炸性气体、蒸汽；

III类为爆炸性粉尘及可燃纤维。

II类爆炸性气体混合物，按其最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MCIR），分为A，B，C3个级别；根据气体对物体表面温度的敏感性，将爆炸性气体引燃温度分为6个组别，分为T1~T6。点燃特性按爆炸性物质I类~III类考虑，由难到易。

03

爆炸产生的基本原理

爆炸的产生必须存在三个条件即爆炸三角形原理，如图1所示。

首先，现场应存在可燃性物质，它是指物质本身是可燃的，并且能够产生可燃性的气体、蒸汽或者在空中可悬浮的固体微小颗粒；其次是现场存在助燃物质即氧气或空气；最后是现场存在引爆源，也就是存在足够能量的火花或足够高的物体表面温度，一般点燃源的基本类型有热源即明火、阳光等，还有短路、静电放电产生的电火花，以及摩擦锤击产生的机械火花，都可成为点燃源。

因此若想防止爆炸产生，即使消除上述条件中任意一个，就可达到防爆目的。一般情况下氧气无处不在且难以控制，故控制可燃性气体及点燃源便成为最常用的防爆原理，下文中将详细阐述各种防爆型式。

防爆电气设备的防爆型式

防爆电气设备按其防爆原理不同，可分为不同的防爆型式，依照规范标准，各个危险场合适用的防爆方法如下文所述。

01

隔爆型“d”

具有隔爆外壳的电气设备称为隔爆型电气设备，其隔爆外壳能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物的传播，即会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。

02

增安型“e”

增安型电气设备是一种在正常条件下不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温的设备结构上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和认可的过载条件下出现这些现象的电气设备，它是一种依靠高质量的材料、设计和装配来消除电火花或局部过热的结构技术。

03

本质安全型“i”

本质安全型设备是指其内部的所有电路都是本质安全电路的电气设备，在正常工作和规定的故障条件下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路，称为本质安全电路。本质安全是基于限制电气线路中储能原理为基础的防爆技术，按本质安全电路使用场所和安全程度分为iA，iB和iC三个等级。

04

正压型“p”

具有正压外壳的电气设备称为正压型电气设备，即该外壳能保持内部气体的压力高于周围爆炸性环境的压力，且能阻止外部混合物的进入。

除以上介绍的防爆型式外，还有充砂型、油浸型、浇封型、无火花型等不同防爆原理下的防爆类型，由于在仪表选型中涉及不多，此处不再逐一介绍。

电气设备的选型原则

通常，爆炸危险区域的划分范围及等级的确定应符合相关规范，并应根据爆炸性物质的释放量、释放气体的相对密度、爆炸下限等一系列影响因素，以确定爆炸危险区域。在危险区域划分后，其爆炸危险区域划分图便可作为在该装置或范围内的电气设备选型依据。在爆炸危险范围内的，应遵循规范安装相应的防爆电气设备；爆炸危险区域以外的地方，可以安装非防爆的电气设备。因此选择的电气设备必须与爆炸性混合物的组别、点燃温度以及危险区域级别相适应，否则将不能保证其安全性。因此，可从以下几个方面考虑防爆电气的选型。

01

电气设备保护级别

爆炸危险环境可分为爆炸性气体环境或爆炸性粉尘环境，不同的爆炸性物质对电气设备的防爆结构要求不同。通常所涉及的防爆设备大多在爆炸性气体环境中使用，因此在选型时应先明确其使用环境。本文以下内容仅讨论爆炸性气体环境中相关选型要求。

在第2章中详细介绍了各种防爆型式，但并不是每种型式都能提供相同的防爆等级，因此引入设备保护级别（EPL）的概念，从而为防爆电气设备的选型提供又一标准。依据统计学原理，即爆炸性环境出现的可能性和频次的多少，考虑设备要求的安全程度高低，从而避免点燃源可能形成的点燃危险。爆炸性气体环境下，设备保护级别分为Ga，Gb和Gc，其保护级别依次减弱。Ga级设备在正常运行或罕见故障发生的时候，其不会成为点燃源；Gb级设备在正常运行或预期故障发生的时候，不是点燃源；Gc级设备在正常运行中不是点燃源，同时也可采取一些附加保护措施，使其在点燃源预期经常出现的情况下不会形成有效点燃。因此在确认爆炸危险区域后，可根据相关规范中的规定，选择适用于该区域内的相应设备保护级别的电气设备，爆炸性环境内电气设备保护级别与危险区域的对应关系见表1所列。

表1 爆炸性环境内电气设备保护级别的选择
危险区域 设备保护级别 0区 Ga 1区 Ga或Gb 2区 Ga、Gb或Gc

电气设备保护级别与电气设备防爆型式的关系见表2所列。

表2 电气设备保护级别与电气设备防爆型式的关系
设备保护级别 电气设备防爆结构 防爆型式 Ga

本质安全型，浇封型等

Ia,ma等 Gb 隔爆型，增安型等 e,d等 Gc 无火花型等 p等 根据表1和表2综合考虑可知，针对不同的爆炸危险区域可选用相对应的防爆型式的电气设备，即0区可选用本安型； 1区可选择隔爆型、增安型等及适用于0区防爆形式的电气设备； 2区可用无火花型及适用于0区和1区防爆形式的电气设备。

02

根据气体或蒸汽的引燃温度选择

由于多种爆炸性气体（蒸汽）的点燃温度各自不同，控制点燃源的最高表面温度也是重要的一种防爆手段。由前文可知，引燃温度是易燃性物质的气体或蒸汽与空气形成的混合物的规定条件下被热表面点燃的最低温度，所以防爆电气设备的表面温度最高不应超过当前环境下爆炸性气体的引燃温度，从组别T1到T6防爆等级要求依次提高，遵从以上要求并结合表1选型。气体或蒸汽的引燃温度与设备温度组别之间关系见表3所列。

表3 气体或蒸汽的引燃温度与设备温度组别之间的关系
场所分类要求的温度组别 气体或蒸汽的引燃温度/°C 允许设备的温度组别 T1 ＞450 T1~T6 T2
＞300 T2~T6 T3 ＞200 T3~T6 T4 ＞135 T4~T6 T5 ＞100 T5~T6 T6 ＞85 T6

03

根据气体或蒸汽的分级选择

防爆设备选型的级别及组别不应低于该爆炸危险环境内爆炸性物质的级别及组别，并且当该环境下存在两种或以上可燃性物质形成的爆炸性气体混合物时，应按照混合后的爆炸性气体混合物的级别和组别，选择相应的防爆电气设备，若混合爆炸性气体级别等无据可查时，可按照较高级别和组别的气体性质，选择相应类别的防爆电气。气体和蒸汽与电气设备类别的关系应符合规范中的要求，详见表4所列。

表4 气体、蒸汽或粉尘分级与电气设备类别的关系

气体、蒸汽或粉尘分级 设备类别 IIA IIA、IIB或IIC IIB IIB或IIC IIC IIC

除以上提及的几点重要选型原则外，还应考虑周围环境如防尘、防腐、温度、湿度及大气压；设备选型是否符合经济性原则，即在同等级别及防护要求下，综合考虑各个产品的价格、使用寿命、运行维护费用等因素；设备选型是否便于维护，即在同等条件下，应选结构简单，质量小的产品，选择适用于当下环境的设备且避免不必要的高选。

接线箱的选择

01

接线箱介绍

接线箱主要作用是用于线路过渡连接的箱体，其内部安装有端子排、接地螺栓，箱体上配有进线密封格兰。除普通的接线箱外，还有带轨道可安装轨道式温度变送器的接线箱。所有接线箱进出线口的方向、数量、进线口大小及内部端子数量可根据需求进行调整变化。接线箱外壳材质也有多种选择，可根据实际的要求选择不同材质的接线箱。通常在化工装置内现场仪表种类较多造成电缆过多，设置接线箱使其达到整齐统一，降低电缆费用，且预留接线为后期增加仪表提供便利。一般工程设计中，对接线箱做出统一性的要求，如接线箱尺寸、本体材质、进出线口的数量及规格，以及要求每个接线箱配仪表位号的铭牌接地端子等。

02

不同类型接线箱的使用及选择

接线箱的选择也要根据其具体的环境要求，选择相应类型的接线箱。常用接线箱按其使用范围不同常分为防水、防尘、防腐接线箱，即普通接线箱和防爆接线箱。防爆接线箱又根据其不同防爆型式分为很多种，但无论是防爆接线箱还是防水、防尘、防腐接线箱，它们的基本功能都是一样的。

防爆接线箱是各种危险区域所使用的特殊设备，通常采用铝合金压铸或者是采用不锈钢焊接而成，从而能够起到防爆的接线箱。防爆接线箱的分类有隔爆型与增安型，无论哪一种防爆形式，所允许使用的最高防护级别，即能够适应的爆炸性气体环境，都必须经过严格的评定、认证。根据环境的要求不同，可以选择不同类型的接线箱。防爆型接线箱主要使用在爆炸性气体环境区域，它能够起到将防爆接线箱内与外环境完全隔开，而且箱体具备非常强的抗压能力。防水、防尘、防腐接线箱一般采用的是防腐蚀性超强的材质，如玻璃纤维不饱和聚酯树脂，设计上采用的是密封防水、防尘技术。综上所述可以得出：防爆接线箱与防水、防尘、防腐接线箱的不同点主要在于使用的环境不一样，其他功能大多是相同的。

在爆炸危险环境中，接线箱的防爆类型的选择结合前文表2，表3可知，在1区环境下，隔爆型和增安型接线箱都可选用，下面将详细讲述两种接线箱的差别及选用。

①隔爆型接线箱

隔爆型接线箱是通过ATEX或IECEX防爆认证的防爆接线箱，防爆原理是通过箱体隔爆面阻止和隔断内部的爆炸向外部爆炸危险环境传播，即通过箱体有效地隔离和熄灭爆炸火花，并且将温度降低至当前环境下安全的温度组别，因此该接线箱的隔爆接合面宽度、接合面间隙及表面的粗糙度均为隔爆的重要参数，外壳材质多为铸铝合金。内部接线端子采用标准中规定的I、II级绝缘材料，且接线端子间及端子与金属箱体间的电气间隙满足规范要求，以确保该接线箱可用于1区及2区环境，电缆通过导线管或防爆格兰接头接到接线箱的内部，对于不安装电缆的接线口，可通过安装有防爆认证的堵头来满足安全等级需要。

②增安型接线箱

增安型接线箱也是防爆接线箱的一种形式，由上文所述可知，防爆原理是在正常运行条件下不产生电弧、火花或者能点燃爆炸性混合物的设备结构上，采取相应措施提高其安全程度，防止以上情况产生的防爆接线箱。按照规范说明其可用于1，2区，它的结构不同于隔爆接线箱，其接线箱外壳不要求具有承受内部爆炸的强度，但应该满足规定中要求的能承受一定程度的机械性冲击破坏，外壳材质通常为不锈钢。接线箱内接线端子为经认证的增安型端子排，以及电缆接口应为增安型电缆格兰。

对比两种防爆类型的接线箱，其差异基本在于由防爆原理不同产生的结构差异，隔爆型接线箱对箱内的端子排无认证要求，只需满足材料及间隙位置要求即可，但接线箱的进线格兰应保证为隔爆型；增安型接线箱的端子排应为认证的增安型。

③接线箱选用

在化工装置中，爆炸危险区域划分多为1区、2区，根据前文介绍的两种隔爆类型的接线箱均可运用于实际项目中，在非爆炸危险区域选择防水、防尘、防腐的普通接线箱即可，那么隔爆类型的接线箱由于价格及体积结构上的差异，如何在实际项目中合理选择就成了一个问题。并且对于刚接触仪表行业的工程师来说，若对此不深究的话，可能会单纯的从名称上认为隔爆信号的电缆应该接入隔爆型接线箱，而其余的本安信号及非隔爆信号电缆就应接入增安型接线箱，这是正确但并不是绝对合理的选择。从爆炸危险区域电气设备选型原则来看，接线箱类型的选择只与其所在位置环境的危险区域等级有关而与其究竟连接何种信号无关，因此在可用的危险区域内隔爆信号电缆接入增安型接线箱。另外，从前文提到的可维护性来看，隔爆型接线箱对隔爆面要求很高，同时，隔爆型接线箱体积及质量也比增安型接线箱大很多，不便于安装与搬运。因此，在安装及后期开箱检查等方面可操作性较增安型接线箱来说更难一些；另外从经济性方面考虑，隔爆接线箱的金属材料需求量大，并且由于隔爆面要求高，则加工精确程度也远高于增安型接线箱，因此其价格也是增安型接线箱的几倍。

在目前的化工装置中大多项目都采用增安型接线箱，隔爆型接线箱相对使用较少。通常会在设计阶段中，规定对于接线箱要求选型为增安型隔爆接线箱的，本安信号要求其对应接入的接线箱内端子为蓝色，本安电缆颜色要求为蓝色，对隔爆信号并无特殊要求，隔爆信号电缆颜色为黑色。

来源：化工活动家

中国化学品安全协会

编辑：佑安

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