加油站用防爆LED 燈具探究

曹小兵，李均盛

(深圳市斯派克光電科技有限公司，廣州 深圳 518034)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展與機動車輛保有量的迅速增長，與之配套的加油站如雨后春筍般出現(xiàn)，從建國初期僅有70 多座增長到現(xiàn)有的10 萬多座，公路網(wǎng)及加油站的快速增加對推動我國市場經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了應(yīng)有的作用。加油站經(jīng)營的油品與氣體燃料具有易燃、易爆、易揮發(fā)、易滲漏及有毒等危險特性，因此，提高加油站24 小時全天候運行服務(wù)安全管理尤為重要，如果用電設(shè)備及設(shè)施不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備的使用及維護不當(dāng)，以及安全管理制度和操作規(guī)程執(zhí)行不到位，將導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生，嚴(yán)重?fù)p害人們的生命財產(chǎn)安全。照明、應(yīng)急及指示等用電設(shè)施與加油站的安全密切相關(guān)，從使用傳統(tǒng)光源到高效節(jié)能的LED，安全是首要因素，LED 低發(fā)熱量特性可達安全防爆要求，將在加油站大力推廣與應(yīng)用。

1 防爆LED 燈具設(shè)計要素

1.1 安全基準(zhǔn)

基于加油站工作區(qū)的特殊性，為防止點燃周圍爆炸性混合物而采取了各種特定措施設(shè)計的防爆LED燈具如圖1 所示，產(chǎn)品由邊框、散熱模組、透光罩、LED光源、固定架、傳感器、電源及控制電路等部件組成，以嵌入式或吊裝可調(diào)安裝為加油站提供照明。防爆LED 燈具采用大功率LED 光源及模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于產(chǎn)品的后期維護，寬電壓輸入有效保證產(chǎn)品在電壓較大波動時也能穩(wěn)定工作，各腔體之間密閉隔離保證電氣安全性。

防爆LED 燈具除了符合GB 3836 系列標(biāo)準(zhǔn)要求以外，還應(yīng)符合GB 7000 系列標(biāo)準(zhǔn)(選擇適用的GB 7000 系列標(biāo)準(zhǔn)的特殊要求部分)，否則只能證明其防爆性能安全，而不能證明其一般安全性是否可靠。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)GB 3836 與GB 7000 有沖突時，應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行GB 3836 標(biāo)準(zhǔn)或更嚴(yán)格的規(guī)定，燈具一旦發(fā)生危險溫度，部件燒壞，接地不連續(xù)或絕緣失效等故障，同樣會引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

1.2 爬電距離和電氣間隙

防爆LED 燈具導(dǎo)電件之間的爬電距離(creepage dlstance)和電氣間隙(clearance)應(yīng)根據(jù)其工作電壓、絕緣材料的耐電痕化指數(shù)(proof tracking index，PTI)和絕緣材料的表面形狀來確定，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.3—2010《爆炸性環(huán)境 第3 部分:由增安型“e”保護的設(shè)備》中，明確了工作電壓對應(yīng)的爬電距離和電氣間隙的最小值。在防爆LED 燈具設(shè)計時，應(yīng)清楚理解標(biāo)準(zhǔn)對爬電距離和電氣間隙測量的10 個圖例，以及外部連接件的電氣間隙和爬電距離最小值為3 mm 的規(guī)定。

圖1 加油站用防爆LED 燈具

1.3 防爆結(jié)構(gòu)件

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1 部分:設(shè)備 通用要求》的8.1 條規(guī)定，在爆炸性氣體環(huán)境使用具有EPL Ma 或Mb 保護級的Ⅰ類防爆LED燈具外殼材料中鋁、鎂、鈦和鋯的總含量(按質(zhì)量百分比，以下同)不應(yīng)超過15 %，鈦、鎂和鋯的總含量不應(yīng)超過7.5 %;在Ⅱ類防爆LED 燈具外殼材料中鋁、鎂、鈦和鋯的總含量不應(yīng)超過10 %，鈦、鎂和鋯總含量不應(yīng)超過7.5 %;在爆炸性粉塵環(huán)境使用具有EPL Da 保護級的Ⅲ類防爆LED 燈具外殼材料的鎂和鈦總含量不應(yīng)超過7.5 %，以及EPL Db 保護級的Ⅲ類防爆LED燈具外殼材料的鎂和鈦總含量不應(yīng)超過7.5 %。為保證防爆LED 燈具可靠工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)考慮如何將發(fā)熱源的溫度降低，如何保證熱通路盡可能短和橫截面盡可能大，以及選擇高導(dǎo)熱材料降低接觸面的熱阻，同時使光源和控制裝置等發(fā)熱體保持一定距離，避免單位面積發(fā)熱量過度集中。

相關(guān)試驗表明，采用相對堅硬的外殼和泄壓裝置能夠避免火焰蔓延，當(dāng)防爆LED 燈具內(nèi)部因失效而產(chǎn)生火焰甚至是小型爆炸時，外殼應(yīng)能將火焰或爆炸隔斷熄滅，而不會點燃燈具外部的易燃?xì)怏w。

1.4 接合面及間隙

加油站設(shè)計成敞開式建在公路旁邊，照明燈具通常暴露在粉塵極多和充滿可燃性氣體的環(huán)境中，并伴有強烈的腐蝕性氣液體。防爆LED 燈具應(yīng)達到IP65或以上防護等級要求，其接合面寬度、隔爆間隙設(shè)計應(yīng)符合GB 3836 系列國家標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求，特別注意結(jié)構(gòu)件的隔爆面粗糙度Ra≤6.3 μm，并進行磷化或涂防銹油處理。接合面寬度應(yīng)為隔爆外殼的內(nèi)部腔體通過接合面到達隔爆外殼外部的最短通路長度，注意接合面寬度不包含密封件部分。

防爆LED 燈具的間隙距離即是隔爆接合面相對應(yīng)表面間的距離，對于圓筒形表面，該間隙是直徑間隙(兩直徑之間的差)。另外，接頭緊固件在壓緊密封襯墊時要預(yù)留5 mm 左右間隙(預(yù)留5 mm 指在設(shè)計時要考慮在壓緊密封圈后密封接頭止口與腔體間的距離)，防止在組裝過程中因螺紋深度淺導(dǎo)致密封圈還沒壓縮到位就已經(jīng)頂住防爆壓緊接頭，以保證壓緊密封圈的可靠壓縮。

1.5 緊固件

為防止帶電件被觸及，防爆LED 燈具應(yīng)設(shè)計成需使用專用工具才能打開的結(jié)構(gòu)。含輕金屬外殼用的緊固件可用輕金屬或非金屬等適用的材質(zhì)，螺紋孔或螺栓孔不應(yīng)穿透外殼壁，孔周邊的材料厚度應(yīng)不小于孔徑的1/3，且至少為3 mm。

燈具采用的特殊緊固件應(yīng)符合爆炸環(huán)境用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。螺距符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9144—2003《普通螺紋 優(yōu)選系列》對大螺距公制螺紋的要求，公差配合符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 197—2003《普通螺紋 公差》和GB/T 2516—2003《普通螺紋 極限偏差》的6H 級及相應(yīng)規(guī)定，內(nèi)六角緊固螺釘公差等級應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 197 和GB/T 2516 中的6g/6H 級要求，并注意螺釘緊固后不得從螺孔中凸出。

1.6 配光及防護

根據(jù)爆炸環(huán)境用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求，照明燈具不允許采用游離金屬鈉燈，可使用鎢絲白熾燈、無啟動器的熒光燈、自鎮(zhèn)流高壓鈉燈及LED 燈。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及參照《中國石化加油站照明設(shè)計及燈具標(biāo)準(zhǔn)手冊》的相應(yīng)要求進行配光設(shè)計，加油站工作區(qū)照明的對稱和非對稱配光效果見圖2。優(yōu)秀的配光設(shè)計能保證駕駛者看清相關(guān)信息，避開障礙物，安全進入加油站，充分適當(dāng)?shù)恼斩取⑸珳睾惋@色性能營造舒適的氛圍，消除長時間駕駛的疲勞。

圖2 對稱和非對稱配光效果

防爆LED 燈具的透光罩應(yīng)采用玻璃或物理化學(xué)性能相對穩(wěn)定且能有效承受設(shè)備額定條件下最高溫度的材料制作，采用環(huán)氧樹脂時和前蓋粘接的寬度必須達到10 mm 以上，且要作為一個不可拆卸的整體來評估結(jié)構(gòu)的可靠性。玻璃透光罩必要附帶保護網(wǎng)(不是強制要求)時，保護網(wǎng)孔的大小須在2 500 mm2以內(nèi)。

1.7 電纜引入

防爆LED 燈具的引入電纜可直接引入也可間接引入，不管采用哪一種引入方式，都應(yīng)采用引入裝置來防止因電纜受拉或扭轉(zhuǎn)而損壞電連接。直接引入是外部電纜直接接入燈具內(nèi)部的連接方式，引入裝置將外部電纜引入燈具的內(nèi)部與接線端進行電相連。間接引入是外部電纜通過引入裝置進入防爆接線盒或插接裝置實現(xiàn)電連接。第1 種方式簡單易操作，是大多數(shù)設(shè)計方案的首選。電纜引入結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意:

(1)電纜引入裝置應(yīng)設(shè)計成使用專業(yè)工具才可拆裝的結(jié)構(gòu)，引入口不能有尖銳棱角、毛刺或銳利披鋒，圓角處理不小于0.5 mm，以免損傷電纜。

(2)電纜引入裝置螺紋嚙合的螺紋深度至少為螺紋的外徑，并注意引入裝置的密封圈材質(zhì)選用45°～55°之間硬度(邵氏)的硫化橡膠，以保證引入裝置整體結(jié)構(gòu)對電纜的保護與固定可靠。

(3)引入裝置和密封件如圖3 及圖4 所示結(jié)構(gòu)，并采用銅合金、黃銅鍍鎳或不銹鋼材質(zhì)。該類材料具有良好的導(dǎo)熱性并幾乎不含碳，在引入裝置與物體發(fā)生摩擦或撞擊時，能快速將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)及擴散，另外該類材料都具有較軟的特性，在發(fā)生摩擦或撞擊時，特有的退讓特性不容易產(chǎn)生火花，滿足防爆LED燈具的安全設(shè)計要求。

圖3 電纜引入裝置

圖4 密封圈

(4)在測試抗拉力時，應(yīng)將圓形電纜裝入密封圈固定在引入裝置軸內(nèi)鎖緊到位，施加20 倍電纜直徑(以mm 為單位)的拉力(以N 為單位)測試6 小時，電纜位移不超過6 mm 時拉力測試合格。

1.8 標(biāo)識

防爆LED 燈具應(yīng)取得防爆等級的合格證，標(biāo)識應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1—2010 的第29 章和GB 7000.1—2007 第3 章規(guī)定的內(nèi)容，在燈具明顯位置進行清晰標(biāo)記。還應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點將安裝、使用和維護需要了解的信息以警告語和說明書的形式告知安裝與使用者，以保證防爆LED 燈具的正確安裝、使用及維護。

2 防爆LED 燈具關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防爆措施

為保證防爆LED 燈具滿足加油站特殊工況場所的安全要求，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計采用隔爆型“d”(flameproof enclosure)、增安型“e”(increased safety)、本質(zhì)安全型“i”(intrinsic safety)及澆封型“m”(encapsulation)防爆措施，使用壽命長、低光衰及低功耗的LED 作為光源，燈體采用翅片自然對流散熱模組結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證散熱與可靠性，控制裝置和控制電路采用金屬盒澆封。在設(shè)計大功率防爆LED 燈具時，強制冷卻的風(fēng)扇應(yīng)使用安全特低直流電壓，并具有異常保護功能，包括設(shè)置監(jiān)測易燃?xì)怏w的傳感器，在環(huán)境中可燃油氣含量超標(biāo)時自動報警，采取恰當(dāng)措施在設(shè)計上消除安全隱患才能保證產(chǎn)品防爆可靠性。

2.2 智能控制

大多數(shù)加油站的照明、指引牌和顯示牌均采用人工或定時等傳統(tǒng)控制方式，其效率低，浪費能源，部分新建加油站已采用LED 燈與智能控制系統(tǒng)。在典型應(yīng)用中，當(dāng)照度探測器檢測到工作區(qū)照度低于設(shè)定閾值(150 lx)或紅外探測器探測到人進入該區(qū)域時，智能控制系統(tǒng)自動開啟相應(yīng)燈具進行照明補充;當(dāng)加油站工作區(qū)內(nèi)的照度高于設(shè)定閾值(150 lx)或人員離開該區(qū)域時，智能控制系統(tǒng)則關(guān)閉相應(yīng)燈具以達到二次節(jié)能目的。隨著智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)境溫度與可燃?xì)怏w探測及報警系統(tǒng)的組網(wǎng)聯(lián)動，可提升管理效率，降低加油站事故發(fā)生機率。

2.3 避免壓力重疊

多腔體中的火焰與爆炸沖擊波的傳播速度不一致，爆炸沖擊波比火焰?zhèn)鞑ジ欤诘谝槐_擊波還沒有完全消退時，火焰便可通過兩腔體間的間隙點燃相鄰空間中的可燃?xì)怏w發(fā)生再次爆炸，出現(xiàn)兩次或兩次以上爆炸產(chǎn)生更大壓力重疊。在防爆LED 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，光源與控制裝置及控制電路的腔體應(yīng)隔離密封，避免壓力重疊產(chǎn)生。

普通燈具外殼不能承受腔體內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力，將導(dǎo)致外殼發(fā)生變形甚至破裂。因此，為避免壓力重疊的發(fā)生，防爆LED 燈具設(shè)計應(yīng)盡量增大相鄰腔體間的隔離間距，并以隔爆的形式連通。如設(shè)計結(jié)構(gòu)時不可避免出現(xiàn)壓力重疊，則應(yīng)增加外殼強度來保證安全。

2.4 殼體承壓強度

防爆LED 燈具的外殼應(yīng)具有足夠的承壓強度，典型的壓鑄用合金代號YL113 或鑄造用ZL102 的鋁合金材料，壓鑄過程應(yīng)嚴(yán)格控制鋁液溫度、壓力和時間等關(guān)鍵工藝。應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15114—2009《鋁合金壓鑄件》的相應(yīng)要求進行檢驗，壓鑄件應(yīng)無裂紋、欠鑄和任何穿透性缺陷，內(nèi)部質(zhì)量包括無損檢測、耐壓試驗、金相圖片檢測及解剖等檢驗項目，確保外殼能滿足防爆場所的特殊要求。

3 防爆LED 燈具可靠性

加油站用防爆LED 燈具從設(shè)計到生產(chǎn)過程除了例行檢驗項目之外，還應(yīng)進行下列試驗，以充分暴露產(chǎn)品的各類缺陷，并反復(fù)研究及試驗改良方案，以保證產(chǎn)品的可靠性。

(1)電氣強度、絕緣電阻、接地電阻、導(dǎo)線抗拉、防爆及電磁兼容等安全性試驗。

(2)冷熱沖擊、溫度循環(huán)、高濕熱循環(huán)、IP 防水防塵、高溫高濕、低溫、霉菌、鹽霧、耐酸性、抗UV 應(yīng)力老化、高溫存儲、振動和跌落等耐候性試驗。

(3)電源過電壓/欠電壓、輸出短路/開路、通斷電沖擊、極性反相和冷啟動等異常條件試驗。

(4)高溫、低溫和高濕條件周期循環(huán)可靠性試驗。

根據(jù)防爆LED 燈具設(shè)計生命周期，按照圖5 流程對產(chǎn)品關(guān)鍵部件及制造過程進行監(jiān)測試驗，以盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。

圖5 過程監(jiān)測試驗

4 小 結(jié)

設(shè)施缺陷，維護不當(dāng)及管理不到位等諸多原因，是造成加油站各類事故發(fā)生的重要原因。只有根據(jù)事故特性進行系統(tǒng)協(xié)調(diào)，并采取相應(yīng)的糾正措施，才能從本質(zhì)上預(yù)防和降低加油站運行過程中存在的事故風(fēng)險。通過對防爆LED 燈具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與質(zhì)量控制，提升產(chǎn)品的安全和可靠性。

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