技术前沿

本质安全和高频——高于工业交流电频率的电路引燃特性

字号+ 作者: 来源: 2010-03-22 13:39 我要评论( )

 

技术科学和现在称为“本质安全”防爆措施的标准来源,二者均可追溯到煤矿瓦斯危险区域中电气装置的使用。由普鲁士矿井瓦斯委员会委托的基础性试验,1886年在亚琛(Aachen)工业大学进行,1898年在BVS进行的后续试验仍然得出结论:“每一电火花都能够引起爆炸”。它是Wheeler教授根据19131014发生在Senghenydd煤矿的爆炸事故(导致439人死亡)所进行的基础性研究。该研究为试验确定通信及仪表设备中电火花引燃极限打下了基础。以此项研究结果为基础制订了英国标准BSl2591945,迄今为止,这项试验研究结果仍被全文引用到ATEX指令949EC要求的“基本健康与安全要求”中的试验说明中。惠林和BVS主任拜林的密切合作研究的结果,甚至在VDE01701926中就规定了设备中不能引起爆炸的火花的极限值。

1  用于直流电和工业交流电的火花试验装置

Wheeler使用的试验装置在许多国家经过了多次改进,得到了进一步发展。在英国,该装置为“Brealdlash No3;在法国,为“Kclateur Rapide",用于国家标准中的本安试验。据报道,俄罗斯的该类装置,是用步枪子弹击碎导体而产生的电路断续火花——无独有偶,与德国人提议的把导线扯开,效果相同。很早就开始尝试将试验程序在IEC技术水平等级上进行国际标准化。1967年在IEC31G委员会布拉格会议期间,经过对提交的不同试验结论的比较,决定采用柏林西门子公司一组工作人员研制的试验装置所做的试验结果。会议记录中包括对电路参数限制到300V15V1H。这种以经验为基础而研制的试验装置的整个技术环境是针对直流电路或工业交流电路,该电路通常用电压来控制和测量电路。

当时,在危险场所使用过的这种装置,不可否认,也确实曾经用过较高频率,例如:用于电容测量方法或用时频键控(TFSK)方法进行数据传输。随后,手持无线电话和其他高频应用,但在这方面的应用涉及安全的主要是电源电路及辅助电容器和线圈。总的来说,决定不进行与高频能量有关的高频元件分析。

对火花试验装置的认识:该装置1965年经标准化后加入VDE01700171中,和1977年经标准化后加入EN50020中,以及用于检验本安电路等方面。

最重要的里程碑是研究电缆和电线的影响(例如:由Schebsdat进行的那些研究,由电感导致的点燃过程研究,例如:由Vogt进行的研究和Johonnsmeyer进行的点燃火花中能量转换情况下具有实际相互影响的基本说明,由电容器导致的点燃过程研究。

对提高试验结果的可重复性和较大电流的适应性,提出最佳处理方案。

对于方法的适用性来说,避免了对通带上限(上限截止频率)的特别说明(规定)。起初,在这方面没有引起过多的担心,但随着无线电设备的使用的增多,用更高频率进行能量传输,以及考虑到特殊工业场所,例如:炼油厂附近的无线电发射机,使问题逐渐暴露出来。

2  IEC 6007911作为火花发生器的火花试验装置

该试验总的设计构思是:在一个导体断路和两个导体短路的情况下,模拟产生火花,用这样的方式触头、触头的互相移动及电源在可能的最坏情况条件下,并用较高的往返速率,任何地方都可能产生火花。由简单电路点燃极限的各种已公布的曲线及比较气体—空气混合物最小点燃能量的已知值,我们可在试验条件下推导出能够使用的火花试验装置电路与能量的对应值。在这一点上,举例来说,在励磁线圈通以直流电的情况下,火花中转换的贮能常常仅有50%,而另一半则消耗在电源的内阻中、接触簧片组件的电动传感器和接触簧片组件本身。

在带有线圈的电路中,由接触断开点和断开点基点期间形成的火花这一事实,选定了输入到火花能量的最佳数值。最后,由于提高感应电压,更长时间抑制了互相间的快速移开。

原始的火花试验装置设计图,清楚地表明了本设计最初是用于直流电源供电的电路的试验。

3  在频率达到100kHz的范围内,能量传输的本安电路

早期的研究结果显示,在交流电路中,当频率高出几千赫兹时,点燃要求的电气参数有所升高。

因为这种效应,在频率大约100kHz时显示出明显的升高,利用高频可进行能量的本安传输。

本安传输与高频的相互关系最初是由在“本安电源基本原理”课题中提出,尔后与BVS在“高频本安能量传输极限的确定研究”项目中得到进一步研究证实。

该项研究课题利用了这一效应,利用这一研究成果进行的第一次技术改进就是本安照明装置,该装置带有额定功率为7-9W的日光灯,如图1所示。

1  带有8W日光灯的本安照明装置

这些装置用于采煤工作面照明,其主要优点是照明系统连续地工作,而且与白炽灯相比,照明效率更高,但要求启动电压高。由于矿井环境的甲烷(CH4)含量升高,即使非本安电路也必须关闭。BVS的系统调查目的主要是确定扩大点燃极限值范围,从一开始,试验范围就包括甲烷、乙烯和氢气与空气的潜在爆炸性混合物,但由于安全因素的问题——IEC标准中只能接受规定的气体混合物。

2  频率达100 kHz的点燃极限值测量试验装置

由于各种原因,由这些因素确定下列限制范围条件:

·电源50n(尽可能低电感)或高达3kΩ的内阻;

·为了抵消减少发生最有利的、由试样原理推出的火花条件的概率,与此标准的通用试验方法相比,火花的数量增加到100倍;

·电压波形:正弦、三角和方波。

3的曲线中给出了这些结果。

通过比较,图4给出了其他一些研究小组得出的试验结果。

这些结果均是摘自1984年在Antwerp1988年在伦敦的IEEE会议文件。

3  氢、乙烯和甲烷/空气混合物在高频时的点燃极限值

4  甲烷/空气混合物在高频时的点燃极限值,各试验机构试验结果比较(19761984)

关于确定高频本安能量传输极限的研究课题结论没有全文发表,仅提供给了有关试验机构。

应特别注意,从这些结果可推导出下列能量值近似地应用到50Ω(没考虑安全系数或每单位长度的传播系数),在频率范围50100kHz时仍然没有形成爆炸危险是可能的,其中,最有价值的结果为:

·甲烷:32W

·乙烯:13W

·氢:8W

1996年,PTB又承担了该研究项目,研究结果以“交流电源供电的本安现场总线连接电路”为题,在BmunsChweig工业大学Cerlach1999年研究报告上发表。

在此,该项课题的研究目的是“总线系统配电设备的远程供电”,称之为ES-BUS(PTB出版物,见2002Ex杂志60)

反过来仅考虑传输的能量,这些结果表明了下列这些数值,因为其他的限制条件不同(电阻产50Ω,安全系数与EExib(ia)相一致,附加的分离装置),不能直接同上面所说的那些数值相比较:

·对于ⅡC氢气/空气混合物,

因此f80kHz

电缆长度在100m以内,10W

电缆长度在400m以内,5W

4  火花试验装置的通带频率

即使早在19871990年,由BV8进行的上述试验研究,火花试验装置也在许多方面都进行了改进,如图5所示。

5  改进的火花试验装置接触结构

·优化了旋转传感器,将电路转换到接触组件的旋转部件上,尤其是降低电压降和分布电感;

·十字形部件放置在方形盒座上,钨丝放在十字形部件上,以减少分布电容。

由联邦德国经济部(19851987)支持的,包括了BVS,对研究项目“高频本安电路在地下矿井中合理应用的研究”,第一次系统地研究了与EN50020相一致的高频火花试验装置与频率有关的特性。

这些研究也包括针对高频电路设计的火花试验装置样机。其中的某些装置,已经在70年代后期通过FIB职员Bitter转到BVS主任GVogt的本安实验室,以便继续试验。

对于标准火花试验装置,在频率为15MHz的情况下,由接触部件反映的能量很重要,它用于潜在爆炸性气体-空气混合物可燃性电路的技术安全评价。

经多次讨论及验证,规定频率15MHz作为火花试验装置的极限值,并于2001年以白皮书的形式公布,现已纳入EN500203版中。

在专门设计高频电路用火花试验装置的情况下,采用一种已证明特别适用于高频应用的结构,如图6所示。

6  适用于高频、带有波导管的火花试验装置

至少在频率范围高达500MHz(接触部件开路),部分采取波导管形式的这种设计具有非常低的反射系数,以便至少有希望把较高百分率的电能集中在产生火花的点上。

5  高频时的本质安全

工程定义的“高频”的实际意思是什么?它是由相关重点技术决定的。在下面的章节中,术语“高频”是用来涵盖频率范围高出1MHz的所有频段。

在某些情况下,作者也设想了非常特殊的情况,如直接靠近炼油厂或雷达设备及机场加油飞机辐射束的高能无线传送器。

在不考虑天线实际电源电路的情况下,大多数研究采取其他领域也可能存在点燃危险的课题。高频能量一射人自由空间,也就具有变化和不变化的无意识接收形式的可能性,及——具有非常低的可能性,并且——但是,仅在甚高频时——聚焦。

早在1985年,标准VDE 08483部分中就考虑到这种情况。能辐射到危险区域的高频辐射装置的极限值被限定在2W

因为只涉及连续工作源而没有涉及脉冲源,如雷达发射机,所以,1986年重新开始了这种讨论。

与标准VDE0848并行的防爆指南(现在也称为:防爆法规EX-RL),不考虑爆炸组别及应用。

BVSl9831984年的研究结果概述在图7中。

当因使用的“试验装置”获得最低点燃极限值时,在氢气—空气混合物中,施加到50n电阻上,1MHz频率时,得到8W的数值。确定的频率点燃值的进一步升高,主要是由于试验装置高频特性的变坏。因此,把这些结果应用于安全标准化,可能是不容易的。此外还必须指出:在带有高阻抗的电路中,已经检测出的点燃具有2W()7W(乙烯)12W(甲烷)

由联邦德国健康与安全部支持的研究项目没有获得更新的研究结果。当时,当项目组表达的意见:RVS使用的火花试验装置是“电铃线技术”(其中,从表面看,在一定程度上已证明是正确的——它凝聚了几十年的试验研究结果)不能直接被验证。以主要力量进行的这些试验和非常高的能量精确性,也仅完成了已知结果的10%左右。已经知道的试验结果和文献的计算值,反映在VDE08485部分的表2和表3中。

7  21(体积)氢气/空气混合物最小点烟功率值,没有功率修正的正弦输出功率

连续高频源

没有采取措施以预防连续高频放电引起的点燃,扣果有效能量(可从接收方式得到)在产生点燃的时间上求平均值,则不超过表2中规定的点燃极限值pzg

2  接收型连续高频源的点燃极限值

 

注:平均值必须覆盖规定产生点燃的时间间隔,从而产生相当平滑的功率曲线。

脉动高频源

对于脉动电磁场(例如,雷达),能够从单脉冲中得到能量。其中,脉冲持续时间比形成点燃的时间的一半要短,但其中,两连续脉冲间的时间间隔和形成点燃的时间相比,长3倍,是更适合的点燃标准。在这些条件下,如果从接收方式得到能量的最大值超过表3中规定的点燃极限值Wzg,则点燃作为脉动高频放电的结果,是无法预料的。

3  单脉冲能量的点燃极限值Wzg

VDE0848中的表4(因与空间相关的种种理由,这里没提及)在这方面也是很重要的。它包含了按照VDE0848算出的、取决于发射频率和发射功率的高频源和危险区域之间安全距离的例子。如果它没有可能理论上确定极限值,则BVS对于适合按VDE0848中要求的可行性试验,具有通用的适合高频火花试验装置。

例如,对功率范围24WGSM移动电话(890MHz)预定至少02m的安全距离,与区域分类无关。

6  由移动电话引起的爆炸危险

20023月,有来自美国ISA新闻组爆炸事故的安全目录的报告,报告称:有一个工程师,正在处理一个靠天然气运行的环形封闭控制设备,他接到一个电话,当从衣袋中拿出移动电话回电话时,被可燃气体轻微地烧伤。现在,在美国发生这个事件的情况下,也应该读读这条消息,便携式电气装置,如移动电话和手持式无线电装置,不必得到防爆试验管理机构的强制认证。

在安排处理加油站禁止使用移动电话的出版物时,我们一次又一次地读了这些文章,但有充分根据的专业信息通常没证实。某些迹象表明,加油站工作人员的担心更多是针对爆炸危险场所的电子计量和记帐系统的无意识影响。如果我们忽视接管嘴正面附近,在加油站可能使用移动电话的区域,在最不利的情况下能被分成2区。

移动电话具有什么潜在点燃源呢?

1.表面静电电荷;

2.电池、线圈和电容的短路,研路火花;

3.万一其他元件故障,小元件的发热;

4.高频辐射。

我们不应轻视第一种情况。塑料外壳和表面,尤其当它们是部分涂敷金属时,在某些情况下能达到良好的充电,特别是由于与布摩擦的结果。第二种情况——例如,在机械故障的情况下,由于短路火花而造成的点燃——对装置的结构型式没有一个更加详细的考虑,不能被完全排除。必须以防爆的标准原则为基础,假定第3点是可能的,但按照949EC指令仅根据1区和2类设备。

4条只适合相关情况,如果移动电话增大的辐射功率高出极限值(对加油站,6W),由于目前习惯的结构型式,只有当输出阶段的功率控制电路有故障时,这才是可能的。

至少按“欧洲”方法,对用于1区的移动电话,必须独立地进行试验和认证,作为任何其他必须进行试验和认证的电气装置,只不过是一个安全方面的合理结果。不过,这种方法有一个障碍:与M50020IEC60079-11相适应的型式试验,需要校验设计文件和根据标准按接近故障状态工况的样品试验——尤其是在半导体元件或不适当的漏电距离短路的情况下,小元件的过热——以及结构型式的规定。鉴于当前在这个方面革新的速度,和已经知道的难于从工厂获得这些装置完整的原理图及元件装配图方面,这已经是一种非常重要的研究项目。

7  结束语

众所周知,只在特殊范围内使用已知的、确定相关点燃危险本质安全的试验方法,这种点燃危险是由控制电路和应用标准化图表的测量电路,以及使用与EN50020IEC60079-11相一致的火花试验装置产生的火花引起的。

电路的频率也是这些范围之一,在直流电的基础上,本安电气值公认的是:比特殊频率范围中带有直流电的情况高得多。不过,由于频率的进一步增加,他们一定会再次降下来。

危险区域的整体考虑是不能忽视由发射机的电磁辐射产生的潜在点燃危险,发射机也可能被安置在危险区域的外边。本篇文章只讨论了关于气体防爆的问题。不过,粉尘爆炸危险的场所问题也是一个基本问题。所以,既然是这样,我们也必须注意,局部有限的过热可能会依赖于粉尘和在较高高频能量值时使用频率的介电性能,例如,偶极子共振也是同样。

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