防爆电气设备的通用结构设计

防爆电气设备的结构，由于防爆型式的不同，是各不相同的。但是，从总体上看，它们有着一些共同的结构形式。在设计、制造防爆电气设备时，人们可以根据需要采用这些结构来完成某种防爆型式的电气设备整体结构的设计与制造。

1.外壳及相关零部件

各种不同防爆型式的防爆电气设备都有着各自的外壳结构和形式。

这些外壳除了满足设备的基本机械性能外，还应该满足防爆型式的需要。例如，隔爆型电气设备的外壳，它应该防止内部的爆炸传到外部；增安型电气设备的外壳，它应该防止外物（例如固体异物、水）对外壳内部电气元器件的侵蚀；正压型电气设备的外壳，它应该防止内部压力的泄漏，而且还能够承受内部压力的作用；等等。但是，这些不同防爆型式的外壳还应该符合以下一些共同要求。

（1）防护等级

对不同防爆型式的防爆电气设备来说，外壳的防护要求是各不相同的。所谓防护要求或防护等级，是指外壳防止外物落入内部和防止水浸入内部的能力。外壳具有相应的防护等级对保持防爆电气设备的防爆安全性能是十分重要的。

国家标准GB 4208《外壳防护等级（IP代码）》规定，外壳的防护等级用IP代码表示；IP代码由代码字母IP（International Protection）和后续的两位数字以及附加字母组成（附加字母有时可以省略）。数字的第1位表示防外物等级，数字的第2位表示防水等级。例如，外壳的防外物等级为5级，防水等级为4级，防护等级可以写为IP54。GB 4208将外壳的防外物等级分为6个级别，防水等级分为8个级别，如表2.9和表2.10所示。

表2.9 外壳防外物等级和固体异物特征①

①引自GB 4208《外壳防护等级（IP代码）》。

表2.10 外壳防水等级和进水特征①

①同表2.9。

各种不同防爆型式的外壳，都应该具有一定的防护能力。例如，在某些情况下，内部安装裸露带电部件的外壳的防护等级不应该低于IP54，内部安装绝缘带电部件的外壳的防护等级不应该低于IP44，等等。当然，由于防爆型式的不同，防护等级可能高一些，也可能低一些。

另外，从防护等级不难看出，防爆电气设备的外壳在一定程度上保护了设备内部的电气元器件，也就是说，内部的元器件应该“接受”这种保护，所以，在这里必须指出的是，不管什么防爆型式、什么防护等级的电气设备，它内部的电气元器件，不管是裸露的还是绝缘的，都不得穿透外壳暴露在外壳外面，防止外壳丧失防护等级保护功能（防爆安全性能）。这一点很重要。

（2）盖子或门的开启时间

有一些防爆电气设备的盖子或门的开启快慢，可能会对它的防爆安全性能造成不利的影响。如果设备内部包容有电容器或（和）电热元件，即使在断电的情况下，也可能出现麻烦。因为，假若盖子或门开启的时间很短，这些电容器还具有很高的电压，电热元件还具有很高的温度，一旦接触爆炸性气体-空气混合物，就有可能发生点燃爆炸。

因此，国家标准GB3836.1《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定，当防爆电气设备外壳内部安装电容器时，从切断设备的电源到开启盖子或门之间的时间间隔不应该小于某个规定时间值。这个时间值可以按照下述的剩余能量从下列式子计算求得

u=U₀e^-t/τ （2.3）

q=1/2Cu² （2.4）

将式（2.4）代入式（2.3）中整理后即为

t=τ·ln[U₀（2q/C）^-1/2] （2.5）

式中 u——充电电容器放电时的瞬时电压（V）（图2.2）；

U₀——充电电容器的初始电压（V）；

t——某一放电时间（s）；

τ——放电电路的时间常数（s）；

q——放电过程中某一时刻电容器的剩余能量（J）；

C——电容器的电容值（F）。

当防爆电气设备内部安装电容器的充电电压大于200V时，开启盖子或门时电容器的剩余能量不应该超过：

●对于Ⅰ类和ⅡA级电气设备：0.2mJ。

●对于ⅡB级电气设备：0.06mJ。

●对于ⅡC级电气设备：0.02mJ。

如果内装电容器的充电电压小于200V，开启盖子或门时电容器的剩余能量可以是上述值的两倍。

图2.2 电容器放电时的瞬时电压

1—充电时 2—放电时

【例2.1】 有一台防爆标志为ExdIMb的煤矿用隔爆型电气控制装置，额定电压为660V，内装电容器的电容值为47μF，放电回路的折算电阻值为100kΩ。计算从切断电源到允许打开盖子的间隔时间。

对于Ⅰ类设备，我们已经知道，打开盖子时电容器的剩余能量q不得超过0.2mJ。计算可知，时间常数τ=RC=4.7s。根据题意将这些数据代入式（2.5）中计算即得到，从切断电源开始到允许打开盖子之间至少应该间隔的时间为

t=4.7×ln{660×[2×0.0002/（47×10^-6）]^-1/2}s

≈26s

当防爆电气设备内部安装电热元器件时，从切断电源到盖子或门开启的间隔时间一定要大于电热元器件温度降至设备温度组别规定的那个温度以下所需的时间。由于电热元器件的散热比较慢，这个时间可能很长。

这个时间，通常，应该通过试验求得，而且，试验时外壳依然处于关闭状态。

通常情况下，当测得防爆电气设备外壳表面温度接近它的温度组别的温度值时，人们就应该测量外壳内部电热元器件的最高表面温度，进而确定这个间隔时间。例如，有一些设备内部安装大功率的元器件，或者，有一些元器件为了散热把设备外壳作为散热片而紧贴设备外壳安装，就可能造成外壳外表面温度接近温度组别温度值的情况。凡此种种，温度测量是十分必要的。

从切断电源到盖子或门开启的间隔时间应该用警告标志在防爆电气设备的明显部位给以标示，告诫人们必须在这个间隔时间以后才允许开启盖子或门，否则可能会发生点燃事故。

（3）紧固件

在防爆电气设备中，用来紧固外壳盖子的紧固件（在机械制造方面也称为“标准件”）应该使用所谓的“特殊紧固件”。

这些紧固件在正常的使用状态下只能用工具才能解除其功能。这样的要求，主要是防止非正常的人为因素使其松开或拆除，从而保证某一防爆型式的防爆安全性能不会因此而失效。

特殊紧固件应该满足以下要求：

①螺距符合行业标准JB/T 7192《商品紧固件的普通螺纹选用系列》的要求。

②公差配合符合国家标准GB/T 9145《商品紧固件的中等精度普通螺纹极限尺寸》中规定的6g/6H。作为特殊紧固件的螺栓或螺母，都应该符合相应的国家标准，例如，GB/T 5782《六角头螺栓》，GB/T 6170《1型六角螺母》，GB/T 70《内六角圆柱头螺钉》，GB/T 77《内六角平端紧定螺钉》，等等。

此外，还应该指出的是，当特殊紧固件是用来紧固防爆电气设备的盖子和壳体时，盖子上紧固件通过的孔应该符合国家标准GB/T 5277《紧固件螺栓和螺钉通孔》规定的尺寸和公差。通常情况下，人们在设计时应该选择中等装配系列。

（4）联锁装置

在防爆电气设备中，有很多地方要求使用所谓的“联锁装置”，例如，电气设备的盖子或门和电路联锁起来，只有在切断电路的前级电源后才允许打开盖子或门，当盖子或门没有闭合时就不能对设备供电。这样可以避免当防爆电气设备打开时可能造成的电气点燃或人员触电事故。

这样的联锁装置，可以是机械式联锁，也可以是电气式联锁。

在某些特殊情况下，在切断电源后外壳内仍有带电部件时，人们也可以用一个防护等级不低于IP20的护罩将其保护起来，并在护罩上标有“内有带电部件，严禁触及！”的警告标志。但是，这种情况不适于隔爆型电气设备。

（5）绝缘套管

绝缘套管是一种使电气导体（例如导电螺栓）通过防爆电气设备金属壳体的绝缘元件（在某些情况下也称为接线板）。因此，绝缘导管应该具有良好的绝缘性能是不言而喻的，而且还应该具有足够的机械强度。在结构上，它应该被牢固地固定在外壳壳体上，而且，在导电螺栓连接导线或拆除导线时不会发生转动。

（6）警告标志

在防爆电气设备上，设计人员常常使用警告标志告诫人们，在爆炸性危险场所中人们应该如何安全地操作设备，或者，可以做什么，不准做什么。因此，警告标志的警告语句应该清晰明了、准确无误。例如，“严禁带电打开！”和“必须用湿布揩拭！”等。

为了保证警告标志长期有效，警告牌应该用不容易锈蚀的材料制作，例如，黄铜、青铜、不锈钢等；警告语句的字迹应该在它的使用期限内不会失效。

2.旋转部件

在防爆电气设备内，如果有旋转零部件的话，那么，旋转零部件与它周围的零部件之间应该保持一定的间隙；旋转零部件的制造材料不应该产生和积累静电电荷。这样就可以避免因为机械火花和（或）静电放电点燃周围的爆炸性气体-空气混合物。

国家标准GB 3836.1《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定，对于旋转零部件，例如，旋转电机的通风系统，在设备的正常工作状态下，外风扇和风扇罩等相关零部件之间的间隙（距离）不应该小于外风扇最大外径的1/100，而且，最小也不得小于1mm。如果旋转电机的外风扇使用轻合金（例如，铝合金）材料制作的话，那么，这种材料中钛、镁和（或）锆的含量应该符合相关的要求，而且，这种风扇仅限用于1区和2区（参见第2.2.4节）；如果旋转电机的外风扇使用塑料材料制作的话，那么，这种材料的使用温度应该比风扇的额定运行温度高出20K，风扇的表面绝缘电阻不应该大于1GΩ（当风扇的旋转线速度小于50m/s时可以不受此限）。

因为，旋转零部件在旋转时，在金属材料的情况下，同邻近部件碰撞将会产生机械火花；在高阻材料的情况下，同空气发生摩擦将会产生和积累静电电荷。不管是机械火花还是静电火花，在合适的条件下，都能够点燃爆炸性气体-空气混合物。

所以，除旋转电机外，其他旋转机械的旋转零部件，同样应该符合上述的要求。

此外，有一些旋转零部件还应该设置防护网，防止固体异物进入风筒内，例如，扇风机。固体异物落入风筒内有可能被风扇叶搅起碰撞风筒，从而产生机械火花。防护网的网孔尺寸可以参照防护等级（IP）来确定：进风端，至少为IP20；出风端，至少为IP10。

3.电缆引入装置

前面已经指出，防爆电气设备的电源引入或电气输出应该通过电缆引入装置在设备的接线空腔（接线盒）内进行连接。防爆电气设备的接线空腔，在传统意义上，被称为接线盒，在防爆安全方面，是设备制造商与设备使用者的安全“分界线”。显然，防爆电气设备这一部分的结构是相当重要的。

（1）压紧螺母式（或压盘式）电缆引入装置

防爆电气设备的电缆引入装置的典型结构如图2.3所示。这里所示的是一种被称为压紧螺母式的引入装置，是由压紧螺母、自制垫圈、密封圈和连通节组成的。

在这种引入装置中，密封圈是一个很重要的零件，由硫化橡胶制成。大家知道，橡胶材料是一种压缩变形材料，在外力作用下，它的形状会改变，但体积不变。因此，密封圈在压紧螺母的作用下发生变形而密封了密封圈与联通节、电缆之间的缝隙，从而可以防止可燃性气体进入电气设备的接线空腔内或设备外壳内。

还有一种和图2.3所示的压紧螺母式电缆引入装置稍有不同的电缆引入装置，被称为压盘式电缆引入装置（图2.4）。这种电缆引入装置与压紧螺母式电缆引入装置的不同，仅在于作用于密封圈的压紧方式，即依靠紧固螺钉将压盘压下来施力于密封圈，从而达到密封效果。

图2.3 压紧螺母式电缆引入装置

1—设备外壳壳体 2—连通节 3—压紧螺母 4—引入或引出电缆 5—自制垫圈 6—密封圈

图2.4 压盘式电缆引入装置

1—设备外壳壳体 2—自制垫圈 3—紧固螺钉 4—压盘 5—密封圈 6—引入或引出电缆

上述的这两种电缆引入装置，统称为密封圈式电缆引入装置。对于这类电缆引入装置，无论在设计、制造上还是安装、使用上，都应该注意两点：一是密封圈的材料和尺寸；二是自制垫圈。

1）密封圈的材料和尺寸

密封圈的制造材料，目前，大都采用硫化橡胶。

橡胶试样的硬度不应该大于电缆护套材料的硬度，一般在邵氏硬度45～55度。硬度太大时密封圈在压紧时将可能伤害电缆的绝缘。

此外，密封圈的硫化橡胶试样还应该承受老化试验。在规定的试验条件下，试验结束时硬度变化不得超过试验前的20%。(www.xing528.com)

密封圈的尺寸分为轴向尺寸和径向尺寸。

轴向尺寸由于防爆型式不同有不同要求，有些防爆型式仅要求压紧密封即可，而有些防爆型式则有严格的规定。对于径向尺寸，要注意密封圈的内径和引入电缆的外径的配合。电缆外径是一个公差变化很大的尺寸，同一种电缆同一个标称外径，市售产品的外径公差存在着较大的差异。因而，人们很难将密封圈的内径设计在一个合适的公差范围内。于是，这里的密封就可能出现问题，而且，在电缆安装时也常常出现麻烦。

为此，人们采用在密封圈上环切同心环的办法来弥补电缆外径公差不稳定的不足。传统的橡胶密封圈图例如图2.5所示。

2）自制垫圈

在这类电缆引入装置中使用的垫圈，这里特别强调的是，应该使用所谓的“自制垫圈”。在安装的状态下，垫圈在压力作用下迫使密封圈变形，密封相关部位，这就要求垫圈的直径（内径和外径）能够实现这种密封效果。假若内径太大外径太小，在压力作用下，密封圈变形的体积就起不到密封作用。自制垫圈的恰当的设计就可以保证预期的密封效果。

图2.5 橡胶密封圈

通常情况下，人们在设计自制垫圈时可以参考采用国家标准GB/T1804—2000《一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差》规定的粗糙c级的尺寸和公差来确定自制垫圈和连通节的配合。自制垫圈的厚度不应该小于2mm。

这里应该指出的是，在防爆检验时，不少防爆电气设备中使用的这种垫圈是市售的标准垫圈，不能起到压紧密封的作用。这一点应该引起人们足够的注意。

（2）“格兰头”式电缆引入装置

除压紧螺母式电缆引入装置和压盘式电缆引入装置外，密封圈式电缆引入装置还有一种叫做“格兰头”（cable gland）式电缆引入装置。它的结构与前两种有较大的不同，由“爪形”连接件、密封圈和压紧螺母组成，依靠压紧螺母压紧“爪形”连接件来密封电缆（图2.6）。这种电缆引入装置只能起到密封作用，不适宜使用在隔爆型电气设备上。

电缆引入装置，除上述的密封圈式以外，还有一类：浇封式电缆引入装置。这一类型的电缆引入装置，通常情况下，使用于隔爆型防爆型式中，待后续章节叙述。

图2.6 “格兰头”（cablegland）

式电缆引入装置

1—设备外壳壳体 2—“爪形”连接件 3—密封圈 4—压紧螺母

除此之外，电缆引入装置的压紧部分（压紧螺母或压盘），在钢管布线时，应该能够与所连接的钢管相连接。

4.电气间隙和爬电距离

当外部电缆通过电缆引入装置进入电气设备后，通常情况下，在电气设备的接线盒内进行接线，当然，也可以在设备的主空腔内同相应的接线端子进行连接。

不管是什么情况，电缆连接后必须保证不同电位的接线端子之间有足够的电气间隙和爬电距离。电气间隙是指不同电位的带电导体之间在空气中的最短距离；爬电距离是指不同电位的带电导体之间沿绝缘材料表面上的最短路径。它们都与不同电位的带电导体之间的电压、环境污染程度有关，而且后者还与绝缘材料的相比电痕化指数（或材料级别）有关。

在防爆电气设备（“n”型防爆电气设备除外）中，电气连接后电气间隙和爬电距离应该符合表2.11中规定的要求值。

表2.11 电气间隙和爬电距离①

注：表中数据是在3级污染条件下测量的。

GB/T 16935.1—2000《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》规定，为了计算电气间隙和爬电距离，微观环境的污染等级分为4级：

1级污染：无污染或仅有干燥的、非导电性污染，这种污染没有任何影响。

2级污染：一般仅有非导电性污染，然而必须预期到凝露会偶尔发生短暂的导电性污染。

3级污染：有导电性污染或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性污染。

4级污染：存在持久的导电性污染，例如，由于导电性尘埃或雨雪引起的污染。

①引自GB 3836.3《爆炸性环境 第3部分：由增安型“e”保护的设备》。

②实际的工作电压可以超过表中规定值的10%。

这里需要指出的是，对于电气设备与外部电路连接来说，表2.11中所示的最小值至少为3mm。也就是说，在表2.11中，不管电压大小，只要是小于3的值，都应该为3。

5.接地和（或）等电位联结

正像普通用途的工业和民用电气设备那样，防爆电气设备的金属外壳必须接地，而且，必要时还应该进行等电位联结。大家知道，电气设备的接地和（或）等电位联结是为了防止电气设备的绝缘性能一旦失效可能造成的漏电事故及后续危险。

就防爆电气设备而言，接地和（或）等电位联结，对于保证它的防爆安全性能，是相当重要的。它除了可以防止人身触电事故外，更重要的是能够防止漏电和（或）“杂散电流”可能产生的电气放电火花点燃爆炸性气体-空气混合物。

防爆电气设备的接地和（或）等电位联结，同普通用途的工业和民用电气设备的接地和（或）等电位联结相比，有着较大的不同。这种接地必须是二重式的，即同一台电气设备必须同时设置内接地端子和外接地端子，二者之间还必须保持同电位，而且，内、外接地端子必须分别与接地系统连接。这样就保证了接地和（或）等电位联结的可靠性。

电气设备的接地和（或）等电位联结，应该保证电气设备的主要金属结构件（例如机座）同大地处于同一电位，所以，内接地应该设置在接线空腔（接线盒或主空腔）内，外接地应该设置在设备的主要壳体上。

除此之外，还有一些特殊结构，例如，当电气设备的金属外壳被非金属部件分隔，阻断了接地的连续性时，除被分割的各部分必须有外接地或等电位联结外，人们还必须对这种情况采取特殊的结构措施来保证它的内接地的连续性和有效性，也就是说被分割的各部分的金属外壳都应该同时有效地接地；或者，当电气设备是非金属外壳且它的内部电气元器件或电路需要功能性接地时，人们除了利用电源的保护性接地线（TN-S系统）进行内部接地外，还可以采用通过贯穿外壳壁的连接方法实施内部接地。对于这样的一些特殊情况，人们应该用试验来验证这样的接地结构的可靠性（参见第2.3.4节）。

接地和（或）等电位联结的导体必须有一个最小的截面积S。当电路中主电路（单相）导体的截面积S₀不大于16mm²时，这个截面积S应该不小于S₀；当16mm²<S₀≤35mm²时，S=16mm²；当S₀>35mm²时，S≥0.5S₀。对于主电路（单相）导体的截面积S₀很小的情况，这个最小截面积也不应该小于4mm²。

每一个接地和（或）等电位联结装置都应该保证接地和（或）等电位联结导线与接地端子连接可靠，因而，应该有防止导线松动的措施，而且还应该防止锈蚀造成的不利影响。

这里还应该指出的是，对于移动式电气设备，如果是由电网供电，则可以不进行外接地，但是应该使用有接地芯线的电缆进行内接地；如果是由蓄电池组供电而且正极或负极不与“地”相连，则可以不进行接地。除此之外，还有一种电气设备采取了双重绝缘（或加强绝缘）措施，也可以不进行接地。

6.某些类型的电气设备防爆结构的通用要求

在爆炸性危险场所中使用着各种类型的电气设备，例如，旋转电机、开关装置、插接装置等。不管它们的防爆型式如何，每一类型都有着一些本类型的共同的结构要求。

（1）旋转电机类

在旋转电机中，轴驱动的外风扇应该安装风扇罩。

风扇罩不视为旋转电机的外壳，但是，风扇罩的通风孔应该具有如下的防护等级（参见国家标准GB/T 4942.1《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码）—分级》）：

●进风端，至少为IP20；

●出风端，至少为IP10。

对于立式旋转电机，必须设置防护措施，以防止垂直落下的异物进入通风孔中。

对于Ⅰ类旋转电机，若通风孔的结构和位置能够防止12.5mm的固体异物垂直落入电机的旋转部件上，则防护等级可以采用IP10。

风扇罩的这些防护措施，主要是为防止较大的固体异物落入其内可能被风扇搅起发生碰撞而产生机械火花。

不管是什么防爆型式的旋转电机，尤其是大型的旋转电机，设计人员都必须在电机上采取等电位联结措施，防止杂散磁场在电机外壳中形成环流。环流在适当条件下可能会产生断续的放电火花。

旋转电机的等电位联结应该关于转轴轴线对称地布置。等电位联结的导体应该有足够的截面积和可靠的结构，保证环流能够顺利地通入大地（通过接地导体）。

（2）开关装置类

开关装置，包括隔离开关，应该能够切断全部电极（包括相线、中性线和保护性接地线）。触头式开关的触头不允许浸在易燃性液体介质中；否则，触头在断开时产生的电弧会分解这些易燃性液体并引起爆炸。

隔离开关不允许在带负载的工况下分断，必须与负载断路器有电气的或机械的联锁。联锁应该可靠地保证不得在负载断路器未断开时分断隔离开关。

隔离开关在带负载的工况下分断时产生的电弧将会伤害其他的部件。这是不允许的。

（3）插接装置类

在插接装置中，插头与插座应该用电气的或机械的方法联锁起来，保证在触点带电时插头与插座不能分断，在插头与插座分断时触点不能带电。当然，设计人员也可以在插头与插座采用特殊紧固件连接的情况下使用警告标志来替代这种联锁：“严禁带电分断！”。

当额定电压不大于250V（交流）或60V（直流）、额定电流不大于10A时，插接装置符合以下全部要求时也可以不设联锁：

●插座接电源。

●插头与插座分断前有足够的灭弧延迟时间。

●插头、插座在灭弧期间符合隔爆型“d”的要求（参见第3章）。

●插头与插座分断后带电的插座具有适当的防爆型式保护。

不管在什么情况下，插接装置的插座应该接电源，插头在未插入插座时不得带电。这样可以减小一些附加危险。

（4）照明灯具类

在照明灯具中，光源不允许使用游离金属钠灯泡，即低压钠灯泡，可以使用高压钠灯泡。

光源应该用透明罩保护起来。

透明罩应该用金属保护网保护起来。金属保护网的网孔面积不应该大于2500mm²。

照明灯具应该设置联锁机构，保证在灯具开启时灯座内的所有电极不得带电，或者，设置警告标志：“严禁带电打开！”。大家知道，在灯具的运行过程中，人们常常需要更换失效的灯泡（灯管），设置联锁机构和警告标志就可以实现“不带电操作”，避免出现附加危险。

（5）蓄电池和蓄电池组类

在防爆电气设备内部安装蓄电池时，设计人员应该采用单体蓄电池串联的方式进行组合，而且，单体蓄电池应该具有同样的电化学系统、相同的容量和工作制（小时率）。

在蓄电池组中，即使是具有同样的电化学系统、相同的容量和工作制（小时率）的单体蓄电池也不要并联使用。因为由于单体蓄电池的制造质量的差异，在实际运行过程中，某个（些）单体可能过放电，从而在蓄电池组中会出现其他蓄电池对它（们）反向充电现象，这是不能容忍的。

在蓄电池组中，严禁二次电池和原电池混合组合。二次电池是一种可以再充电、多次使用的电池。原电池不允许再充电。所以，二者不能组合在一起使用。

设计人员应该采取可靠的预防措施，防止蓄电池中的电解液（电解质）泄漏对设备防爆安全性能和电气元器件造成不利的影响。

部分原电池和二次蓄电池（单体）的相关参数如表2.12和表2.13所示。

表2.12 原电池示例①

①引自GB 3836.1《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》。

表2.13 二次蓄电池（单体）示例①

①同表2.12。