防爆LED燈具光引燃評價方法

辛磊夫

(上海工業自動化儀表研究院，上海　200233)

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防爆LED燈具光引燃評價方法

辛磊夫

(上海工業自動化儀表研究院，上海200233)

摘要：針對防爆LED燈具越來越多地應用于爆炸性危險場所的現狀，對比了隔爆型和本質安全型防爆LED燈具在結構設計和光能量限制方面的差異性。從光源驅動器故障分析入手，進行了針對光源的光功率和光輻照度試驗，證明了光輻照度測試在防爆LED燈具光引燃評價中比光功率測試更加適用。闡述了防爆LED燈具光引燃危險的評價方法。從標準的角度論證了國產防爆LED燈具取得歐盟ATEX認證的可能和具體實現方法。

關鍵詞：防爆爆炸性危險場所隔爆本質安全故障分析光引燃光輻照度

0引言

凡涉及易燃易爆物質的生產、加工、處理、儲存、運輸的場所，都可能形成爆炸性危險環境。在石油、化工、煤炭等領域中不可避免地會產生爆炸性物質的泄漏，泄漏物質將與空氣混合形成爆炸性危險場所。這些爆炸性危險場所中安裝的電氣設備、儀表、電機及驅動、照明燈具都必須符合相關防爆標準的要求。

防爆照明燈具由于安裝數量多、應用范圍廣，是爆炸性危險場所中較為常見的一種防爆設備。防爆照明燈具主要采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED等光源[1～6]。LED防爆燈具由于其發光效率高、溫度組別低、體積小等優點被越來越多地應用在爆炸性危險場所中，覆蓋射燈、泛光燈和視孔燈等固定式照明燈具以及帽燈和手電筒等便攜式照明燈具。

試驗證明，對于LED燈具，僅僅考核燈具外殼熱表面和燈具內部電氣火花不足以確保其安全性。LED燈具所發射出的光輻照施加在吸收體上之后，吸收體的溫度有所升高，進而將引燃爆炸性危險物質。吸收體的位置既可以位于燈具外殼內部，也可以位于燈具外殼外部。這一特性使得傳統的隔爆技術和本安技術對于LED燈具的光引燃保護失效。

本文通過對比IEC60079-28標準中規定的兩種試驗評價方法，結合LED燈具的發光特性以及當前LED防爆燈具的設計特點，給出了以隔爆技術、本質安全技術和澆封技術為主防爆技術的LED防爆燈具的光引燃評價方法。該評價方法不僅結合了中國國內LED防爆燈具的特點，還考慮了國際標準的符合性，因此在申請IECEx和ATEX國際認證時，本文介紹的方法也被認可。

在實際應用中，LED被廣泛用于狀態指示。由于此類LED的功耗和發光功率都很低，不足以引燃爆炸性介質，所以此類問題不在本文討論范疇之內。

1LED防爆燈具主要防爆技術

1.1以隔爆技術為主的LED防爆燈具

隔爆型防爆技術是一種間隙防爆技術，依靠間隙、嚙合長度來達到降溫/熄火效果。隔爆外殼允許危險氣體進入，隔爆外殼內可能產生爆炸，但要求外殼必須具有足夠的強度，且隔爆結合面必須具有足夠長的嚙合長度和足夠小的間隙，以確保內部爆炸不會穿過隔爆結合面而導致外部環境爆炸。

以隔爆型為主要防爆技術的LED防爆燈具通常設計有另一個隔爆腔或者增安腔，用于安放LED驅動器和接線端子。這有兩個目的：其一是IEC60079系列標準和GB3836系列標準對于單一隔爆腔用于IIC環境時有隔爆腔體2L容積的限制，對產品機械設計提出了更高要求；其二是LED防爆燈具對于LED粒子散熱有較高要求，設計隔爆腔+隔爆腔或者隔爆腔+增安腔的結構，便于利用隔爆結構散熱。

1.2以本質安全技術為主的LED防爆燈具

本質安全型[7-8]防爆技術是一種以抑制引燃源能量為手段的防爆技術。要求從電路設計入手，確保設備在正常工作和故障狀態下可能產生的電火花能量小于爆炸性危險介質的最小引燃能量，且熱效應小于爆炸性危險介質的引燃溫度。

以本質安全型為主要防爆技術的LED防爆燈具通常是便攜式LED防爆燈具，如帽燈或者手電筒。此類便攜式LED防爆燈具通常采用電池供電，驅動單顆LED粒子或者多顆LED粒子陣列實現照明。

1.3以澆封技術為主的LED防爆燈具

澆封型防爆技術是一種隔離型防爆技術。這種技術利用澆封劑將引燃源與爆炸性危險介質隔離開，以實現破壞爆炸三角形的目的。基于此原理，澆封劑的耐溫、硬度、黏性等理化性能需要被直接或者間接地考核。

以澆封型為主要防爆技術的LED防爆燈具通常使用澆封劑來保護LED粒子及粒子引出線，為了不降低LED的發光效率，通常用來澆封LED粒子的澆封劑都具有非常高的導光率和良好的熱傳導性能，在將LED粒子與爆炸性危險介質隔離的同時起到LED粒子降溫的作用。由于這種澆封劑固化之后通常是柔性的，不具備較強的機械性能，所以通常還需要輔以其他的防爆技術對其進行機械保護，通常采用的輔助防爆技術是增安型防爆技術。

2光引燃機理及光防爆技術

2.1光引燃機理

光輻射設備或者光輻射傳輸系統可能被安裝在爆炸性環境中，光輻射設備和光輻射傳輸系統也可能本身并不處于爆炸性環境中，其發出的輻射能量可能會通過這些環境，而這些輻射能量也可能會點燃周圍的爆炸性介質。因此，光輻射的點燃機理總結如下：

①光輻射被表面或微粒吸收后，使它們的溫度升高，在某些條件下，會使它們達到點燃周圍爆炸性環境的溫度。

②當光波長度與氣體的吸收波段匹配時，一定體積的可燃性氣體發生熱點燃。

③由于紫外波長范圍內的輻射使氧分子光解，形成光化學點燃。

④在強光束聚焦處激光直接導致氣體分解，產生等離子和沖擊波，二者最終成為點燃源。接近分解點的固體材料能夠對這些過程起到支持作用。

本文主要討論的LED防爆燈具的引燃機理屬于引燃機理①，從根本上來說也就是熱引燃。引燃機理①中的直接引燃源就是吸收了光輻射，并且溫度升高了的表面或者微粒。

2.2GB標準和IEC標準在光防爆技術上的差異

目前申請歐盟ATEX認證和IECEx認證，需使用IEC60079-28標準對光輻射設備和傳輸系統進行光引燃危險性考核。雖然尚無與IEC60079-28標準相對應的中國GB標準，但是在防爆通用標準GB3836.1-2010中的第6.6.2條對激光或其他連續波的光功率或者光輻照度提出了如下要求[9]。

EPLMa或Mb級電氣設備的激光或其他連續波源的輸出參數不應超過下列值：

①激光或其他連續波源，20mW/mm2或150mW;

②脈沖間隔至少5s的脈沖激光或脈沖光源，0.1mJ/mm2。

EPLDa或Db級電氣設備的激光或其他連續波源的輸出參數不應超過下列值：

①連續波激光或其他連續波源，5mW/mm2或35mW;

②脈沖間隔至少5s的脈沖激光或脈沖光源，0.1mJ/mm2。

EPLDc級電氣設備的激光或其他連續波源的輸出參數不應超過下列值：

①連續波激光或其他連續波源，10mW/mm2或35mW;

②脈沖激光或脈沖光源，0.5mJ/mm2。

脈沖間隔小于5s的輻射源被視為連續波源。

可以看到，GB3836.1-2010標準中僅對煤礦使用的設備和爆炸性粉塵場所內所使用的設備提出了光輻照度、光功率和光能量的要求，而對爆炸性氣體危險場所內所使用設備的要求，則需要參照IEC60079-28標準。在GB3836.1-2010標準中所引用的IEC60079-28標準實際上是IEC60079-28ed1標準，而在這一版本標準中未對EPL等級為Da、Db和Dc的設備提出要求，故上述要求實際上是GB標準對IEC標準的補充。在IEC60079-28ed2標準中，已經將EPL等級為Da、Db和Dc的設備納入標準[10]，如表1所示。

表1　III類設備的輻射功率和輻照度的要求Tab.1　Requirements of radiation power andirradiance for class III equipment

可以看到，表1中的值與GB3836.1-2010中第6.6.2條規定值并無差異[9]。

2.3光防爆技術

根據IEC60079-28ed2標準，可用三種防爆型式來防止潛在爆炸性環境中光輻射造成的點燃。這些防爆型式適用于所有光學系統。

這三種防爆型式是：

①固有安全型光輻射，防爆型式符號“opis”。固有安全型光輻射是指，在正常或規定的故障條件下，不會產生足夠的能量從而點燃特定爆炸性環境的可見輻射或紅外輻射。原理是限制光束強度。

②保護型光輻射，防爆型式符號“oppr”。保護型光輻射要求輻射限定在光纖或其他傳輸介質內，前提是假定輻射沒有從限制范圍內溢出，也就是說光輻射并非人為設置的敞開光束，也非由于光纖破損導致的光輻射溢出。

③連鎖裝置型光學系統，防爆型式符號“opsh”。連鎖裝置型光學系統采用特定的功能性設置，使光能的切斷時間小于爆炸延遲，即在爆炸之前就將光能切斷。

3LED防爆燈具光引燃評價實踐

3.1光防爆技術的選擇

“oppr”保護型光輻射的原理限于對光纖等傳輸介質的保護，并不適用于LED防爆燈具。本文討論的LED防爆燈具可以使用固有安全性輻射“opis”或者連鎖裝置型光學系統“opsh”，其中連鎖裝置型光學系統在標準中僅規定了應用原理，但是在實際應用中并未看到較多的應用案例，所以本文僅討論使用“opis”型保護的LED防爆燈具的評價方法。“opis”的具體實現方法是將輻射按照持續時間和頻率分成連續型光輻射和脈沖光輻射兩類，分別評價光功率、光輻照度或者光能量。由于LED防爆燈具屬于連續性光輻射，所以只需要對光功率或者光輻照度之一進行評價。

3.2故障分析

LED防爆燈具的光功率測試和光輻照度測試并非直接在成品燈具上進行測試，正確的測試方法是先進行故障分析，然后對成品燈具施加足夠的故障，搭建專門的測試樣機。當然，如果想要驗證待測燈具的光功率和光輻照度的通過可能性，直接在成品燈具上進行摸底試驗也是可行的。如果直接摸底試驗不通過，那么施加故障條件后也必定不通過。

故障條件的施加方法有如下兩種：

①固有安全發光元件分析法。這種施加故障條件的方法具備相當的嚴酷性，原理是認定所有的外圍保護和外圍電路都發生了短路或者斷路故障，導致發光元件(LED粒子)達到了理論發光極限。在實際操作中就是通過試驗來驗證這個發光極限。這種測試需要單獨搭建驅動電路，通過調整輸入電流的方式描繪LED粒子的光功率/光輻照度曲線，在21～25 ℃的室溫下測得發光極限值，即最大光功率/光輻照度值，并以表2為判據進行比對[10]。

表2　 I/II類設備的安全輻射功率和輻照度限值Tab.2　Safety radiation power and irradiance for class I/II

需要說明的是，這種發光元件分析法通常用于評價單顆LED粒子，并給LED粒子頒發固有安全型部件證書。對于僅適用單顆LED粒子的防爆照明燈具，可以直接使用這種固有安全型LED粒子，而無需再測試光功率或者光輻照度。如LED防爆燈具采用多顆這種部件認證的LED粒子，則仍需測試光功率或者光輻照度。

從原理上講，這種發光元件分析法也可以應用于LED粒子陣列或者LED整燈，不過由于需要使用10只樣品，所以樣品數量過大，所以實際操作中一般不用于評價LED粒子陣列或者LED整燈。

②驅動故障分析法。這種施加故障條件的方法對于LED防爆燈具來說更為實用，因為經過較多的試驗驗證，以照明為目的的LED防爆燈具所采用的粒子難以通過固有安全發光元件分析法進行分析評價。這種分析方法的著手點在于驅動電路或者外圍電路，認為外圍電路上的元件可以發生一定數量的計數故障和非計數故障，這里的計數故障和非計數故障概念源自IEC60079-11本安安全標準，認定方法也可以依據IEC60079-11本安標準。故障施加數量可以參考表3。

表3　計數故障和非計數故障的數量Tab.3　 Number of countable fault and non-countable fault

3.3四種測試方法

在3.2條描述的兩種故障條件下，IEC60079-28ed2標準中對于光功率和光輻照度給出了四種可選測試方法：

①將施加了故障的驅動安裝到LED防爆燈具中，如果LED粒子的廠家能夠提供LED粒子發光能力按照工作溫度的調整系數，那么只需要在21～25 ℃的室溫下測試整燈光功率或者光輻照度,然后使用溫度系數進行計算，得到最大光功率或者光輻照度。如果廠家不能提供此調整系數，那么需要按照表4進行測試，N代表施加的計數故障。需要說明的是，如果施加了故障的驅動輸出大于LED發光元器件的額定輸入，那么無溫度系數情況下的不同測試環境溫度中所使用的樣品是不同樣品。

表4　測試環境溫度與樣品數量Tab.4　Testing ambient temperature and number of samples

②通過對驅動器施加故障并進行計算得到最大輸出參數后，使用獨立的電源按照此輸出參數對拆除了驅動器的燈具進行供電。如果LED粒子廠家能夠提供隨工作溫度變化的LED粒子發光能力系數，那么只需要在21～25 ℃的室溫下測試整燈光功率或者光輻照度，然后使用溫度系數進行計算得到最大光功率或者光輻照度。可以參照表4進行試驗，對于這種試驗方法，取N=1。需要說明的是，如果施加了故障的驅動輸出大于LED發光元器件的額定輸入，那么無溫度系數情況下的不同測試環境溫度中所使用的樣品則必須是不同樣品。

③等同于固有安全發光元件分析法。

④計算對發光元件的最大電氣功率輸入，作為LED的最大光功率，使用表2進行比對。需要說明的是，以照明為目的的LED防爆燈具的輸入功率通常遠遠高于表2中規定值，所以這種方法針對照明燈具并不適用。

3.4測試位置的選擇

針對以隔爆、本安和澆封為主防爆技術的三種燈具的測試位置并不相同，由于3.3中介紹的方法④并非測量光功率和光輻照度，所以我們僅對3.3中介紹的方法①、②、③進行解釋，詳見表5。

表5　防爆型式與光輻照度測量點位置的關系Tab. 5　Relationship between types of explosion proof andmeasurement point locations of light irradiance

需要說明的是，IEC60079-28中認為產品外殼滿足IP6X則代表透明件外表面，即為吸收體可達最近表面。實際上，IP6X僅代表外殼的防護等級，并無法有效阻止外殼內部吸收體的存在，所以這種認定方法實際上存在較大的風險。在實際操作中，各機構對這種認定方法也持相當謹慎的態度。

4防爆標志

對于防爆產品來說，防爆標志是表征其防爆型式和防爆技術的重要依據。防爆LED燈具在通過了光引燃危險評價后，可以給予固有安全型“opis”的防爆標志。與隔爆和本安產品的防爆標志類似，固有安全型的防爆標志也包含“溫度組別”。需要說明的是，前文表2中的T1、T2、T3、T4等溫度組別與通常所說的溫度組別并非為同一個概念，表2中為了明確囊括可以使用的氣體種類，借鑒了氣體介質按照溫度組別的劃分方法。所以表2中的T1、T2、T3、T4代表具有T1、T2、T3、T4組別的爆炸性氣體。

例如表2中對于光功率≤35mW這種情況，IIC僅僅列出了T1、T2、T3、T4而沒有列出T5和T6。這是因為IIC沒有T5組別介質，而且T6的CS2在試驗中被24mW的光能量引燃了，所以將T5和T6都排除。此處使用TCode并非是從溫度角度作了評價，而僅僅是使用TCode作了一個標示，便于區分各種TCode的爆炸性危險氣體的最小引燃能量。另需說明的是，IEC60079-28ed2中將CS2劃分為T6組別，與GB表中的T5組別劃分有區別。

5結束語

綜上所述，本文介紹的評價方法和測試方法基本可以覆蓋目前市場上的以隔爆技術、本質安全技術和澆封技術為主防爆技術的LED防爆燈具。這些方法作為電氣防爆技術的補充，從光引燃角度明確給出了評價參數和試驗方法，對于LED防爆燈具在爆炸性危險場所的推廣使用起到了安全保障作用。考慮到中國GB標準與IEC標準的內容相關性，這種方法對于中國防爆認證體系、IECEx體系和ATEX體系同樣適用。

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中圖分類號：TH-3;TP212

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607004

AssessmentMethodofLightIgnitionforExplosion-proofLEDLightingFixture

Abstract：Aiming at the current status that explosion-proof LED lighting fixtures are more and more being used in explosive hazardous areas, the differences of the structural design and optical energy limit between flame proof type and intrinsic safety type explosion-proof LED lighting fixtures are compared. On the basis of fault analysis of light source driver, the optical power tests and optical irradiance tests of light source are conducted, thus, it is verified that in assessment of light ignition for explosion-proof LED lighting fixture, the optical irradiance test is more applicable than the optical power test. The assessment method for the risks of light ignition of explosion-proof LED light fixture is described. The possibility and specific implementing method of gaining European Union ATEX certificate for domestic explosion-proof LED lighting fixtures are demonstrated from the aspect of standard compliance.

Keywords:Explosion-proofExplosive hazardous areaFlameproofIntrinsic safetyFault analysisLight ignitionOptical powerOptical irradiance

修改稿收到日期：2016-05-11。

作者辛磊夫(1983一)，男，2011年畢業于上海交通大學電子與通信工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事防爆技術的研究和防爆產品的認證工作。