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機柜正壓防爆技術

文檔作者：徐建乎文檔來源：上海工業(yè)自動化儀表研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月09日
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機柜正壓防爆技術
上海工業(yè)自動化儀表研究所徐建乎
【摘要】本文論述了正壓防爆原理和機柜的正壓防爆結構，并對通風式和補償式兩種正壓防爆結構的性能、
經(jīng)濟性和實用性進行了比較
隨著我國危險產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和其生產(chǎn)規(guī)模的
不斷擴大， 目前，絕大部分的石油、化工、冶
金、煤炭，甚至輕工行業(yè)的現(xiàn)場環(huán)境條件都十
分惡劣，往往存在有大量的爆炸性危險氣體或
蒸氣、腐蝕性氣體、粉塵和潮氣等，它們將不
可避免地侵入機柜(低壓電器柜、配電柜、儀
表盤、控制柜、操作柜等)內部 這不僅對機柜
內的各種低壓電器、儀器儀表、電子元器件及
插接件等的長期可靠性造成了致命的影響，而
且，由于爆炸性危險氣體、蒸氣的存在，嚴重
威脅著各危險產(chǎn)業(yè)部門的國家財產(chǎn)和人民生命
的安全。
正壓防爆技術是近年來的一門新興學科，
將正壓防爆技術應用于工業(yè)機柜．一方面可從
根本上實現(xiàn)機柜電氣防爆，另一方面，由于機
柜內正壓的可靠存在，可很好地克服惡劣環(huán)境
條件對柜內器件和儀表等的不良影響，從而使
整個系統(tǒng)具有防爆、防塵、防潮和防腐的性能，
極大地提高了機柜的環(huán)境適應性。因此，全面推
廣應用機柜正壓防爆技術．必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)
濟效益和社會效益。
一
、正壓防爆原理
眾所周知，爆炸性物質(氣體或蒸氣)、空
氣(或氧氣)和點火源是產(chǎn)生爆炸的三個不可
缺少的要素，它們互為條件，缺少任何一個要
素都不會產(chǎn)生爆炸。正壓防爆技術就是采用保
持內部保護氣體(空氣或不可燃性氣體)的壓
力高于周圍爆炸性環(huán)境的壓力， 阻止外部爆炸
性混合物進入外殼，避免爆炸性混合物與外殼
內部的點火源(電火花或熱表面)接觸來實現(xiàn)
防爆的， 下圖是正壓防爆原理示意圖
一34 一
正壓防爆原理示意I簦I
二、機柜正壓防爆結構
●
1． 正壓防爆結構的分類
正壓防爆結構接其結構形式可分為兩類：
通風式正壓防爆結構和補償式正壓防爆結構。
通風式正壓防爆結構是指保護氣體連續(xù)地
通過正壓外殼，從而使外殼內保持正壓的防爆
結構。
補償式正壓防爆結構是指外殼內部保護氣
體出現(xiàn)少量向外泄漏時，可根據(jù)泄漏量的大小，
連續(xù)或間歇地從外殼外部向外殼內補充保護氣
體．從而保持外殼內部正壓的防爆結構。
2． 結構設計
(1)外殼進氣口和排氣口的設置無論外
殼設計成通風式正壓防爆結構還是補償式正壓
防爆結構，外殼的適當部位都必頹設置一個或
幾個與進、出風管道相連的進、排氣口。進、排
氣口的位置、尺寸和個數(shù)與外殼(包括連接管 。
道)的內部形狀應能確保氣流暢通，避免可能
產(chǎn)生氣體滯留的死角．并滿足進行充分換氣的
要求。補償式正壓防爆結構的排氣口在進行換
氣處理后應能自動妥善密封。這里的“換氣”是
指足量的保護氣體通過正壓外殼和管道，使外
殼和管道內的爆炸性混臺物濃度降低到爆炸下
限 _F的過程。
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●
(2)連線機柜與外部設備電氣連接的導
線，不得破壞外殼的正壓防爆性能。電纜和金屬
導線，可以直接引入外殼內部，但是電纜引入
的情況應適當考慮防止電纜劃破和撥脫的措
施。有時，為了便于用戶接線，導線也可以通過
隔爆結構或增安型防爆結構的端子箱引入外殼
內。
(3)外殼防護等級為了更有利于保持正
壓或充分達到換氣的目的，除用于連接保護氣
體的供氣口或排氣口外，外殼上用于貫穿機械
活動部件的孔至少必須符合GB4208-84《外
殼防護等級的分類》規(guī)定的IP40防護等級的要
求。對于要求防水和防止殼體內可能噴出任何
火花(電火花、機械火花等)或熾熱微粒的外
殼，其防護等級應比IP40的防護等級更高一
些。
(4)外殼、管道等的材料機柜外殼及連
接管道等的材料須采用具有良好的耐腐蝕性能
和不燃性或難燃性材料，而且，這些材料必須
能耐傳導預計的最高表面溫度而不損壞正壓防
爆性能。當采用塑料外殼時，還必須考慮有效的
安全措施，防止危險靜電的產(chǎn)生和積聚。通常的
辦法是將塑料表面絕緣電阻控制在1×10。Q以
內 對于采用輕合金材料制作的外殼，應將其含
鎂量控制在0．5 (重量比)之內，以免因摩擦
或撞擊產(chǎn)生危險的機械火花。
(5)外殼、管道等的機械強度機柜外殼、
管道及其連接件等必須制成能承受正常運行時
所規(guī)定的最大正壓值的1．5倍壓力(但不低于
200Pa)，并能承受GB3836-83《爆炸性環(huán)境用
防爆電氣設備通用要求》第21．1條規(guī)定的沖擊
試驗。
3．正壓保持值
正壓外殼及其連接管道內可能產(chǎn)生泄漏的
所有部位，相對于外界大氣的正壓值必須不低
于50Pa。正壓保持值的產(chǎn)生可借助于通風機、空
氣壓縮機和壓縮氣瓶中的壓縮不燃性氣體等設
備來實現(xiàn)。
4、保護氣體
用于換氣和保持正壓的清潔空氣或不燃性
氣體(如惰性氣體等)叫做保護氣體。通常要求
保護氣體的化學性能或所含雜質的理化性能不
得影響機柜內電氣設備的安全性和正常運行的
可靠性。
5． 安全設計
凡是保證正壓外殼防爆性能的安全裝置，
它們應該是本身不能引起爆炸的設備，必要時
可選用與爆炸環(huán)境相適應的防爆電氣產(chǎn)品或將
它們安置在安全場所。安全裝置的設計應主要
考慮以下幾個方面：
(1)應設置如時間繼電器、流量監(jiān)測器、差
壓控制器之類的安全裝置，以便保證在用足夠
量的保護氣體進行換氣、使外殼內的爆炸性氣
體或蒸氣的濃度低于爆炸下限之前，正壓外殼
中的電氣設備(除已采取防爆或其它安全措施
的電氣設備外)不能接通電源。通常最小換氣量
的多少由國家勞動安全部門指定的檢驗單位試
驗確定，但至少為外殼及其連接管道總凈容積
的5倍。
(2)當由于保護氣體的突然中斷或門蓋的
意外打開、機柜外殼內的正壓值下降到規(guī)定的
最低值時，應有自動切斷電源或其它安全保護
裝置。
(3)如果保護氣體供給系統(tǒng)意外故障時，可
能出現(xiàn)引起外殼、管道或連接件等危險變形的
正壓時，必須預先考慮適當?shù)陌踩b置，如正
壓上限報警裝置等。
(4)對于機柜內有可能噴出火花或熾熱微
粒的任何情況，應采取有效的保護措施，保證
這些火花或熾熱微粒不會逸出到機柜外部。必
要時在排氣管道出口，甚至外殼的泄漏部位應
設置阻擋層或阻火元件器。
(5)快開式門或蓋必須設有聯(lián)鎖裝置，保
證在電源斷開之前， 門或蓋不能打開； 門或蓋
打開后，電源不能接通，并保證門或蓋關妥后，
在接通電源之前先進行充分的換氣處理。采用
螺拴緊固的門或蓋可不設聯(lián)鎖裝置，但須在外
殼的明顯部位設置“斷電源后開蓋 的警告標
志
(6)內裝電容器且具有快開式門或蓋的機
35 —
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柜外殼， 由斷電至開門或蓋的時間間隔須大于
電容器放電至20徽焦( )剩余能量所需的時
間，并在外殼的明顯部位設置標明斷電后延遲
開門或蓋的時間間隔警告標志；同樣， 內裝電
熱器或大功率發(fā)熱部件且具有快開式門或蓋的
機柜外殼，由斷電至開門或蓋的時間間隔須大
于電熱器或大功率發(fā)熱部件溫度降至低干正壓
機柜允許最高表面溫度所需的時間．并在外殼
的明顯部位設置標明斷電后延遲開門或蓋的時
間間隔警告標志；對于采用螺栓緊固門或蓋的
結構，如果斷電至打開門或蓋所需的最小時間
小于上述延遲時間間隔，則也應設置與上述相
同的警告牌。
(7)當若干個獨立外殼公用一個保護氣體
源時，可以幾個外殼一組．考慮外殼最不利條
件下的安全監(jiān)控效果，公用一個安全裝置。當打
開某一獨立外殼的門或蓋時，只要符合下列三
個條件，公用安全裝置可 不切斷這一組外殼
的電源或發(fā)出報警信號。
a．切斷電源后，才能打開獨立外殼的門或
蓋
b．公用安全裝置能繼續(xù)監(jiān)控本組其余外殼
內的正壓。
被打開過的獨立外殼在完成充分的換氣
處理后，才可能接通電源。
5． 最高表面溫度
熱表面溫度是一種危險的點燃源，爆炸性
危險氣體與高于其自燃溫度的熱表面接觸就可
能引起爆炸。
按照GB3836、1— 83標準， Ⅱ類工廠用正
壓型防爆電氣設備的允許最高表面溫度按其使
用危險區(qū)域存在的爆炸性氣體混合物的自燃溫
度同樣可分為T1～T6六個組別，如表所示。對
于I類煤礦用電氣設備的最高表面溫度．在表
面能堆積粉塵的環(huán)境中規(guī)定為150'C，如果能避
免粉塵堆積的危險．則其最高表面溫度規(guī)定為
d50℃ 。
在設計一個正壓型防爆機佑時．應盡量限
制其最高表面溫度，并確保正壓并殼表面、危
險場所內的連接管道表面 及各排氣口或泄漏
36 一
表 I婁防爆電氣設備允許最高表面溫度的分組
溫度緞崩 允許蛀高表面溫廑f c)
450
300
200
【3
【O0
85
部位的保護氣體的最高溫度均不超溫度組別的
允許溫度。當保護氣體中斷后．外殼內部的元、
器件表面溫度可能超出溫度組別允許的溫度
時，須采取有效措施(如用發(fā)熱元、器件制成
澆封或氣密結構或采取輔助冷卻通風措施等)．
保證發(fā)熱元、器件與外界隔離或保證發(fā)熱元、器 ·
件的表面溫度冷卻至允許值時，爆炸性氣體才
可能與這些部件接觸。
三、通風式和補償式正壓防爆結構
的性能比較
通風和補償是實現(xiàn)機柜正壓防爆的兩種不
同方法，=者都是使機柜外殼內保持正壓最終
目的．從防爆機理上講，它們都很好地解決了
機柜的電氣防爆問題。但是，由于通風式正壓防
爆結構的耗氣量是補償式正壓防爆結構的幾十
倍甚至幾百倍，在當前我國能源還十分緊缺的
情況下，采用補償式正壓防爆結構將更加經(jīng)濟、
實用。不過，這里有一種情況例外，即對于存在
有發(fā)熱元、器件或大功率發(fā)熱部件需要散熱的
機柜，可能采用通風式正壓防爆結構更為合適，
這主要是因為通風式正壓防爆結構的保護氣體
將連續(xù)不斷地通過正壓外殼，可 把正壓外殼
內發(fā)熱元、器件或大功率發(fā)熱部件的熱量帶走，
有效地解決了機柜的散熱技術．極大地提高了， ‘
柜內各器件和儀表的工作壽命和可靠性。而對
于補償式正壓防爆結構，由于其工作方式本身 ．
的要求，決定了外殼必然具有比通風式正壓防
爆結構更好的密封結構，從而使機柜的散熱條
件更加惡化，大大地加速了元、器件的老化，特
別是對具有發(fā)熱元、器件或大功率發(fā)熱部件的
機柜和采取密集安裝方式的機柜，散熱將是必
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單相自動調壓裝置
單相自動調壓裝置(以下簡稱調壓裝置)適
用于供電線路電壓波動較大、嚴重影響受電設
備正常運行的場合。該調壓裝置適應的輸入電
壓變化范圍為160～270v，輸出電壓控制范圍
為200~240v，線路具有過載、過電壓及短路保
護，可作為家用照明及家電設備的總電源開關，
也可以用于電壓較低的飯店、旅館、學校、娛
樂場所及要求電壓比較穩(wěn)定的場合，是一種比
較簡單的節(jié)能型調壓裝置。
。 一、調壓裝置的基本原理
本裝置的最大特點是利用容量較小的變壓
器，進行升壓、降壓，井能傳遞較大的功率。調
壓過程中，線路不會出現(xiàn)瞬間斷電，并能將輸
出電壓控制在一定的范圍內。
調壓裝置的原理見圖1a，變壓器的原邊接
電源，副邊串接在主線路內。副邊繞組內產(chǎn)生的
感應電勢E 與原邊繞組的電勢E 的方向相
同，兩者之和為負載的工作電壓，見圖1b
天津市電器成套廠李貴喜
如果供電線路的電壓過高，如超過240v，
變壓器原邊將從線路上斷開，副邊繞組變成電
抗器進行降壓．使輸出電壓控制在200～2 0V
之間 當供電線路的電壓正常時，副邊繞組被短
接，線路直接供電。由于變壓器副邊串入主線路
內，故稱該變壓器為串聯(lián)變壓器。
圈1 主線路原理接線圈
二、調壓裝置的變壓器
1．變壓器的額定容量
調壓裝置通過電子控制線路使串聯(lián)變壓器
調壓．將輸出電壓控制在一定的范圍內。變壓器
的額定容量s取決于升壓電壓值和負載工作電
須考慮的技術問題 這時，通常情況下．人們可
以考慮采用熱管散熱技術來解決機柜的散熱問
題，但是，這種總體設計思想往往在經(jīng)濟上不
可取，因為熱管技術的應用，勢必大大提高產(chǎn)
品的成本 因此，廣大工程技術人員在進行正壓
防爆結構的選型和設計時，必須從綜合技術經(jīng)
濟指標出發(fā)，決定采用補償式正壓防爆結構或
通風式正壓防爆結構。
四、正壓型防爆機柜的應用前景
正壓型防爆機柜可廣泛適用于具有爆炸性
危險氣體或蒸氣的1區(qū)和2區(qū)危險場所。自1987
年我國對這種防爆技術形成國家標準
(GB3836．5～87爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備
正壓型電氣設備“P”)以來，有關機柜正壓防
爆技術在工業(yè)中的贏用， 已有許多實例，如多
功能涂層機系統(tǒng)、稱重儀、儀表盤等，經(jīng)過現(xiàn)
場運行考核，都顯示出極大的適應性和安全可
靠性 相信，隨著我國危險產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和生
產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，正壓型防爆機柜將越來越
被廣泛采用．特別是對處在爆炸性危險區(qū)域內
工作的各種電力控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)機
柜，如：石油、化工、冶金、油田、煤炭和塑
料噴涂等危險產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)場，采用正壓型防爆機
柜無疑具有極其廣闊的應用前景
參考文獻
[1]日本勞動者產(chǎn)業(yè)安全研究所，最新工廠用電氣
設備防*指南(氣體防*1985)
[2]CENELEC．ENS0015 ELectrical for potentially explosiv~
atm osphem
[3 GB3836 5-87《*炸性環(huán)境用防爆電氣設備
正壓型電氣設備?P 》
37

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