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在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備中，常使用不同型號的熔斷器進行電路的過載保護和短路保護，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，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，但是都不允許大于支持件的額定電流。例如，對于一個額定電流為10A的熔斷器來說，它允許的熔斷體的額定電流有10A、6A和4A三個檔次。通常情況下，對于這種熔斷器，在選擇熔斷體的額定電流時，人們應(yīng)該根據(jù)被保護電路的性質(zhì)來選擇4A或6A，最多也不能超過10A。

熔斷器的額定電壓則只有一個，對于熔斷體和支持件，是一致的。

在本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備中，當(dāng)熔斷器用來保護相應(yīng)電路時，則熔斷器應(yīng)該能夠連續(xù)地通過1.7L的電流(其中，L是指熔斷體的額定電流，在穩(wěn)定的負載情況下，可以是電路的額定電流);熔斷器的時間-電流特性應(yīng)該保證在被保護電路出現(xiàn)瞬態(tài)值之前將熔斷體熔斷;而且，熔斷器(熔斷體)的極限分斷能力應(yīng)該能夠快速地分斷電路中可能出現(xiàn)的最大預(yù)期短路電流(在電壓為250V的電路中，這個電流采用1500A)。

通常認為，熔斷器的時間.電流特性主要用于被保護電路的過載保護;熔斷器的極限分斷能力主要用于被保護電路的短路保護。

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 熔斷器的時間一電流特性曲線

1-時間-電流特性;2-被保護元件的瞬態(tài)值

熔斷器的極限分斷能力不應(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斷能力。假若極限分斷能力小于最大預(yù)期短路電流，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時，熔斷體就會瞬間熔融汽化，發(fā)生爆炸，造成十分嚴重的后果。所以，有時候，人們?yōu)榱吮ＷC熔斷器的極限分斷能力大于電路的最大預(yù)期短路電流，常常在電路中使用限流元件來限定最大預(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，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)。

下面舉例說明使用可靠限流電阻器作為限流元件時電阻值的計算。

【例】假設(shè)使用熔斷器來保護某一電路，熔斷器熔斷體的額定電流為0.1A，極限分斷能力為750A，最高電壓為250V。

根據(jù)歐姆定律計算可知，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。

事實上，在熔斷器保護的電路中接入可靠限流電阻器并不會對電路的正常運行產(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、“ib”級設(shè)備和電路中作為保護器件，且在爆炸性氣體環(huán)境中使用時，它應(yīng)該被澆封起來。

2.半導(dǎo)體器件

(1)半導(dǎo)體器件

這里所說的半導(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，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，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，對于“ia”級和“ib”級設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流的1.5倍值;對于“ic”級設(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，對于“ia”級和“ib”級設(shè)備，不得小于可能的最大故障電流的1.5倍值;對于“ic”級設(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，對于“ia”級設(shè)備，使用兩只這樣的半導(dǎo)體器件作為并聯(lián)限壓器被認為是可靠組件。

對于“ia”級關(guān)聯(lián)設(shè)備，使用三只晶閘管作為并聯(lián)限壓器被認為是可靠組件。

不管是什么情況，作為并聯(lián)限壓器使用時，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，在“ia”級設(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環(huán)節(jié)，不應(yīng)該使用其他的半導(dǎo)體器件，因為“ia”級設(shè)備是允許使用在0區(qū)的，而且電路又可能隨時出現(xiàn)瞬態(tài)效應(yīng)，哪怕是暫時的。

然而，在“ib”級和“ic”級設(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)的突然變化和開關(guān)器件(例如，晶閘管半導(dǎo)體器件)的“開”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)體器件與負載并聯(lián)來保護這個負載。當(dāng)電源有一個瞬態(tài)電壓即將施加在負載上時，晶閘管應(yīng)該攔截這個電壓。但是，由于晶閘管和相關(guān)檢測電路的響應(yīng)時間相對較大，于是，在檢測到觸發(fā)信號并使晶閘管導(dǎo)通之前，瞬態(tài)電壓就已經(jīng)施加在這個負載上了。當(dāng)然，還有一些其他的例子，例如，在限流開關(guān)動作之前就可能有一個大的電流竄入負載，等等。

因而，國家標(biāo)準GB 3836.4爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(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：

對于Ⅰ類設(shè)備，260μJ;

對于ⅡA級設(shè)備，160μJ;

對于ⅡB級設(shè)備，80μJ;

對于ⅡC級設(shè)備，20μJ。

當(dāng)瞬態(tài)效應(yīng)所攜帶的能量不超過上述值時，瞬態(tài)電壓和(或)瞬態(tài)電流可以超過相應(yīng)的安全數(shù)值(參見國家標(biāo)準GB 3836.4《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備的數(shù)據(jù)表)。

這種瞬態(tài)能量可以通過試驗用高速存儲示波器來求得，而不適宜用火花點燃試驗進行試驗驗證，因為這個瞬態(tài)能量出現(xiàn)的時間太短，且數(shù)值很小。

這里以ⅡB級的防爆電器設(shè)備為例來說明這種瞬態(tài)能量的測量方法。

【例】 試驗用一個數(shù)值為18V的供電電壓通過一個限流開關(guān)向一個齊納負載(齊納電壓為14.5V)供電。試驗電路如圖2所示。測量并計算此時電路可能出現(xiàn)的瞬態(tài)能量。

從國家標(biāo)準GB 3836.4《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備的數(shù)據(jù)表中得知，對于ⅡB級設(shè)備，當(dāng)電壓為18V時，允許的最大電流是1.66A。試驗時，試驗人員調(diào)整電路的電流等于1.66A。此時，電路處于正常的運行狀態(tài)。

當(dāng)電路發(fā)生故障時，例如，由于某種原因使通過電路的電流突然地增加，在限流開關(guān)斷開之前就會有一個較大的電流疊加在1.66A上。試驗用高速存儲示波器記錄這個電流的變化(幅度和時間)情況，如圖3所示。

圖2瞬態(tài)能量測試電路示意圖

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

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)電流幅值隨時間變化的波形，它疊加在1.66A之上。在計算出這個面積之后，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。

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

這里需要特殊注意的是，在這種試驗電路中，要最大限度地減小試驗設(shè)備對測試結(jié)果造成的影響(示波器是這個試驗的關(guān)鍵設(shè)備，分辨率要高)，因為所測試的能量太小。

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械變形產(chǎn)生電場，也可以在電場作用下由電場力產(chǎn)生機械變形。這種固有的機電耦合效應(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的方法來測定。在這種試驗中，試驗人員應(yīng)該測量壓電器件的電容量(c)和端電壓(u)。

在分別進行的兩次沖擊試驗中測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。

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

·對于Ⅰ類設(shè)備，1500μJ;

·對于ⅡA級設(shè)備，950μJ;

·對于ⅡB級設(shè)備，250μJ;

·對于Ⅱc級設(shè)備，50μJ。

在壓電器件實際應(yīng)用時，可以使用限能保護元件來限制它的輸出能量。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。

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