可靠元器件及其连接性能优化

在本质安全型电气设备的电路中，人们使用着各种不同的可靠元器件和可靠连接，来组成设备的功能环节。

所谓可靠元器件和可靠连接，就是符合相关要求的不容易发生故障（发生故障的概率很小）的元器件和它们之间的连接。下面的这些元器件以及相应的连接被称为可靠元器件和可靠连接。

1.可靠变压器

在本质安全电路中使用的变压器，可以分为两类：电源变压器和其他用途的变压器。这里以电源变压器为主来讨论一下它的结构和安全保护措施。

（1）电源变压器的结构

在电源变压器中，向本质安全电路供电的所有绕组同其他的所有绕组应该可靠地隔离开来。设计人员可以采用下列两种结构进行这种隔离（图6.14）。

1）1型结构

①向本质安全电路供电的所有绕组和其他的所有绕组并列地布置在铁心的一个心柱上，如图6.14a所示。

②向本质安全电路供电的所有绕组和其他的所有绕组分别地布置在铁心的不同心柱上，如图6.14b所示。

而且，不管是哪种布置方式，绕组之间都必须按照表6.1中的规定进行可靠的隔离。

2）2型结构

①不管是向本质安全电路供电的绕组还是其他的绕组，所有绕组之间都必须按照表6.1中规定的固体绝缘要求进行可靠的隔离，如图6.14c所示。

②在向本质安全电路供电的所有绕组和其他的所有绕组之间进行接地屏蔽隔离，如图6.14d所示。例如，人们可以利用接地铜箔或接地导线绕组进行这种屏蔽隔离。

在接地铜箔或接地导线绕组隔离的情况下，接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径，应该能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流而不损坏。因此，接地铜箔的厚度和接地绕组导线的直径必须符合表6.11中规定的相应数值。

图6.14 电源变压器的隔离结构

a）布置在同一心柱上 b）布置在不同心柱上 c）固体绝缘隔离 d）接地屏蔽隔离 1—一次绕组 2—固体绝缘 3—二次绕组 4—铁心 5—接地屏蔽

表6.11 熔断器的额定电流和铜箔最小厚度、绕组导线最小直径①

①引自GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》。

在使用铜箔作为屏蔽隔离措施时，铜箔应该配置两根在结构上完全独立的导体进行接地。而且，每一根导体都应该能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流，例如，对于熔断器，1.7I_n。

在使用绕组作为屏蔽隔离措施时，绕组应该具有两个在电气上完全独立的导线层，导线层之间应该有能够承受500V试验电压的可靠的绝缘。每一层导线层都应该可靠地接地，而且，能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流。

除此之外，电源变压器的铁心必须设置接地端子；电源变压器的绕组必须经过浸渍或浇封处理。

（2）电源变压器的安全保护措施

在本质安全电路中使用的变压器，输入电路应该接入符合相应要求的熔断器或断路器进行过载和短路保护。

当电源变压器的输入绕组和输出绕组之间用接地金属屏蔽隔离起来时，每一个不接地的输入电路应该接入符合相应要求的熔断器或断路器进行过载和短路保护。

另外，在某些情况下，人们还应该在变压器中埋入一支热熔断器或其他热保护器件，对变压器进行过热保护。

此外，为了防止变压器输出绕组短路，人们应该在输出绕组中串联可靠限流电阻器。而且，可靠限流电阻器应该与变压器浇封在一起，或者，可靠限流电阻器与变压器装配在一起时符合相应的电气间隙和爬电距离的要求。

在这种情况下，即使输出绕组通过可靠限流电阻器发生短路，流过输出绕组和可靠限流电阻器的短路电流也不会超过一次侧输入端熔断器所允许的电流，即1.7倍一次侧输入电流值。这样，既可以防止变压器因输出绕组短路出现不允许的大电流，又可以为后续电路提供足够的负载电流，保证电源和本质安全电路实现可靠的隔离。

（3）电源变压器的试验

1）型式试验

电源变压器的型式试验分为耐电压试验和温度测定两项试验。

①耐电压试验

在进行耐电压试验时，试验人员应该在向本质安全电路供电的任一绕组和所有其他绕组之间施加（2U_n+1000）V或1500V的试验电压（二者之中较大者），历时1min。这里，U_n是被试绕组之间的最高额定电压。

试验期间不应该发生闪络，甚至击穿。

②温度测定

在进行温度测定时，试验人员应该在变压器的一次侧（输入回路）输入1.7I_n（I_n为熔断器熔断体的额定电流）的电流或者断路器不动作的最大持续电流。在试验期间，这个电流值应该保持在它的标称值上（误差±10%）。

试验至少进行6h或者直到无自动复位热断路器动作；假若热断路器是自动复位的，则试验至少进行12h。

电源变压器绕组的温升按下式计算求得：

式中 t——绕组温升（K）；

R——在试验条件下绕组的最大电阻值（Ω）；

r——环境温度为t₁时绕组的电阻值（Ω）；

t₁——测量r时r周围的温度（℃）；

t₂——测量R时R周围的温度（℃）；

k——在0℃时绕组电阻温度系数的倒数，对于铜，k=234.5。

由式（6.5）求得的温升值加上试验时的环境温度即为被测绕组的温度值。这个温度不应该大于变压器所用绝缘材料的耐热等级允许的温度值或设备温度组别的温度值。

这里应该指出的是，变压器的温度测定，除在一次侧施加1.7I_n电流的试验外，还应该进行额定工作状态下的温度测定。

当然，人们也可以使用其他等效的方法来测定绕组的温度。

【例6.6】 现有一台本质安全型电源的电源变压器，温度组别为T4组，使用的绝缘材料的耐热等级为F级；容量为20VA；一次供电电压为220V，二次输出电压为12V；一、二次绕组布置在不同心柱上（参见图6.14b）。在环境温度为20℃时测得一次绕组的电阻为100Ω，二次绕组的电阻为0.8Ω。在额定工作状态下通电6h后，测得的变压器周围的温度为25℃，一次绕组的电阻为113Ω，二次绕组的电阻为0.9Ω。试计算此时电源变压器的温升。

将相关数据代入式（6.5）中计算得知：

●一次绕组温升为

t₁=113/100×（234.5+20）K-（234.5+25）K=28.085K≈28K

●二次绕组温升为

t₂=0.9/0.8×（234.5+20）K-（234.5+25）K=26.8125K≈27K

计算结果表明，一、二次绕组的温升基本一致。由于一、二次绕组分别布置在不同心柱上，所以温升略有差别。

计算可知，电源变压器的绕组温度为（28+25）℃，没有超过温度组别的温度值（135℃）和耐热等级的温度值（130℃）。

这里需要指出的是，电源变压器的绕组温度不能简单地用绕组温升加某个环境温度（例如40℃）来确定。因为绕组温升与变压器周围的环境温度、随温度变化的电阻有关，所以只能通过试验求得有关数据后与试验时变压器周围的环境温度相加来确定。此外，这里的计算没有顾及0℃对电阻值的影响。

2）出厂试验

在进行出厂试验时，试验人员应该按照表6.12中规定的电压值施加在变压器的各个绕组之间或各个绕组与铁心或屏蔽之间。

表6.12 可靠变压器出厂试验试验电压①

（续）

①自GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》。

②U_n为试验绕组的最高额定电压。

在试压期间，被试部位不得发生闪络或击穿现象。

除了电源变压器以外，在本质安全电路中还经常使用一些其他类型的变压器，例如信号电路中的耦合变压器以及变换器馈电装置中的传输变压器。

对于这样的变压器，原则上，它们应该符合以上的要求，只是在进行出厂试验时试验电压比电源变压器的要稍低一些，例如，输入绕组与输出绕组之间施加的试验电压为2U_n+1000V或1500V，二者之中的较大值（参见表6.12）。

2.可靠电隔离器件

在本质安全电路中，通常情况下，电隔离器件主要是指光耦合器件。当然，符合相应规定的继电器以及其他元器件也可以用作电隔离器件。

电隔离器件，假若符合相应要求，便被认为是不可跨接而发生短路的可靠电隔离器件。例如，光耦合器件，只要它的额定值符合第6.3.1节的“三分之二原则”规定，而且又经受了相应的介电强度试验，便可以认为这种器件是一种可靠电隔离器件。

这里以光耦合器件为例来讨论可靠电隔离器件。

（1）结构与安全要求

光耦合器件是一种以光为耦合介质在它的输入端和输出端之间传递电信号的器件。这种器件，按照结构形式，通常由三部分组成：光的发射、光的接收及电信号的放大，具有很好的电气隔离特性；按照封装形式，可以分为单只封装器件和集成封装器件。这里作为可靠元器件，主要讨论单只封装的光耦合器件（集成封装器件一般不被看作是可靠元器件）。

在使用光耦合器件对本质安全电路和非本质安全电路进行电隔离时，人们应该在非本质安全电路的输入端配置适当的保护环节，以保证非本质安全电路的电压和电流不会超过光耦合器件的额定值的三分之二。

在非本质安全电路输入端配置合适的熔断器和齐纳二极管，就是这样的保护环节。此时，熔断器应该能够分断预期的峰值电源电流；齐纳二极管的额定功率不应该小于1.7I_n电流与最高齐纳电压之积。

（2）试验

在本质安全电路和非本质安全电路之间设置的光耦合器件，假若非本质安全电路侧设置的保护环节不足以提供可靠的过载保护，应该承受以下规定的型式试验。(www.xing528.com)

1）介电强度试验

在介电强度试验时，光耦合器件应该首先进行过载温度试验，之后才能进行介电强度试验。

①过载温度试验

在进行过载温度试验时，光耦合器件的接收侧（发射侧）应该以额定电压和额定电流运行，发射侧（接收侧）应该以不损坏元件的规定功率运行（这个功率可从光耦合器件的数据表中选取）。

试验在发射侧（接收侧）达到热稳定以后应该再增加功率直至又一次达到热稳定，如此继续下去直到发射侧（接收侧）半导体元件损坏为止。试验人员应该记录环境温度和试验样品刚好损坏之前发射侧（接收侧）的最高表面温度。

不管是发射侧还是接收侧，试验都应该分别用5只试验样品进行。

②介电强度试验

在过载温度测试之后，试验人员应该将试验所用的10个试验样品放置在温度为所测得的最高表面温度加10K（不超过15K）的烘箱中至少6h，但也不必超过7h。

接着，试验人员应该将这些试验样品放置在实验室环境温度下，待温度降至（25±2）℃时在本质安全接线端子和非本质安全接线端子之间施加试验电压1.5kV[（50±2）Hz或（60±2）Hz，有效值]，并在10s内增至3kV，然后，保持（60±5）s。

在试验过程中，光耦合器件的发射侧和接收侧的绝缘应该没有发生击穿，泄漏电流不应该超过5mA。

2）炭化试验

炭化试验所用试验样品应该为10只（每5只一组）。每一只试验样品均应该承受过载温度试验。经过过载温度试验后的试验样品才能进行炭化试验。

在试验时，试验人员应该在试验样品的下列部位施加试验电压375V[（50±2）Hz或（60±2）Hz，有效值]并保持30min。

●发射侧，二极管的正、负极上；

●接收侧，晶体管的集电极和发射极上。

在试验的最后5min内，泄漏电流不应该超过5mA。

3.可靠限流电阻器

在本质安全电路中使用的可靠限流电阻器，应该是下列型式的：

●薄膜型；

●线绕型；

●经过浇封或涂覆的混合电路以及印制电阻。

可靠限流电阻器的额定电压和额定功率应该满足第6.3.1节中规定的“三分之二原则”。

对于薄膜型电阻器，主要有金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻等。金属膜电阻具有精度高、稳定性好、温度系数小等优点，而且体积又小，噪声又低。金属氧化膜电阻的特点是耐高温、耐热冲击、负载能力强。碳膜电阻的性能一般，但成本低。

对于线绕型电阻器，它具有性能稳定、耐热性好、误差范围小等特点，适用于大功率的情况。在底板上安装后，制作人员应该用浇封化合物把它浇封起来，以防止绕线断开时绕线松展开与其他元器件或导线“搭线”。浇封化合物固化后表面的相比电痕化指数应该符合表6.1中的相应规定值。

对于这样的线绕型电阻器，人们不必考虑其绕线之间可能发生匝间短路故障。

此外，在正常运行条件下，熔断器和灯泡灯丝的冷态电阻（在最低环境温度条件下）也可以认为是可靠限流电阻器。

4.可靠隔直电容器

在电子电路（包括在本质安全电路）中，隔直电容既可以在级间隔离直流传递交流信号，又可以作为旁路元件滤除高频信号。

在本质安全电路中，作为隔直电容使用的电容器应该采用高度可靠的固体介质电容器，不可以使用电解电容器和钽电容器。在电容器的正、负极板之间使用纸、云母、陶瓷或薄膜等固体介质的电容器就是这种电容器，它的可靠性高，稳定性又好。而电解电容器和钽电容器内包含液体介质，例如稀硫酸溶液，在使用过程中有可能泄漏，从而造成附加危险。

电容器的额定电压应该不小于电路中可能出现的最高电压的1.5倍值。

两个这样的电容器串联起来组成一个隔直电容器组件。这是一种可靠组件。

在隔直电容器组件中，每一个电容器的绝缘都应该承受相应的介电强度试验。

当隔直电容器布置在本质安全电路和非本质安全电路之间时，人们还应该考虑到电路中可能产生的瞬态效应。

5.可靠电感器（线圈）

在本质安全电路中使用的电感器应该符合下列要求：

①绕制电感线圈的导体的线径不得小于0.05mm。

②电感线圈的两个导体之间至少有两层绝缘，或者，有一层厚度大于0.5mm的固体绝缘，或者，采用符合国家标准GB/T 6109.2《漆包圆绕组线 第2部分：155级聚酯漆包铜圆线》、GB/T6109.5《漆包圆绕组线 第5部分：温度指数180的聚酯亚胺漆包铜圆线》、GB/T6109.6《漆包圆绕组线 第6部分：温度指数220的聚酰亚胺漆包铜圆线》规定的1级（经相应试验合格）和2级漆包线绕制线圈。

这里需要指出的是，电感线圈绕制完成后应该进行浸渍绝缘处理；通常应该采用沉浸、滴注或真空浸渍的工艺方法，涂刷和喷涂被认为不是有效的浸渍方法。当所用的浸渍物质中含有溶剂时，线圈至少应该进行两次这样的浸渍和烘干。

6.可靠安全分流组件

在本质安全电路中，用来保证电路的本质安全性能的元器件组合被称为安全分流组件。

当安全分流组件仅仅承受最高电压（U_m）作用时，安全分流组件中的每一个元器件都应该符合第6.3.1节的“三分之二原则”规定；假若元器件用熔断器进行保护时，元器件应该能够承受熔断器的1.7I_n电流值的持续电流（I_n——熔断体电流）。

必要时，安全分流组件应该用符合规定的浇封化合物浇封起来，以避免连接处断开形成火花。

（1）安全分流器

当安全分流组件能够保证把电路中元器件或部件的使用电气参数控制到不使本质安全性能失效时，这样的组件被视为可靠安全分流器。

当安全分流器承受最高电压（U_m）时，它应该能够承受电路中可能出现的瞬态过程。但是以下情况可以不予考虑：

①用于限制电感器或压电器件等储能器件放电时。

②用于限制电容器等储能器件电压时。

例如，连接成桥式电路的二极管组件，只要二极管的额定值符合相应要求，则可以被认为是可靠安全分流器。

（2）安全限压器

当安全分流组件能够保证符合要求的电压施加到本质安全电路时，这样的组件被视为安全限压器。

当安全限压器承受最高电压（U_m）时，它应该能够承受电路中可能出现的瞬态过程。但是以下情况可以不予考虑：

①由可靠电源变压器供电时。

②由二极管安全栅供电时。

③由电池（组）供电时。

④由安全分流组件供电时。

例如，当采用半导体二极管（包括齐纳二极管）组成安全分流组件时，分流组件应该用两只二极管并联组成，而且，每一只二极管都能够承受故障状态下流过连接点的最大电流。这样的安全分流组件就是可靠并联限压器。

7.元器件的可靠连接

在本质安全型电气设备的电路中，除了可靠元器件外，这些元器件之间的连接导线和导线连接也应该是可靠的。可靠连接被认为是不会发生开路故障的。

当可靠元器件之间的连接符合下列要求时，这种连接便被认为是可靠连接。

（1）连接导线

当可靠元器件之间采用导线连接时，这种连接应该满足以下要求：

①用两根导线并联连接。

②用直径至少为0.5mm的单根导线连接，而且，无固定的长度不得大于50mm或者在连接点设置可靠的固定措施。

③用单根导线截面积至少为0.125mm²（直径为0.4mm）的带状软线连接，而且，无固定的长度不得大于50mm或者在连接点设置可靠的固定措施。

（2）印制导线

在印制电路板上，印制导线应该满足以下要求：

①两条并联连接，而且，每一条印制导线的宽度不得小于1mm。

②单条连接，但是，它的宽度至少为2mm或者宽度大于其长度的1%，取二者较大值。

多层印制电路板中每一层的印制导线与另一层的印制导线之间，应该通过一个周长至少为2mm的导通孔连接，或者，通过并排设置、周长至少为1mm的两个导通孔连接，而且印制导线的宽度应该符合上面的要求。

③印制导线的标称厚度不应该小于35_μm（覆铜箔厚度），或者，印制导线能够通过相应的有关试验。

（3）连接点

不管是在安装底板上还是在印制电路板上，导线的连接点（或焊接点）都必须连接可靠。例如，

①对于并联连接的导线，每一端的连接点都应该有两个。

②对于只用一个焊接点的情况，连接导线在焊接点处穿过印制电路板上小孔弯曲后焊在焊接点上，当然也可以使用其他等效的方法焊接。

③对于贴片元件，焊接处的焊接长度至少为2mm。

④连接导线可以采用螺钉或螺栓连接，而且，要有放松措施。

这里需要说明的是，在“ic”级本质安全型设备和电路中，人们可以不采用这种所谓的“可靠连接”。