無內釋放源正壓外殼電氣設備安全性能檢測技術研究

摘要
本文系統闡述了無內釋放源正壓外殼型電氣設備的兩項關鍵安全性能檢測項目：換氣試驗和靜態正壓時充氣程序試驗。文章詳細分析了各項檢測方法的原理與操作流程，明確了其在爆炸性氣體環境用設備認證中的適用范圍，引證了國內外核心標準規范，并介紹了檢測所需的關鍵儀器設備及其功能，為該類設備的防爆安全評估提供了完整的技術依據。

一、 檢測項目：方法及原理

無內釋放源正壓外殼通過保持內部保護氣體的壓力高于外部環境壓力，以防止外部爆炸性混合物侵入，從而實現防爆安全。其核心檢測項目旨在驗證正壓保護系統建立和維持有效防爆狀態的能力。

1. 換氣試驗

   • 檢測目的：驗證在設備啟動時，其正壓外殼內部空間能夠被足量的保護氣體有效置換，將可能積聚的可燃性氣體或粉塵濃度降至安全水平以下，確保在通電前形成安全的內部環境。

   • 檢測原理：該試驗基于流體力學和氣體置換原理。在設備外殼的進氣口通入規定流量和壓力的保護氣體（通常為空氣或惰性氣體），迫使氣體從外殼內部流過并從出氣口排出。此過程旨在用純凈的保護氣體置換出設備內部所有空間（包括死角、元件間隙）原有的空氣。試驗的關鍵在于確保換氣過程持續足夠長的時間（即“換氣時間”）或達到足夠的換氣體積（通常為外殼凈容積的5倍或以上），使得內部任何潛在的可燃物濃度被稀釋至不能構成點燃風險的水平。

   • 檢測方法：
     a. 流量計法：在保護氣體供應管路上安裝經校準的流量計。測量并調節氣體流量至設備設計值。記錄開始通氣的時間，并持續通氣直至達到規定的小換氣時間（T），T = (5 × 外殼凈容積 V) / 氣體流量 Q。確保在整個換氣期間，外殼內的正壓值始終維持在設備規定的小值之上。
     b. 壓力-時間曲線法：對于結構復雜、難以精確計算容積或存在內部阻擋物的外殼，可采用此方法。首先密封所有開口，向殼內充氣至一個較高的初始壓力P1，然后打開排氣閥，記錄內部壓力從P1下降到規定的低正壓值P2所需的時間t。通過分析壓力衰減曲線，可以評估外殼的有效流通特性，并結合計算驗證換氣效果。終仍需通過實際通氣流速和時間的乘積來確認總換氣量滿足要求。

2. 靜態正壓時充氣程序試驗

   • 檢測目的：模擬在設備斷電、內部無熱源運行的靜態條件下，驗證其正壓保護系統在經歷壓力損失后，能夠通過自動或手動控制的充氣過程，重新建立并維持足夠的內部正壓，而不觸發報警或斷電。

   • 檢測原理：該試驗考核的是正壓系統在“冷態”下的壓力保持與恢復能力。通過人為地將外殼內部壓力釋放至低于低允許值，然后啟動充氣系統，監測壓力恢復至安全值（通常為低正壓值的1.5倍或設備技術文件規定值）所需的時間、壓力穩定性以及保護裝置（如壓力傳感器、時間繼電器）的動作邏輯是否正確。

   • 檢測方法：
     a. 準備：設備處于斷電狀態，所有開口按要求封閉。啟動保護氣體供應系統，使外殼內壓力穩定在正常運行壓力范圍。
     b. 泄壓：通過外殼上預設的泄壓閥或臨時安裝的可控泄放裝置，緩慢或快速地將內部壓力降至低于設備規定的低正壓值（例如50 Pa）。
     c. 充氣與監測：壓力觸底后，充氣系統應自動或手動啟動（根據設備設計）。同時，使用高響應速度的壓力傳感器和數據記錄儀，連續監測并記錄外殼內部壓力從開始充氣到恢復至目標安全壓力（如75 Pa）的完整時間歷程曲線。
     d. 邏輯驗證：在充氣過程中，觀察并記錄壓力監控裝置是否在壓力達到安全閾值時正確發出信號（如解除報警、允許啟動信號），并且在整個過程中，用于安全聯鎖的計時器（如有）不應超時動作導致系統鎖定。充氣時間必須在設備設計或標準規定的限值之內。

二、 檢測范圍

上述檢測項目廣泛應用于所有擬用于爆炸性危險環境的、采用“正壓外殼‘p’”防爆型式的無內釋放源電氣設備。主要應用領域包括：

• 石油化工行業：大型分析小屋、控制柜、現場操作柱、變頻器柜。

• 煤炭礦山行業：井下主控站、采區變電所的正壓配電裝置。

• 醫藥化工行業：防爆區域內的PLC控制柜、動力配電箱。

• 糧食加工與倉儲：存在可燃性粉塵環境的正壓型電氣控制設備。

• 油氣勘探與生產：海上平臺及陸上油氣田的正壓防爆儀表箱、接線箱。

• 任何存在IIA、IIB、IIC類爆炸性氣體環境或III類可燃性粉塵環境中，需要將高功率、非防爆元件置于安全環境運行的電氣設備外殼。

三、 檢測標準

檢測活動必須嚴格遵循、標準規范，確保結果的有效性和公認性。

• 標準：

  • IEC 60079-2：《爆炸性環境 第2部分：由正壓外殼“p”保護的設備》。這是范圍內核心和基礎的標準，詳細規定了換氣試驗和靜態正壓試驗的要求、方法和合格判據。

• 中國標準：

  • GB/T 3836.5：《爆炸性環境 第5部分：由正壓外殼“p”保護的設備》。該標準等同采用IEC 60079-2，是國內進行產品認證和檢測的強制性依據。

• 其他區域性標準：

  • EN 60079-2：歐洲電工標準化委員會采納的IEC標準，是歐盟ATEX指令下的協調標準。

  • NFPA 496：美國消防協會標準，針對凈化、加壓和通風外殼的防爆要求，其方法與IEC 60079-2原理相通，但在具體參數和程序上可能存在差異。

關鍵參數要求（以GB/T 3836.5/IEC 60079-2為例）：

• 小換氣量：通常為外殼凈容積的5倍。

• 小換氣時間：必須足夠長以確保有效置換，并考慮結構復雜性。

• 低正壓值：通常不低于50 Pa（對于IIC類氣體環境，要求可能更高，如200 Pa）。

• 安全壓力值：至少為低正壓值的1.5倍。

四、 檢測儀器

完成上述檢測需要一系列專用、高精度的儀器設備。

1. 壓力測量儀器：

   • 數字微壓計/壓力傳感器：核心設備。需具備高分辨率（如0.1 Pa）、高精度（±0.5% FS或更高）和快速響應能力。用于實時監測和記錄換氣及充氣過程中的外殼內部壓力變化。通常需配備數據輸出接口，連接至數據記錄儀。

   • U型管壓力計或傾斜式微壓計：可作為輔助或粗略測量工具，但在認證試驗中通常以電子式數字微壓計為準。

2. 流量測量儀器：

   • 氣體質量流量計/控制器：安裝在進氣管道上，用于精確測量和控制進入外殼的保護氣體流量。其量程和精度需匹配設備的設計流量。

   • 轉子流量計（浮子流量計）：經濟實用的流量指示裝置，需經校準后方可用于定量測量。

3. 數據采集與記錄系統：

   • 數據記錄儀：能夠同步接收并記錄來自壓力傳感器、流量計等信號的多通道設備。用于生成壓力-時間、流量-時間曲線，為分析換氣效果和充氣動態過程提供客觀數據。

4. 計時器：

   • 電子秒表或數據采集系統內置時鐘：用于精確測量換氣時間和充氣恢復時間。數據記錄儀的系統時鐘通常能滿足精度要求。

5. 氣源與調節系統：

   • 壓縮空氣/惰性氣源：提供穩定、潔凈、干燥的保護氣體。

   • 壓力調節閥與過濾器：用于精確控制進氣壓力，并去除氣體中的油分、水分和顆粒物，確保試驗條件的一致性和設備安全。

結論

換氣試驗與靜態正壓時充氣程序試驗是無內釋放源正壓外殼型防爆電氣設備安全認證中的強制性且至關重要的環節。通過嚴格遵循標準化的檢測方法，使用精密的儀器設備，可以科學地驗證該類設備在啟動和靜態壓力故障恢復兩種關鍵工況下的防爆安全性，確保其在實際危險場所中能夠可靠運行，防止爆炸事故的發生。