封閉式斷路器和非點燃元件試驗研究*

陳志明，王立軍，李世光，蔣漳河，劉柏清，徐偉巍

（1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣州 510700；2.國家防爆設備質量檢驗檢測中心（廣東），廣州 510760）

0 引言

封閉式斷路器和非點燃元件涉及的GB 3836.8-2014標準在2021年10月11日發布新版標準，將于2022年5月1日正式實施，與GB 3836.8-2014 版比較，新版標準中封閉式斷路器歸為“dc”類設備，屬于GB∕T 3836.2-2021 標準管理范圍，非點燃元件仍是屬于“nC”型，需符合GB∕T 3836.8-2021 的規定，本文主要從試驗準備、試驗條件和試驗結果判斷3 個方面闡述標準做出此類調整的原因，有助于提高對封閉式斷路器和非點燃元件的理解，指導產品認證工作。

封閉式斷路器是裝有通、斷電觸頭，在進入其內部的可燃性氣體或蒸汽爆炸時不會損壞，并且也不會將內部爆炸傳播到外部的裝置。隱含的含義是這個觸頭有點燃可燃性氣體的能力。封閉式斷路器和隔爆型“d”的原則性區別在于，封閉式斷路器裝置對尺寸沒有限制，也沒有增加安全系數。本文中的尺寸沒有限制，并不是對產品的外形尺寸沒有限制，而是指對隔爆接合面尺寸沒有限制，比如接合面寬度、接合面間隙、粗糙度等。封閉式斷路器重點考核其內部點燃的不傳爆性能，不傳爆試驗的次數一般要求由5 次增加到10 次。對封閉式斷路器，元件應承受規定的型式試驗，試驗后，裝置或元件應無可見的損壞痕跡，外部應未出現點燃，且當斷開開關觸點時沒有飛弧出現。

非點燃元件是接通或斷開具有規定點燃能力的電路的觸頭，但是接觸機構的設計和結構使其不能點燃規定的爆炸性氣體環境的元件。非點燃元件的外殼不用于阻止爆炸性氣體環境或承受爆炸。通常適用于特殊結構的開關觸點的機械設計能夠熄滅電弧或火花，使它們不會成為點燃源。非點燃元件觸頭的布置熄滅了初始火焰，因此不會點燃外部的爆炸性環境。非點燃元件既不能點燃樣品內部爆炸性氣體也不能點燃外部爆炸性氣體。

1 試驗程序

封閉式斷路器和非點燃元件試驗在GB 3836.8-2014[1]版中的試驗過程主要包括試驗樣品的準備、試驗條件和試驗結果判定。試驗流程如圖1所示[2]。根據最新的GB 3836.2-2021[3]和GB 3836.8-2021[4]標準的要求，試驗程序有較大的差異，現分別從試驗樣品的準備、試驗條件和試驗結果判定3個方面分別闡述。

圖1 封閉式斷路器和非點燃元件爆炸試驗及結果判定程序

在GB 3836.14-2014 版第22.4 條，規定了封閉式斷路器和非點燃元件的試驗方案，主要包括試驗前的預處理（溫度試驗、耐熱耐寒試驗、操作疲勞試驗等），試驗配氣，連接最大負載，爆炸氣體與觸頭接觸，觸頭通斷試驗，爆炸性氣體點燃性驗證和試驗結果判斷。

2 試驗準備

封閉式斷路器的外殼如果用于設備外部，則應進行GB 3836.1規定的外殼機械試驗。封閉式斷路器默認其觸點有點燃內部可燃氣體的能力，在正式試驗之前，外殼應鉆孔，使氣體進入腔體內部接觸觸頭，檢驗其開關觸頭在最大外部負載情況下，是否有點燃爆炸性氣體的能力。如果無點燃爆炸性氣體的能力，則下一步試驗方案需作出必要的調整。

對于非點燃元件，應在額定電氣負載條件下進行預處理。元件布置應確保試驗氣體能接觸元件觸頭，并且能檢測到產生的爆炸。如果在外殼上鉆孔，至少鉆兩個孔，以確保從殼體內部到外部的點火傳播。氣體應流過元件觸頭，為此可將管子與其中一個孔相連。如有必要，可將爆炸探測裝置（如壓力傳感器）連接到元件上以探測是否點燃，如果非點燃元件的體積較小也可用熱電偶探測其是否爆炸。GB 3836.8-2014 版標準規定只能用壓力探測器探測引燃情況有較大的局限性[5]，爆炸產生的信息很多，可以探測溫升、爆炸光，也可以探測爆炸產生的壓力上升等。或者將試驗容器內抽真空保持至少100 s后，用規定的氣體混合物充滿試驗容器，在接通要求的電氣負載之前保持濃度至少100 s。這里增加了時間要求，是為了讓可燃氣充分進入元件內部，接觸觸頭。將爆炸探測裝置（如壓力傳感器）連接到元件上，以探測是否點燃。某樣品的具體試驗方案如圖2所示。

圖2 封閉式斷路裝置和非點燃元件爆炸試驗方案

3 試驗條件

裝置或元件應按結構圖紙允許的最不利尺寸布置，并用設備類別所要求的爆炸性混合物將設備或元件周圍充滿，要求的爆炸性混合物如表1所示。

表1 封閉式斷路器和非點燃元件試驗氣體配置

在GB 3836.8-2014 中，封閉式斷路器和非點燃元件在試驗的時候配置的氣體都是按照表1第3列的氣體組別配置，新版標準做出此類變更的原因主要有兩條，一是與隔爆標準中配置氣體保持統一[6]，二是不增加安全系數。在封閉式斷路器的定義中，封閉式斷路器和隔爆型設備的主要區別之一是沒有增加安全系數，但是如果采用表1第3列的氣體組別（非點燃元件組）配置則增加了安全系數。查詢標準GB∕T 3836.11-2017[7]《爆炸性環境第11 部分：氣體和蒸氣物質特性分類試驗方法和數據》可知常見物質根據最大試驗安全間隙進行分類如表2所示。

表2 常見物質根據最大試驗安全間隙進行分類

結合表1和表2的數據，選擇各類別氣體的代表性氣體和試驗氣體的最大試驗安全間隙，如表3所示。安全系數等于代表性氣體MESG 值除以試驗氣體MESG 值，各組類別的試驗氣體已經有1.5倍左右的安全系數，如果還是選用表1第3列的氣體（非點燃元件組）配置，則增加了安全系數[8]，與標準規定不一致。表1第3 列的氣體配置從最大試驗安全間隙角度來看都屬于更高級別的代表性氣體。

表3 封閉式斷路器試驗常用氣體濃度及安全系數

查詢標準GB∕T 3836.11-2017《爆炸性環境第11 部分：氣體和蒸氣物質特性分類試驗方法和數據》可知，常見物質根據最小點燃電流比進行分類如表4所示。

表4 常見物質根據最小點燃電流比進行分類

依據表1和表4的數據，選擇各類別氣體的代表性氣體和試驗氣體的小點燃電流比，如表5所示。安全系數等于代表性氣體MICR 值除以試驗氣體MICR 值，各組類別的試驗氣體已經有1.5倍以上的安全系數，滿足試驗安全裕度的要求，所以標準換版時未改變。非點燃元件考核的是其點燃可燃性氣體的能力，通過機械結構限制初始火花，即允許有火花，限制了火花的持續時間，相當于限制了電花火的能量。標準GB∕T 3836.32-2021《爆炸性環境第32部分：電子控制火花時限本質安全系統》是通過電子控制火花的持續時間，非點燃元件是通過機械結構。

表5 非點燃元件試驗常用氣體濃度及安全系數

4 試驗結果判斷

對封閉式斷路器，應在連接至最大額定電源功率能量和最大負載時（根據電壓、電流、頻率和功率因數），用封閉觸頭的動作點燃裝置內的爆炸性混合物。接通和分斷試驗應進行10次，每次試驗均應使用新鮮的爆炸性混合物，裝置周圍的爆炸性混合物不應被點燃，且當斷開開關觸頭“后”沒有飛弧出現。標準翻譯為斷開開關觸頭“時”沒有飛弧出現容易產生誤解，因為試驗正是用斷開開關觸頭時的火花點燃爆炸性氣體，所考核的是觸頭斷開后爬電距離和電氣間隙是否符合要求，否則容易拉弧。標準GB 3836.8-2014 第17.1 條同時對封閉式斷路器和非點燃元件提出斷開開關觸頭時沒有飛弧出現的要求是不合理的，這僅僅是封閉式斷路器應當符合的要求[9-10]，在2021 版標準換版時做出了更正。如何判斷有無拉弧出現可通過示波器查看，留下證據作為原始記錄的一部分，圖3（a）所示為接通有拉弧，圖3（b）所示為斷開無拉弧。

圖3 接通和斷開觸頭是否有拉弧

非點燃元件應在規定的電氣負載下不少于10 s 的間隔最少動作50 次，在每組10 次操作后更新氣體混合物。元件內或元件周圍的爆炸性混合物不應被點燃。“規定的電氣負載”指使用元件的電路或被驗證的電路在正常運行條件下的電壓、電流、電感或電容、沖擊電流或過載條件。這里增加了時間要求，因為不管是感性負載還是容性負載，它的時間常數都是確定的，需要足夠的時間讓其充足儲能。新標準修改試驗配氣次數，由原來的1個樣品3 次配氣，分別通斷50 次，改為5 次配氣，分別通斷10次，試驗結果的有效性增強。因為在保證每次通斷時間間隔大于時間常數的情況下，元件環路儲能充足，又增加了的配氣次數，同時從點燃源和可燃性物質兩個方面增強了試驗的置信水平[11-13]。隨著觸頭通斷的次數增多，樣品內的可燃性氣體逐漸消耗，后期的通斷可能毫無意義。另外GB 3836.8-2014 版標準只限定不點燃元件周圍爆炸性混合物，應理解為非點燃元件不能引燃內部爆炸性混合物，爆炸不會傳導至外部爆炸性混合物，根據定義，非點燃元件的外殼不用于阻止爆炸性氣體環境或承受爆炸。

5 結束語

封閉式斷路器和非點燃元件從同屬一個標準到由不同的標準分別管理，其中的原因本文通過從試驗準備、試驗條件和試驗結果判斷3 個方面分別闡述，得出以下結論。

（1）在試驗準備階段，封閉式斷路器應檢驗觸頭點燃可燃氣體的能力，非點燃元件的引燃情況探測可以采用非壓力探測法。

（2）試驗條件方面，封閉式斷路器的試驗氣體組合增加了安全系數，2014 版標準試驗條件過于嚴苛，而非點燃元件的安全系數沒有增加。

（3）試驗結果判斷方面，封閉式斷路器允許內部爆炸，不允許外部爆炸，非點燃元件同時不允許內外部爆炸，斷開開關觸頭后沒有飛弧出現是對封閉式斷路器的要求，不是對非點燃元件的要求，另外通過修改非點燃元件試驗程序，試驗結果的有效性得到了增強。