几种特殊隔爆结构的分析与思考

在工程上，有时候，有一些特殊的情况要求人们给出答案，因而，人们只能按照有关的基本原则和相应的实际情况来解决一些问题，以满足这些特殊情况的需求。防爆电气设备的设计与制造也是如此。这一节将简单地讨论几种特殊的隔爆结构，供人们在设计和试验时参考。

1.标志为dⅡC级隔爆型电气设备隔爆外壳的特征分析

大家已经知道，国家标准GB 3836.2《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》对dⅡC级隔爆型电气设备隔爆外壳的结构形式没有具体的要求，仅仅规定了用于乙炔爆炸性环境、外壳内容积不大于500cm³的隔爆外壳（i≤0.04mm，L≥9.5mm）可以采用平面式隔爆结构。那么，除此之外，dⅡC级隔爆外壳应该采用何种结构形式，在设计人员心中便产生了疑虑。

大家应该知道，ⅡC级的代表性气体是乙炔和氢气，这是两种非常“活泼”的气体。

对于乙炔，它与空气形成的爆炸性气体-空气混合物在发生爆炸时产生的爆炸压力是所有碳氢化合物发生爆炸时产生的爆炸压力中最大的，按照式（3.1）计算可以达到0.96MPa。

而且，这种混合物还有一个重要的特性，那就是，在它不完全燃烧时爆炸生成物中包含大量的碳粒子。爆炸生成物中这些碳粒子在爆炸传播过程中遇到空气将会继续燃烧，很容易造成隔爆外壳“传爆”。事实上，在试验中常常看到这种情况。

对于氢气，它的混合物的爆炸压力没有乙炔的那样大，但是它的爆炸生成物穿透缝隙的能力却是所有碳氢化合物中最强的，最大试验安全间隙（MESG）只有0.28mm。

所以，人们在设计dⅡC级隔爆外壳结构时必须综合考虑乙炔和氢气这两种气体的物理-化学特性，采取合适的措施来满足相应的要求。因而，设计人员应该：

①在隔爆外壳结构强度计算时，至少采用国家标准GB 3836.2《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中规定的适用于ⅡC级的静压试验的压力值，以满足乙炔的最大爆炸压力。

②在隔爆外壳隔爆间隙设计时，采用国家标准GB 3836.2《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中规定的ⅡC级隔爆结构间隙值，而且，在外壳容积较大的情况下还必须采用止口式隔爆结构，以满足氢气的安全间隙值和防止乙炔发生爆炸时产生的碳粒子飞出隔爆外壳。止口式隔爆结构改变着爆炸生成物的运动方向，降低了爆炸生成物的能量。

这里应该指出的是，假若某一dⅡC级隔爆型电气设备预期仅使用在氢气（或者，除乙炔外的）环境中，那么，它的隔爆外壳就可以采用平面式隔爆结构，因为它的爆炸生成物中没有“危险”的碳粒子，只要外壳的结构强度和隔爆间隙符合ⅡC级的要求就可以了。

2.标志为“dⅡB+H₂”级隔爆型电气设备隔爆结构的设计要点

在实际的工业应用中，有时候要求某种隔爆型电气设备既要适用于某一防爆级别（Ⅰ类、ⅡA级、ⅡB级或ⅡC级）的需要又要满足某种特定气体的要求，于是，人们就必须设计、制造出一种特殊的隔爆型电气设备。例如，“dⅡB+H₂”级隔爆型电气设备；这是一种既满足“ⅡB”又满足“H₂”要求的隔爆型电气设备。

对这种情况，设计人员应该首先了解、掌握隔爆外壳的基本属性，以及ⅡB级可燃性气体和H₂（氢气）的特征，然后才能够设计出符合“dⅡB+H₂”要求的隔爆结构。

（1）隔爆外壳的耐爆性能（机械强度）

这种特殊要求的隔爆外壳的耐爆性能，主要取决于它所适用的某一防爆级别的代表性气体的爆炸压力和某种特定气体的爆炸压力。在确定隔爆外壳强度设计方案时，设计人员应该比较这两种气体的爆炸压力，以压力大的那种气体的相关数据作为确定设计方案的参考依据（机械强度的计算）。

对于“dⅡB+H₂”这种情况，我们按照式（3.1）来计算ⅡB级代表性气体乙烯（C₂H₄）和特定气体氢气（H₂）的爆炸压力。大家已经知道，乙烯的燃烧温度为2557K，氢气的燃烧温度为2483K；初始温度为20℃；初始压力为一个标准大气压力（0.101325MPa）。于是便得到，乙烯的爆炸压力约为0.88MPa，氢气的爆炸压力约为0.73MPa。乙烯的爆炸压力大于氢气的爆炸压力。

显然，人们在确定隔爆外壳强度设计方案时应该以乙烯的相关数据为参考依据。

所以，在“dⅡB+H₂”级隔爆外壳施工设计时，设计人员应该采用ⅡB级的相关压力值进行计算，确保“dⅡB+H₂”级隔爆型电气设备能够承受ⅡB级的“外壳过压试验”。

（2）隔爆外壳的隔爆性能（隔爆间隙）

隔爆型电气设备的隔爆性能，主要取决于它的隔爆外壳所具有的隔爆间隙。因而，在确定这种特殊要求的隔爆外壳间隙设计方案时，设计人员应该比较某一防爆级别的代表性气体的最大试验安全间隙与特定气体的最大试验安全间隙的大小，据此来确定是使用某一防爆级别的参数还是特定气体的参数。

对于“dⅡB+H₂”这种情况，国家标准GB3836.11《爆炸性环境 第11部分：由隔爆外壳“d”保护的设备最大试验安全间隙测定方法》告诉我们，乙烯的最大试验安全间隙为0.65mm，氢气的最大试验安全间隙为0.28mm。

显然，人们在确定隔爆外壳间隙设计方案时应该以氢气的相关数据为参考依据。

所以，在“dⅡB+H₂”级隔爆外壳施工设计时，设计人员应该采用ⅡC级（氢气属于ⅡC级气体）的标准参数（间隙值）来作为“dⅡB+H₂”级隔爆型电气设备的间隙选择值。

从上述分析可知，在处理这种类型的隔爆型电气设备的隔爆结构时，人们应该综合分析相应防爆级别的代表性气体和某一特定气体的特征，然后才能在实际设计时确定所采用的标准数据。例如，“dⅡA+CO”也是这样。

与此同时，上述的分析还告诉人们，单独符合氢气的要求并不能表示就符合ⅡB级的要求。

这里需要特殊指出的是，这种结论与仅仅通过氢气（H₂）单一气体隔爆性能试验的“dⅡC级”设备可以应用于“ⅡB级或ⅡA级”环境的提法并不矛盾。因为，仅仅通过氢气（H₂）单一气体隔爆性能试验的“dⅡC级”设备必须通过“dⅡC级”的耐爆性能试验，具有足够的机械强度；而“dⅡB+H₂”级隔爆型电气设备的耐爆性能试验是通过“dⅡB级”考核的。二者之间存在着较大的差别（乙炔的爆炸压力大于乙烯、丙烷、甲烷的）。

3.隔爆·本质安全型电气设备防爆结构的设计特点

在爆炸性气体环境中常常使用一些传感元件来检测现场的有关参量，这些检测到的数据又通过设置在现场的隔爆型电气设备被传递到控制中心进行数据处理。由于检测单元（传感元件）是弱电系统，人们常常把它设计成本质安全型单元，于是，隔爆型电气设备就被制成所谓的“隔爆兼本质安全型”的非包容性复合型防爆型式（参见第10章）。

对于这样的复合型防爆型式，设计人员在电路和隔爆外壳设计时必须考虑本质安全电路与非本质安全电路的隔离。

（1）电气隔离

在电气设备隔爆外壳内的本质安全电路与非本质安全电路应该在电气上有隔离措施，防止非本质安全电路对本质安全电路造成不利的影响，将其所携带的危险能量传递到危险场所。

在隔爆外壳内设置所谓的安全栅就是这样的隔离措施。通常情况下，例如，使用齐纳安全栅就能够保护隔爆外壳外部的本质安全型信号传感元件（参见第6章）。

（2）机械隔离

除本质安全电路与非本质安全电路的电气隔离外，它们之间的机械隔离同样很重要。

在隔爆外壳内，本质安全电路导线与非本质安全电路导线不允许混合在一起，否则，非本质安全电路可能对本质安全电路造成不利的影响；本质安全接线端子与非本质安全接线端子不能排列得很近，它们之间至少应该保持50mm的间距（参见第6章）。

在隔爆外壳内，这样的机械隔离不允许使用隔板进行，不管是接地的金属隔板还是非金属的绝缘隔板。假若在隔爆外壳内使用隔板，就给产生爆炸压力重叠现象创造了可能条件，这是不能允许的。对于接线端子的隔离，在条件允许的情况下，可以用“间距不小于50mm”来实现；在条件不允许的情况下，可以采用不同的（隔爆）空腔将接线端子分隔开来。

总之，对于这种非包容性的“隔爆兼本质安全型”复合型防爆型式的电气设备，“隔爆”与“本质安全”在逻辑关系上是一种“与”的关系，“隔爆”与“本质安全”一起共同保证这种设备的防爆安全性能。因而，设计人员和检测人员应该既要考虑“隔爆问题”又要顾及“本质安全问题”。否则，这种设备在实际运行过程中将可能会出现可以预计的不利后果。

4.隔爆型电动机用“长脖子”接线盒防爆结构的分析

在隔爆型局部扇风机中使用一种隔爆型电动机，它的接线盒和电动机主体之间有一段距离。这种电动机的主体安装在扇风机的风筒内部轴向中心，而接线盒则安装在风筒外部，因而，它必须有一个“长脖子”来连接接线盒和电动机主体。

对于这种特殊结构，设计人员通常采用管状结构，管子的一端与电动机机座连接，另一端与接线盒连接，供电电缆从接线盒穿过“长脖子”进入电动机。

就防爆型式而言，这种“长脖子”结构可以制成隔爆型防爆结构，也可以制成增安型防爆结构。

当“长脖子”结构制成隔爆型防爆结构时，“长脖子”管子的两端与电动机机座、接线盒之间的连接必须采用隔爆结构，而且，管子内部与电动机主空腔、接线盒空腔之间还必须采用适当的隔爆结构隔离开来。这是因为，“长脖子”管子的内径相对于它的长度是较小的，就形成了一个狭长的空腔（通道）；假若不采取隔离措施，将电动机主空腔和接线盒空腔直接连接起来，这是一种典型的可能产生爆炸压力重叠现象的结构。对于隔爆型防爆结构来说，避免产生爆炸压力重叠现象的结构是十分重要的。

当“长脖子”结构制成增安型防爆结构时，设计人员可以将接线盒设计成增安型防爆结构，连同“长脖子”管子一起，安装在电动机的机座上。但是，这种结构的接线盒“长脖子”管子与电动机的连接处必须采用隔爆结构，以保证隔爆型电动机具有完整的隔爆性能。

事实上，在实际的工作中，人们常常忽略了这种防爆结构的特殊性。

5.隔爆/防尘型电气设备防爆结构的设计特点

这是一种“气体/粉尘”混合防爆型电气设备，既可以用于可燃性气体环境中，也可以用于可燃性粉尘环境中，还可以用于同时存在可燃性气体和可燃性粉尘的环境中。然而，可燃性气体和可燃性粉尘却具有一些不同的物理-化学特性，因而，人们在处理这种电气设备的防爆结构时应该给以特殊的注意。

就可燃性气体而言，隔爆型电气设备是利用“隔爆外壳”来实现防爆的。设计人员可以按照防爆级别（Ⅰ类、ⅡA级、ⅡB级和ⅡC级）和温度组别（T1～T6组）的相关数值进行设计。

对于可燃性粉尘来说，由于粉尘所具有的“体积”特征，它不像气体那样无孔不入，因而，适用于可燃性粉尘环境的防爆型电气设备就可以采用所谓的“防尘外壳”，把电气元器件包围起来，阻隔可燃性粉尘接触电气元器件。只要防尘外壳的外部表面温度不大于可燃性粉尘的点燃温度，这样就可以实现“粉尘防爆”。

因而，隔爆/防尘型电气设备的外壳应该具有“隔离”作用，对于可燃性气体，就是具有隔爆性能，应该符合隔爆接合面的相关参数；对可燃性粉尘，就是具有密封性能，应该符合密封接合面的相关参数（或者，使用密封衬垫来实现）。

事实上，隔爆型电气设备的隔爆外壳，在一定程度上，就具有防尘外壳这样的特征。

例如，当外壳接合面的间隙既符合气体的隔爆间隙又满足粉尘的密封间隙时，这种外壳就可以实现气体/粉尘防爆了。

显然，在实际工程设计时，除按照密封接合面要求外，在隔爆接合面上设置密封衬垫也可以达到这种隔离作用。但是值得注意的是，这样的密封衬垫不能被视作隔爆结构，而且被衬垫隔开的隔爆接合面不允许相加计算，衬垫也不得使隔爆间隙增大。对于平面式隔爆接合面，如果设置衬垫进行隔离密封的话，则设计人员在确定衬垫厚度时应该考虑到，既能够起到密封作用又能够起到隔爆作用（参见第3.3.2节）。

在外壳的结构强度方面，只要满足隔爆外壳的要求，就一定也能满足防尘外壳的要求。

隔爆/防尘型电气设备外壳的外部表面温度的限制应该兼顾可燃性气体的温度组别的温度和可燃性粉尘的最小点燃温度，取二者之中较小的值。

从隔爆外壳具有防尘外壳特征的分析可以看出，反之，无论从结构间隙还是从结构强度看，毫无疑问，防尘外壳绝不可以替代隔爆外壳。这是一个不用讨论的问题。(www.xing528.com)

这里需要特殊指出的是，在同一台隔爆/防尘型电气设备上，人们应该同时标志出“气体”的防爆标志和“粉尘”的防爆标志。

6.隔爆型电气设备增加引入电缆数量的措施

隔爆型电气设备的电缆引入必须采用一种所谓的“隔爆型电缆引入装置”。有时候，这种电缆引入装置是一种密封圈式的，电缆穿过密封圈、由压紧装置在连接件中将密封圈压紧达到密封隔爆作用（参见第3.4.5节）。

在实际应用中，人们一旦确定了进入隔爆外壳的电缆数量和相关参数（电缆外径和芯线数量）之后，引入装置的数量、型式和结构便被确定。假若由于功能的改变，需要在现有的隔爆外壳上增加引入电缆的数量，于是人们将会遇到麻烦。

在这里介绍一种对现有的隔爆外壳增加引入电缆数量的方法。

大家知道，隔爆型电气设备之间的电气连接，通常情况下，是依靠电缆进行的。假若某一隔爆型电气控制装置由于功能改变需要增加引入（引出）电缆的数量，则人们可以根据具体情况在原有引入装置数量不变的情况下增加一个单独的隔爆型接线盒进行分线就可以了。控制装置的引出电缆进入这个接线盒内，在接线盒内分线后，由接线盒的引出电缆直接连接到另外的隔爆型电气设备上。

值得注意的是，新增加的接线盒必须具有和主体设备一样的防爆级别。此外，有时候主体设备与接线盒之间的电缆可能需要增加芯线的数量。

例如，有一台磁力起动器，原来只能进行“本地”控制，现在需要同时能够进行“远程”控制。于是，人们就可以选择增加接线盒进行分线的方法，将原有的单一控制改变为既可以进行“本地”控制又可以进行“远程”控制。

显然，用增加接线盒来增加隔爆型电气设备引入电缆数量的方法是一种可供选择的简单方法。当然，还有一些其他的方法，这里不再赘述。

7.标志为“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备设计时的注意事项

在煤矿井下和地面上处理煤的区域内，有时候，除存在甲烷和煤尘以外还可能存在其他的可燃性气体。在这种情况下，隔爆型电气设备既应该符合Ⅰ类设备的要求还应该符合Ⅱ类设备的要求。

在实际工程设计时，人们依然应该根据隔爆外壳的基本属性进行工作。

（1）隔爆外壳的结构强度设计

分析和计算可知，甲烷的爆炸压力小于其他级别（ⅡA级、ⅡB级和ⅡC级）的可燃性气体的爆炸压力。因而，“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备的隔爆外壳必须能够承受更高的压力，而不是仅仅承受甲烷的爆炸压力。

设计人员在设计这种隔爆外壳时可以采用国家标准GB 3836.2《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中规定的适用于Ⅱ类隔爆型电气设备静压试验压力作为设计的参考压力进行强度计算。

（2）隔爆外壳的隔爆间隙设计

国家标准GB 3836.2《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》告诉我们，Ⅱ类设备的隔爆间隙值都小于Ⅰ类的。因而，人们在设计“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备的隔爆间隙时必须按照Ⅱ类设备的防爆级别（ⅡA级、ⅡB级或ⅡC级）来选择间隙值的大小。这样的间隙值满足了Ⅱ类设备的要求，当然也就满足Ⅰ类设备的要求。

（3）温度组别的确定

大家已经知道，Ⅱ类电气设备划分为六个温度组别，每一个组别都有一个对应的不可逾越的温度值，例如，T2组设备的最高表面温度为300℃。然而，Ⅰ类电气设备却只有一个温度规定值，那就是设备的最高表面温度不得超过150℃（在设备外壳上堆积煤尘的情况下；或者，在设备外壳上不堆积煤尘的情况下，这个温度值允许不超过450℃）。

由此可知，“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备的温度组别应该由这些温度（组别）中最低的那个温度来确定。例如，煤矿井下存在二硫化碳气体。资料显示，二硫化碳属于T5组（点燃温度不低于100℃）可燃性气体。在这种情况下，人们只能将适用于这种环境的设备确定为T5组（最高表面温度不得超过100℃），尽管dⅠ类隔爆型电气设备的最高表面温度可以不超过150℃。

（4）“dⅠ/Ⅱ”类隔爆外壳结构的特殊性

对于“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备隔爆外壳的设计，人们应该遵照上述的要求，此外，还应该满足Ⅰ类设备的特殊要求。

“dⅠ”类隔爆外壳的特殊性包括：

①当外壳盖子与壳体之间采用螺栓（螺钉）紧固时应该采用特殊紧固件，而且应该设置护圈或沉孔来保护螺栓（螺钉）头；当外壳盖子与壳体之间采用螺纹连接时，应该设置防止盖子松动的措施。

②当隔爆型电气设备内包含大容量的电容器时，设计人员在计算隔爆外壳盖子或门打开时间时应该采用电容器剩余能量较小的值作为计算值，即采用Ⅱ类的相关数值而不是Ⅰ类的数值。

③对于经常需要打开盖子或门的隔爆型电气设备，应该采取措施，保证在实际运行过程中人们能够直接或间接地检查平面式接合面的隔爆间隙。

④隔爆型电气设备接线盒外壳的内表面应该涂覆耐电弧瓷漆。

⑤隔爆型电气设备应该设置联锁装置，保证在带电的情况下不能打开，在盖子或门没有完全闭合时不能对设备供电；或者，设置警告标牌：“严禁带电打开！”。

（5）“dⅠ/Ⅱ”类隔爆外壳材料的特殊性

对于“dⅠ/Ⅱ”类隔爆型电气设备，所有用于制作的材料都必须考虑到Ⅰ类设备的特殊要求。

这些特殊要求如下：

①用于制作隔爆外壳的金属材料，应该采用钢板、铸钢或铸铁，原则上，不得使用铝合金（经过机械火花点燃试验合格的，允许用来制作小型的手持式或移动式设备的外壳）。

②用于制作隔爆外壳的非金属材料，必须具有抗静电性能、阻燃性能、耐湿热性能以及某些设备的耐光照性能。

③在隔爆外壳内使用的绝缘材料必须具有较高的耐电弧性能，相比电痕化指数（CTI）不应该小于CTI400M（即绝缘材料的材料级别为Ⅱ级或Ⅰ级）。

8.混合型可燃性气体用隔爆型电气设备的设计思考

在实际应用中，可能有几种可燃性气体同时存在的危险场所。对于这种混合型可燃性气体环境，设计人员在设计隔爆型电气设备时，首先应该分析混合型可燃性气体中各成分的物理-化学特征，并确定它们的数量，然后根据隔爆外壳的基本属性来选择合适的防爆级别、温度组别及有关参数。

（1）防爆级别的确定

在混合型可燃性气体中，各成分（可燃性气体）可能是同处于一个防爆级别，也可能不是同处于一个防爆级别。因而，人们在设计时应该认真分析各成分的有关数据来确定隔爆外壳的设计方案。

如果分析得知某种混合型可燃性气体中各成分同处于一个防爆级别，则人们就可以按照这个级别的要求进行工作。

例如，对于天然气这种混合型可燃性气体来说，文献显示，它的主要成分及各成分的最大试验安全间隙（MESG）为：甲烷——1.14mm，乙烷——0.91mm，丙烷——0.92mm，正丁烷——0.98mm，异丁烷——0.98mm，戊烷——0.93mm。从可燃性气体分级数据表（表1.15）中可知，这些成分均属于ⅡA级。因而，人们就可以按照ⅡA级隔爆参数来设计适用于这种天然气环境的隔爆型电气设备隔爆外壳的结构强度和隔爆间隙。

如果分析得知某种混合型可燃性气体中各成分不是同处于一个防爆级别，则设计人员可以首先按照式（1.21）计算混合型可燃性气体的最大试验安全间隙，并按照表1.15查找出这种混合型可燃性气体的分级，然后再根据这个分级进行工作。

（2）温度组别的确定

至于混合型可燃性气体用隔爆型电气设备的温度组别，人们应该按照混合型可燃性气体中浓度在它的爆炸极限下限以上、点燃温度最小的那种成分的温度组别为依据来进行评估。

上述这些，就是设计适用于混合型可燃性气体这种类型的隔爆型电气设备的基本原则。

下面举例说明混合型可燃性气体的防爆级别和温度组别的确定方法。

【例3.11】 某种混合型可燃性气体的相关数据如表3.15所示。试确定这种混合型可燃性气体的防爆级别和温度组别。

表3.15 某种混合型可燃性气体的相关数据

注：表中数据引自国家标准GB 20936.1《可燃性气体探测用电气设备 第1部分：通用要求和试验方法》。

首先，将表中相关数据代入式（1.21）中，计算即可得到这种混合型可燃性气体的最大试验安全间隙：

MESG=1/（0.12/1.14+0.01/0.92+0.07/0.65+0.05/0.37+0.75/0.28）mm=0.33mm

查表1.15可知，这种混合型可燃性气体的最大试验安全间隙小于0.5mm，应该属于ⅡC级气体。

接着，从表3.15中可知，这种混合型可燃性气体中除丙烷外其他成分的浓度都在爆炸极限下限以上，因而，只能选择点燃温度小的乙炔的温度组别（305℃，T2）作为这种混合型可燃性气体的温度组别，即T2组。

应该指出的是，这里所讨论的虽然是混合型可燃性气体环境中使用的隔爆型电气设备的设计问题，但是，它依然是适用于这种环境的防爆电气设备的选型思路。