防爆原理介绍

防爆原理及防爆知识介绍
Pepperl+Fuchs公司
爆炸是怎样发生的？
当下列三个条件同时满足时，爆炸就会发生：
1. 现场存在易爆物质，如易爆气体。

2. 现场存在氧气。

3. 现场存在引爆源，如足够能量的火花或足够高的物体表面温度。

仪表防爆原理
显然，消除上述三个条件中的任何一个，就能防爆。

由于氧气无处不在，难以控制。

所以，控制易爆气体和引爆源为两个最常用的防爆原理。

而在仪表行业还有第三个原理，即控制爆炸范围。

原理一控制易爆气体
人为地在危险现场营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装其中。

典型代表为正压型防爆方法EX p。

工作原理是在一个密封的箱体内，充满不含易爆气体的洁净空气，并保持箱内气压略大于箱外气压，而将仪表安装在箱内。

常用于在线分析仪表的防爆和将计算机、PLC、操作站、打印机或其他置于现场的正压型防爆仪表盘。

P+F公司出品用于正压型防爆的智能型正压控制设备，只需配备防护等级为IP65的机箱即可制成正压型防爆仪表盘。

原理二控制爆炸范围
人为地将爆炸局限在一个有限的范围内，使该范围内的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。

典型代表为隔爆型防爆方法EX d。

工作原理是为仪表设计一个足够坚固的外壳或将仪表及电器安置在一个足够坚固的壳体内、严格地按标准设计、制造和安装所有的界面，使在机壳内发生的爆炸不至于引发机壳外危险性气体的爆炸。

显然，这是一种苛刻的防爆方法。

不仅设计和制造的规范及其严格，而且安装、接线和维修的操作规程也是非常严格，容不得一点差错。

原理三控制引爆源
人为地消除引爆源，既消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的仪表表面温升。

典型代表为本质安全防爆方法EX i。

工作原理是利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内。

依照国际标准和中国国家标准，当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法确保现场的防爆安全。

Ex ia级本质安全设备在正常工作、发生一个故障、发生两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。

本质安全防爆方法确保对现场仪表进行带电拆装、检查和维修时的防爆安全。

显而易见，本质安全法是最安全可靠的防爆方法。

因此，被允许用在最危险的场合。

危险场合危险性的分级
那么，如何评价现场的危险性呢？国际上基本上分为两种危险场所分级方法。

中国和世界上大部分国家一样，将存在有危险性气体混合物的危险场所分成三个等级区域：Zone 0：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。

Zone 1：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。

Zone 2：在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。

此外，中国将存在尘埃状爆炸性混合物的危险场所分成两个等级：
Zone 10：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物，可能连续地、短时间频繁地出现或长时间存在地场合。

Zone 11：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。

欧洲和IEC对危险场合危险性的分级，在爆炸性气体混合物存在场所方面与我国基本相同。

而在爆炸性粉尘云和可燃性尘埃积累的危险区域分级方面，则分为Zone 20、Zone 21、和Zone 22，与爆炸性气体混合物存在场所的分级相对应。

为了方便实际操作，欧洲还对爆炸性气体或粉尘混合物的存在时间作如下描述：
Zone 0 和 Zone 20：每年存在1000小时以上。

Zone 1 和 Zone 21：每年存在10－1000小时。

Zone 2 和 Zone 22：每年存在不到10小时。

北美的美国和加拿大与众不同，将爆炸性气体或粉尘混合物存在场合的分为两级：
Division 1：在此区域内气态和尘埃状的爆炸性混合物连续地、经常性地、较长时间地存在。

或者说每年存在100小时以上。

Division 2：在此区域内气态和尘埃状地爆炸性混合物偶尔、间断性地、短暂地存在。

或者说每年存在不超过100小时。

防爆方法对危险场合的适用性
依照中国和欧洲的标准规范，各等级危险场合所适用的防爆方法如下：
Zone 0 Ex ia 本质安全型防爆方法
Ex s 经特别认证的特殊型防爆方法
Zone 1 适用于Zone 0的防爆方法
Ex ib 本质安全型防爆方法
Ex p 正压型防爆方法
Ex d 隔爆型防爆方法
Ex e 增安型防爆方法
Ex m 浇封型防爆方法
Ex q 充砂型防爆方法
Ex o 充油型防爆方法
Zone 2 适用于Zone 0/1的防爆方法
Ex n 无火花型防爆方法
依照美、加标准规范，每款防爆仪表均会标明适用于Division 1或Division 2。

而本质安全型防爆方法适用于所有的危险场合。

可以看出，允许选用何种防爆方法完全取决于仪表被安全在哪个等级的危险场合下。

本质安全防爆方法被允许用在任何危险场合。

还可以看出，允许选用何种防爆方法并不直接取决于现场存在的爆炸性混合物的危险性。

例如，如果需要将仪表安全在Zone 0，则即便所涉及的爆炸性气体并不是最危险的，也必须选用本质安全型防爆方法。

爆炸性气体危险性的分类
各种防爆方法均根据爆炸性混合物的危险性决定了具体的防爆安全参数。

本节着重介绍对气体爆炸性混合物危险性的评价和分类。

评价爆炸性气体的危险性，主要考虑该气体与爆炸可能性有关的三个特性：
1. 爆炸性气体与空气混合的可爆浓度范围。

这种可爆范围约宽，则该气体就越危险。

例如，氢气
与空气的混合浓度从大约4％至75％均有可能爆炸；而丙烷的可爆浓度则为大约2％至9％。

可见，从这一点来评价，氢气的危险性远大于丙烷。

2. 爆炸性气体与空气的混合气体对引爆火花能量的敏感性。

可能引爆的火花能量越小，则该气体
就越危险。

例如，氢气与空气混合后的最小引爆火花能量为0.019mJ；而乙烯与空气混合后的最小引爆火花能量为0.060mJ。

所以，从这一点来评价，氢气比乙烯更危险。

3. 爆炸性气体与空气的混合气体对物体表面温度的敏感性。

可能引爆的物体表面温度越低，则该
气体就越危险。

例如，硝酸乙酯与空气混合后，遇到100°C物体表面就可能爆炸。

而氢气与空气混合后，即便遇到500°C的物体表面也不可能爆炸。

显然，如果单从这一点来评价，氢气又不那么危险了。

实际上，上述三个特性中的第一个与后两个之间存在某种联系。

只要控制了爆炸性气体混合物的最小引爆火花能量和最低引爆物体表面温度，则整个可爆范围便可都得到控制。

而后两个特性是相互独立、不存在联系的。

所以，对爆炸性气体的分类就分别根据后两个特性而做出。

根据可能引爆的最小火花能量，中国和欧洲及世界上大部分国家和地区将爆炸性气体分类为四个危险性等级：
工况类别气体
分类代表性气体最小引爆火花
能量
矿井下I 甲烷0.280mJ
IIA 丙烷0.180mJ 矿井外的
工厂IIB 乙烯0.060mJ
IIC 氢气0.019mJ
美国和加拿大首先将散布在空气中的爆炸性物体分成三个CLASS：
CLASS I 气体和蒸汽
CLASS II 尘埃
CLASS III 纤维
然后再将气体和尘埃分成Group：
Group 代表性气体或尘埃
A 乙炔
B 氢气
C 乙烯
D 丙烷
E 金属尘埃
F 煤炭尘埃
G 谷物尘埃
根据气体对物体表面温度的敏感性，国际上将爆炸性气体分成六个温度组别：
温度组别安全的物体
表面温度
155种常用爆炸性气体的
举例
T1 ≤ 450°C 氢气，丙烯腈等46种
T2 ≤ 300°C 乙炔，乙烯等47种
T3 ≤ 200°C 汽油，丁烯醛等36种
T4 ≤ 135°C 乙醛，四氟乙烯等6种
T5 ≤ 100°C 二硫化碳
T6 ≤ 85°C 硝酸乙酯和亚硝酸乙酯
在温度组别的划分上，世界各国基本一致。

美国和加拿大只是在上述六个大组基础上，对几个组别又进行了细分而已。

上表可见，常见爆炸性气体中的绝大多数属T4以上温度组别。

T5和T6总共只有3例。

仪表的防爆标志
在防爆型仪表的铭牌和样本或产品说明书中必须标注防爆标志。

而了解上述防爆基本知识的实用意义正在于识别仪表的防爆标志，从而对仪表的可安装区域和可涉及的爆炸性气体一目了然。

例一：Ex ia IIC T6
这例防爆标志属于中国认证的防爆仪表，其具体内容含义为：
标志内容符号含义
防爆声明Ex 符合某种防爆标准，如中国
国家标准
防爆方法Ia 采用ia级本质安全防爆方
法。

可安装在Zone 0
气体类别IIC 可用于IIC类爆炸性气体
温度组别T6 仪表表面温度不超过85°C
例二：Ex de(ib)IIC T4~T6
该仪表符合某种防爆标准（如中国国家标准），并同时采用了隔爆、增安和ib级本质安全防爆方法，可涉及IIC类气体，且仪表表面温度不超过85～135°C。

如某款电磁流量変送器采用隔爆供电、增安接线盒、ib级本安信号。

当使用环境温度范围高限为40～80°C时，仪表表面温度不超过85～135°C。

例三：Division1；Class I Group ABCD；T6
该仪表符合美国和加拿大防爆标准，可安装在Division 1，可涉及A、B、C、D组别的气体，仪表表面温度不超过85°C。

这是美加标准认证的最高级别的防爆仪表。

通常用文字说明其具体防爆方法。

欧共体ATEX防爆认证及其防爆标志简介
欧共体国家自2003年7月1日起强制执行ATEX防爆认证。

未取得ATEX认证的防爆仪表不得在欧共体国家销售和新安装。

与过去的防爆认证相比，ATEX认证对防爆仪表制造工厂的生产条件和生产质量评估设置了更严格的要求，从而为防爆仪表的生产许可设置了更高的门槛。

P+F公司严格遵循欧共体新标准，现行销售的安全栅产品全部获得ATEX认证。

某产品是否取得ATEX认证很容易识别，因为ATEX认证的防爆标志特征明显。

例四： II (1) G D [EEx ia] IIC
这是一个典型的安全栅ATEX认证防爆标志。

其中前半部分 II (1) G D是ATEX认证所增加的标志，明确描述了该仪表被认可的应用场合。

后半部分[EEx ia] IIC则延用以前的欧洲防爆标志。

具体含义说明如下：
：ATEX认证的防爆标志总是以此标识开头。

II：用于除矿井以外其他场合的设备。

ATEX规定了“I”和“II”两个设备组别。

I组是用于矿井下的设备。

除此以外均为II组。

1：可应用在危险区Zone 0和Zone 20的设备。

ATEX将防爆设备分成1、2、3大类。

1类设备可用于Zone 0和Zone 20；2类设备可用于Zone 1和Zone 21；3类设备可用于
Zone 2和Zone 22。

( )：表示被认证设备所关联的现场设备为括号内所示类别。

GD：被认证设备可涉及爆炸性气体和尘埃。

ATEX认证明确标注被认证设备可涉及的爆炸物形态。

G为气体，D为尘埃。

EEx：符合欧洲标准。

ia：本质安全防爆ia级。

ATEX防爆标志在此描述所采用的防爆方法。

[ ]：表示被认证设备为本安防爆的关联设备。

IIC：可涉及IIC类气体混合物。

例五： II 2 G D EEx de IIC T4
这是某现场仪表的ATEX认证的防爆标志。

其含义为：ATEX认证防爆设备；用于除矿井以外的工厂；可用于危险区Zone 1和Zone 21；可用于气体防爆和尘埃防爆；符合欧洲标准；采用隔爆和增安型两种防爆方法；可涉及IIC类气体；表面温度不超过135°C。

本质安全防爆方法
本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内，从而消除引爆源的防爆方法。

对于仪表检测和控制回路而言，能量限制首先意味着限制电压和电流。

又由于电容和电感能够储存和释放能量，因此电容和电压也须限制。

实践中，人们利用火花试验装置，通过实验确定对不同危险类别气体的电能量限制参数。

国际标准和中国国家标准中给出的常用电能量引爆曲线有电压电流引爆曲线，电压电容引爆曲线和电流电感引爆曲线等。

根据这些曲线，再考虑1.5倍的保险系数，人们便可以确定在涉及某类气体时，对指定回路的电能量限制参数。

例如，涉及IIC类气体（如氢气）时，对标称24VDC供电的回路（如変送器、电气转换器、电磁阀等）通常设定限压值为28V。

依此限压值查电压电流引爆曲线，并考虑1.5倍的保险系数，可确定此时的限流值应为119mA。

依28V限压值并考虑1.5倍的保险系数后，查电压电容引爆曲线，可确定回路电容值应限制在0.13μF。

依119mA限流值，并考虑1.5倍的保险系数后，查电流电感引爆曲线，可确定回路电感值应限制在2.55mH。

为限制仪表的表面温度，除需限制回路的开路电压和短路电流外，还要限制回路的最大功率。

本质安全仪表和安全栅的防爆参数认证
本质安全防爆回路，总是由一个本安现场仪表和作为回路限能关联设备的安全栅配合组成。

当现场仪表所产生或储存的电能量不超过1.2V，0.1mA，20μJ和25mW时，被称为简单仪表。

简单仪表无须本安认证，即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。

常见的简单仪表有：。