防爆电气设备的制造材料,和普通用途的电气设备的没有什么不同,例如钢、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金、工程塑料、粘合剂等,但是,在材料的材质上却有一些特殊要求。这里就材质上有特殊要求的材料给以简单的讨论。
1.金属材料
对于金属材料来说,除机械性能外,主要是从它的机械火花点燃爆炸性气体-空气混合物的性能来考虑的。试验指出,金属材料的材质对机械火花的点燃性能有很大的影响。为了保证外壳材料不会发生机械火花的点燃现象,必须对外壳材料中所含的相关元素加以限制。
因此,国家标准GB 3836.1《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》规定:
①制造煤矿使用的Ⅰ类防爆电气设备时,设备外壳的材料中铝、镁、钛和锆的总含量不允许超过15%(按质量百分比计),并且钛、镁和锆的总含量不允许超过7.5%。
②制造工厂使用的Ⅱ类防爆电气设备时,设备外壳的材料中相关元素含量:对于使用于0区的设备,铝、镁、钛和锆的总含量不允许超过10%(按质量百分比计),而且,镁、钛和锆的总含量不允许超过7.5%;对于使用于1区的设备,镁和钛的总含量不允许超过7.5%;对于使用于2区的设备,除风扇、风扇罩和挡风板应该符合1区设备的要求以外,其他无特殊要求。
这样的规定同时还表明,对于Ⅰ类防爆电气设备和Ⅱ类0区用防爆电气设备,原则上,它们的外壳不得使用铝合金材料制造。
目前,在现代工业设计中,人们有时候使用铝合金作为结构材料。就防爆电气设备而言,如果使用铝合金,则推荐使用牌号为ZL103、ZL104的铸铝,因为它们的材质中钛和镁的含量符合相应的要求。
除此之外,对于一些特殊应用场合,人们还可以用试验的方法来确定金属材料的机械火花点燃性能。只要通过试验,所试材料也是可以使用的。
2.工程塑料
大家知道,工程塑料是一种应用十分广泛的工程结构材料,不仅因为它具有很好的机械性能,而且它还具有良好的电气绝缘性能。在这里,我们很关心的,不仅是它的机械性能和电气性能,更重要的是它的热稳定性和抗静电性能。
(1)热稳定性
塑料材料应该具有很好的热稳定性。对于防爆电气设备外壳使用的塑料材料,它的最热点的温度,在规定的试验条件下,至少比对应于耐热特性曲线上20000h点的温度指数(TI)低20K。
对于某种塑料材料,在不同的温度条件下,它都有一个对应的使用寿命,温度越高使用寿命越短。这种关系可以用图2.1所示的曲线予以简单地表示。
图2.1 塑料材料的寿命-温度曲线示意图
人们为了使用的方便,统一规定把某一塑料材料使用20000h时发生失效的那个温度作为评价塑料材料性能的一个重要指标。这样的规定使塑料材料的耐热性有了可比性。
(2)抗静电性能
塑料材料应该具有很好的抗静电性能。也就是说,要采取一些措施防止塑料材料产生和积累静电电荷,避免因此而引起一些麻烦。
塑料材料所具有的良好的电气绝缘性能表明,它是一种很好的静电电荷载体。在一定的条件下,塑料部件会产生静电电荷,并积累起来。在第1章中,我们已经讨论了静电电荷是爆炸性气体-空气混合物的一种点燃源。对于防爆电气设备来说,这一点是相当重要的。
因此,人们对塑料材料的抗静电性能做了很多规定和要求。在塑料材料中添加一些适当的导电性添加剂,便会降低这些材料的体积电阻率和表面电阻率。经过改性的塑料材料制成的塑料部件在规定的试验条件下进行抗静电性能测试时,若测得的表面绝缘电阻值不超过1GΩ,就可以认为这种材料能够防止产生和积累静电电荷。
分析可知,材料的电阻率不大于1×108Ω·m,就可以防止产生和积累静电电荷(参见第1章)。于是,在实际试验中,当规定试验条件是两电极之间的距离为10mm时,测得的绝缘材料表面绝缘电阻值不超过1GΩ,对于防止产生和积累静电电荷来说,应该是安全可靠的。
就防爆电气技术而言,除改变绝缘材料的材质外,人们还可以通过限制防爆电气设备塑料外壳(或部件)的外露表面面积来防止静电点燃。通过静电放电点燃爆炸性气体-空气混合物的多次试验,人们提出了限制塑料外壳或部件的最大面积,如表2.5所示;限制塑料长条形部件的直径或宽度以及金属表面塑料覆盖层的厚度,如表2.6所示。
表2.5 塑料外壳或部件的最大面积①
(www.xing528.com)
①引自GB 3836.1《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》。
表2.6 特殊塑料部件的最大限制尺寸①
①同表2.5。
除了限制外壳或部件的表面积符合表2.5和表2.6的规定之外,有时候,还可以根据需要,使用检查这些材料表面的摩擦起电效果和设备组合结构的电容量大小的方法来确定塑料外壳的抗静电性能。这样,即便是外壳产生了些微静电电荷,只要不超过规定值,也是不可能发生静电放电点燃的。
除上述的热稳定性和抗静电性能之外,用来制造防爆电气设备外壳(或部件)的塑料材料,还应该具有较好的阻燃性能,而且,还应该能够经受耐热试验、耐寒试验、光老化试验等相关试验。
3.电工材料
在电气设备中使用的所谓电工材料,是指用于维持电气传输的材料,而不是电气设备的结构材料。电工材料分为导电材料和绝缘材料。
在电气设备中,导电材料主要是指设备所用的电缆(芯线)、接线端子、触头以及电气连接件等导电部件的材料,因此,这样的材料必须具有很好的导电性能和机械性能;绝缘材料主要是用来制作电气绝缘零件以及电线电缆,例如,接线板、绝缘套管、电缆芯线绝缘层和绝缘护套等的材料,因此,这样的材料必须具有很好的绝缘性能和机械性能。
对于防爆电气设备来说,不管是导电材料还是绝缘材料,都应该具有很好的耐腐蚀性,因为防爆电气设备使用环境中存在着大量的酸、碱类具有强腐蚀性的气体和液体等腐蚀介质。
一部分常用的导电材料和绝缘材料的耐腐蚀性如表2.7和表2.8所示。
表2.7 某些金属材料的耐腐蚀性
(续)
注:“□”——稳定;“○”——中等稳定;“×”——不稳定;“—”——空缺。
表2.8 某些绝缘材料的耐腐蚀性
注:同表2.7。
除此之外,对于绝缘材料,还应该具有很好的耐电弧性能。
大家知道,在电气设备中,开关触点的接通或断开,不同电位导体之间的短路,都有可能产生电弧。电弧具有很强的能量,有时候会对绝缘材料产生破坏性的灼烧,使绝缘材料发生分解、炭化,并释放出相当数量的可燃性气体混合物(参见第1章)。尤其是在隔爆型电气设备外壳中如果出现这种情况,那将可能造成隔爆外壳丧失隔爆性能的严重后果。
目前,具有耐电弧性能的绝缘材料很多,4220就是广泛使用于防爆电气设备中的绝缘材料之一。
4.粘结剂
在防爆电气设备中使用的粘结剂,应该具有很强的粘结力和很好的耐候性,还应该具有很好的热稳定性。国家标准GB 3836.1《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》对粘结材料的热稳定性做出专门规定,粘结材料的极限温度超过防爆电气设备在正常运行条件下运行时所能达到的最高温度20K,便认为这种粘结材料的热稳定性满足要求。
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