在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備中，常使用不同型號(hào)的熔斷器進(jìn)行電路的過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)，以及各種半導(dǎo)體器件組成電路的不同功能環(huán)節(jié)。不管什么情況，這些元器件都應(yīng)該符合下面的相應(yīng)要求。

 

1.熔斷器

通常情況下，熔斷器是由熔斷體和它的支持件組成的。

在定義熔斷器的額定電流時(shí)，一般有兩種電流：支持件的額定電流和熔斷體的額定電流。

熔斷器的額定電流就是指支持件的額定電流。

熔斷體的額定電流就是指熔斷器內(nèi)裝熔斷體(熔絲)的額定電流，可以有幾個(gè)，但是都不允許大于支持件的額定電流。例如，對(duì)于一個(gè)額定電流為10A的熔斷器來(lái)說(shuō)，它允許的熔斷體的額定電流有10A、6A和4A三個(gè)檔次。通常情況下，對(duì)于這種熔斷器，在選擇熔斷體的額定電流時(shí)，人們應(yīng)該根據(jù)被保護(hù)電路的性質(zhì)來(lái)選擇4A或6A，最多也不能超過(guò)10A。

熔斷器的額定電壓則只有一個(gè)，對(duì)于熔斷體和支持件，是一致的。

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備中，當(dāng)熔斷器用來(lái)保護(hù)相應(yīng)電路時(shí)，則熔斷器應(yīng)該能夠連續(xù)地通過(guò)1.7L的電流(其中，L是指熔斷體的額定電流，在穩(wěn)定的負(fù)載情況下，可以是電路的額定電流);熔斷器的時(shí)間-電流特性應(yīng)該保證在被保護(hù)電路出現(xiàn)瞬態(tài)值之前將熔斷體熔斷;而且，熔斷器(熔斷體)的極限分?jǐn)嗄芰?yīng)該能夠快速地分?jǐn)嚯娐分锌赡艹霈F(xiàn)的最大預(yù)期短路電流(在電壓為250V的電路中，這個(gè)電流采用1500A)。

通常認(rèn)為，熔斷器的時(shí)間.電流特性主要用于被保護(hù)電路的過(guò)載保護(hù);熔斷器的極限分?jǐn)嗄芰χ饕糜诒槐Ｗo(hù)電路的短路保護(hù)。

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備和電路中，熔斷器的額定電壓，不應(yīng)該小于可能施加在關(guān)聯(lián)設(shè)備的非本質(zhì)安全接線端子上的最高電壓或施加在本質(zhì)安全電路接線端子上的最大輸入電壓(Ui)。

 

圖1熔斷器的時(shí)間一電流特性曲線

1-時(shí)間-電流特性;2-被保護(hù)元件的瞬態(tài)值

熔斷器的極限分?jǐn)嗄芰Σ粦?yīng)該小于所安裝電路的最大預(yù)期短路電流。不同的熔斷體具有不一樣的極限分?jǐn)嗄芰?。假若極限分?jǐn)嗄芰π∮谧畲箢A(yù)期短路電流，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，熔斷體就會(huì)瞬間熔融汽化，發(fā)生爆炸，造成十分嚴(yán)重的后果。所以，有時(shí)候，人們?yōu)榱吮ＷC熔斷器的極限分?jǐn)嗄芰Υ笥陔娐返淖畲箢A(yù)期短路電流，常常在電路中使用限流元件來(lái)限定最大預(yù)期短路電流，例如，人們可以使用可靠限流電阻器作為這種限流元件。此時(shí)，它的額定值不得小于：

·電流：1.5×1.7in。

·電壓：Um或U。

·功率：1.5×(1.7In)2R。

R—可靠限流電阻器的電阻值(Q)。

下面舉例說(shuō)明使用可靠限流電阻器作為限流元件時(shí)電阻值的計(jì)算。

【例】假設(shè)使用熔斷器來(lái)保護(hù)某一電路，熔斷器熔斷體的額定電流為0.1A，極限分?jǐn)嗄芰?/span>750A，最高電壓為250V。

根據(jù)歐姆定律計(jì)算可知，可靠限流電阻器的電阻值為

R≥250V/750A≈0.33Q

于是，可靠限流電阻器的耗散功率值為

P≥1.5×(1.7×0.1)2×0.33W≈0.02W

這樣，就可以根據(jù)電阻器的產(chǎn)品樣本選用符合這一要求的合適的電阻器。

事實(shí)上，在熔斷器保護(hù)的電路中接入可靠限流電阻器并不會(huì)對(duì)電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

這里應(yīng)該指出的是，當(dāng)熔斷器用于“ia”級(jí)、“ib”級(jí)設(shè)備和電路中作為保護(hù)器件，且在爆炸性氣體環(huán)境中使用時(shí)，它應(yīng)該被澆封起來(lái)。 

2.半導(dǎo)體器件

(1)半導(dǎo)體器件

這里所說(shuō)的半導(dǎo)體器件，主要是指半導(dǎo)體二極管(包括齊納二極管)、連接成二極管使用的半導(dǎo)晶體管、晶閘管以及其他等效的半導(dǎo)體器件。

這些半導(dǎo)體器件，在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備中，可以被連接成并聯(lián)限壓器和(或)串聯(lián)限流器。在關(guān)聯(lián)設(shè)備中使用時(shí)，這些器件還應(yīng)該能夠承受電路中交流峰值電壓或最大直電壓除以串聯(lián)的可靠限流電阻器的電阻值所得的電流。

當(dāng)半導(dǎo)體器件用作并聯(lián)限壓器時(shí)，它們應(yīng)該能夠承受故障狀態(tài)下在其安裝處可能出現(xiàn)的最大故障電流乘以相應(yīng)安全系數(shù)的電流值。

①二極管、晶體管、晶閘管等器件的正向額定電流，對(duì)于“ia”級(jí)和“ib”級(jí)設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流的1.5倍值;對(duì)于“ic”級(jí)設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流值。

②齊納二極管的結(jié)額定耗散功率不得小于齊納耗散功率的1.5倍值。它的正向額定電流，對(duì)于“ia”級(jí)和“ib”級(jí)設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流的1.5倍值;對(duì)于“ic”級(jí)設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流值。

當(dāng)設(shè)備的輸入電路和輸出電路都是本質(zhì)安全型電路時(shí)，對(duì)于“ia”級(jí)設(shè)備，使用兩只這樣的半導(dǎo)體器件作為并聯(lián)限壓器被認(rèn)為是可靠組件。

對(duì)于“ia”級(jí)關(guān)聯(lián)設(shè)備，使用三只晶閘管作為并聯(lián)限壓器被認(rèn)為是可靠組件。

不管是什么情況，作為并聯(lián)限壓器使用時(shí)，這樣的半導(dǎo)體器件都應(yīng)該承受電路中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)效應(yīng)。

當(dāng)半導(dǎo)體器件用作串聯(lián)限流器時(shí)，在“ia”級(jí)設(shè)備中人們應(yīng)該采用三只半導(dǎo)體二極管組成阻塞保護(hù)環(huán)節(jié)，不應(yīng)該使用其他的半導(dǎo)體器件，因?yàn)椤?/span>ia”級(jí)設(shè)備是允許使用在0區(qū)的，而且電路又可能隨時(shí)出現(xiàn)瞬態(tài)效應(yīng)，哪怕是暫時(shí)的。

然而，在“ib”級(jí)和“ic”級(jí)設(shè)備中，人們可以使用所有的半導(dǎo)體器件組成串聯(lián)限流器。

(2)瞬態(tài)效應(yīng)

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備和電路的關(guān)聯(lián)設(shè)備中，半導(dǎo)體器件應(yīng)該能夠承受電路中可能出現(xiàn)瞬態(tài)效應(yīng)。這種瞬態(tài)效應(yīng)常常是由于電源電壓(交流的或直流的)的突然變化和開(kāi)關(guān)器件(例如，晶閘管半導(dǎo)體器件)的“開(kāi)”與“關(guān)”引起的。

在電路中的這種瞬態(tài)效應(yīng)有可能威脅著電路的本質(zhì)安全性能。

例如，用一只晶閘管半導(dǎo)體器件與負(fù)載并聯(lián)來(lái)保護(hù)這個(gè)負(fù)載。當(dāng)電源有一個(gè)瞬態(tài)電壓即將施加在負(fù)載上時(shí)，晶閘管應(yīng)該攔截這個(gè)電壓。但是，由于晶閘管和相關(guān)檢測(cè)電路的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較大，于是，在檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)并使晶閘管導(dǎo)通之前，瞬態(tài)電壓就已經(jīng)施加在這個(gè)負(fù)載上了。當(dāng)然，還有一些其他的例子，例如，在限流開(kāi)關(guān)動(dòng)作之前就可能有一個(gè)大的電流竄入負(fù)載，等等。

因而，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備規(guī)定，這種瞬態(tài)效應(yīng)所攜帶的能量不應(yīng)該超過(guò)：

對(duì)于Ⅰ類設(shè)備，260μJ;

對(duì)于ⅡA級(jí)設(shè)備，160μJ;

對(duì)于ⅡB級(jí)設(shè)備，80μJ;

對(duì)于ⅡC級(jí)設(shè)備，20μJ。

當(dāng)瞬態(tài)效應(yīng)所攜帶的能量不超過(guò)上述值時(shí)，瞬態(tài)電壓和(或)瞬態(tài)電流可以超過(guò)相應(yīng)的安全數(shù)值(參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備的數(shù)據(jù)表)。

這種瞬態(tài)能量可以通過(guò)試驗(yàn)用高速存儲(chǔ)示波器來(lái)求得，而不適宜用火花點(diǎn)燃試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)檫@個(gè)瞬態(tài)能量出現(xiàn)的時(shí)間太短，且數(shù)值很小。

這里以ⅡB級(jí)的防爆電器設(shè)備為例來(lái)說(shuō)明這種瞬態(tài)能量的測(cè)量方法。

【例】試驗(yàn)用一個(gè)數(shù)值為18V的供電電壓通過(guò)一個(gè)限流開(kāi)關(guān)向一個(gè)齊納負(fù)載(齊納電壓為14.5V)供電。試驗(yàn)電路如圖2所示。測(cè)量并計(jì)算此時(shí)電路可能出現(xiàn)的瞬態(tài)能量。

從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備的數(shù)據(jù)表中得知，對(duì)于ⅡB級(jí)設(shè)備，當(dāng)電壓為18V時(shí)，允許的最大電流是1.66A。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員調(diào)整電路的電流等于1.66A。此時(shí)，電路處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，例如，由于某種原因使通過(guò)電路的電流突然地增加，在限流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前就會(huì)有一個(gè)較大的電流疊加在1.66A上。試驗(yàn)用高速存儲(chǔ)示波器記錄這個(gè)電流的變化(幅度和時(shí)間)情況，如圖3所示。

 

圖2瞬態(tài)能量測(cè)試電路示意圖

1-梭試電路;2-限流開(kāi)關(guān);3-穩(wěn)壓二極管;4-高速存儲(chǔ)示波器

 

圖3瞬態(tài)電流的波形圖

I0一電流的安全范圍　t1—t2—瞬態(tài)電流作用的時(shí)間段

從圖3中可以看出，圖中陰影部分就是瞬態(tài)電流幅值隨時(shí)間變化的波形，它疊加在1.66A之上。在計(jì)算出這個(gè)面積之后，將它與供電電壓相乘即可得到瞬態(tài)效應(yīng)所攜帶的瞬態(tài)能量。

試驗(yàn)結(jié)果告訴我們，被試電路的瞬態(tài)能量q=81，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值(80)，因此，被試電路不合格。

這里需要特殊注意的是，在這種試驗(yàn)電路中，要最大限度地減小試驗(yàn)設(shè)備對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響(示波器是這個(gè)試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，分辨率要高)，因?yàn)樗鶞y(cè)試的能量太小。

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備內(nèi)部，這種瞬態(tài)效應(yīng)的影響比較小，因而，可以忽略。

3.壓電器件

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備中，有時(shí)候，人們根據(jù)需要往往使用一種被稱作壓電器件的元件。

所謂壓電器件，是一種用壓電材料制成的器件。壓電材料，例如，壓電陶瓷、壓電晶體材料、高分子壓電材料等，可以在外力作用下由機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以在電場(chǎng)作用下由電場(chǎng)力產(chǎn)生機(jī)械變形。這種固有的機(jī)電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中獲得廣泛的應(yīng)用。

例如，使用壓電材料制成的壓電濾波器、壓電晶體振蕩器、壓電換能器、壓力(加速度)傳感器等，就是這里所說(shuō)的壓電器件。

本質(zhì)安全電路中，壓電器件的安全性能主要是用沖擊試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定。在這種試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員應(yīng)該測(cè)量壓電器件的電容量(c)和端電壓(u)。

在分別進(jìn)行的兩次沖擊試驗(yàn)中測(cè)得的電容量和端電壓值中較大者，作為它的電容量和端電壓。

在實(shí)際測(cè)得的端電壓條件下，壓電器件中晶體電容器存儲(chǔ)的最大能量(1/2CU2)不應(yīng)該大于下列值：

·對(duì)于Ⅰ類設(shè)備，1500μJ;

·對(duì)于ⅡA級(jí)設(shè)備，950μJ;

·對(duì)于ⅡB級(jí)設(shè)備，250μJ;

·對(duì)于Ⅱc級(jí)設(shè)備，50μJ。

在壓電器件實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以使用限能保護(hù)元件來(lái)限制它的輸出能量。例如，在壓件兩端串聯(lián)可靠限流電阻器或(和)并聯(lián)限壓元件就可以限制它的能量。