无内释放源的正压外壳换气试验和静态正压时充气程序试验度检测

无内释放源正压外壳电气设备安全性能检测技术研究

摘要
本文系统阐述了无内释放源正压外壳型电气设备的两项关键安全性能检测项目：换气试验和静态正压时充气程序试验。文章详细分析了各项检测方法的原理与操作流程，明确了其在爆炸性气体环境用设备认证中的适用范围，引证了国内外核心标准规范，并介绍了检测所需的关键仪器设备及其功能，为该类设备的防爆安全评估提供了完整的技术依据。

一、 检测项目：方法及原理

无内释放源正压外壳通过保持内部保护气体的压力高于外部环境压力，以防止外部爆炸性混合物侵入，从而实现防爆安全。其核心检测项目旨在验证正压保护系统建立和维持有效防爆状态的能力。

1. 换气试验

   • 检测目的：验证在设备启动时，其正压外壳内部空间能够被足量的保护气体有效置换，将可能积聚的可燃性气体或粉尘浓度降至安全水平以下，确保在通电前形成安全的内部环境。

   • 检测原理：该试验基于流体力学和气体置换原理。在设备外壳的进气口通入规定流量和压力的保护气体（通常为空气或惰性气体），迫使气体从外壳内部流过并从出气口排出。此过程旨在用纯净的保护气体置换出设备内部所有空间（包括死角、元件间隙）原有的空气。试验的关键在于确保换气过程持续足够长的时间（即“换气时间”）或达到足够的换气体积（通常为外壳净容积的5倍或以上），使得内部任何潜在的可燃物浓度被稀释至不能构成点燃风险的水平。

   • 检测方法：
     a. 流量计法：在保护气体供应管路上安装经校准的流量计。测量并调节气体流量至设备设计值。记录开始通气的时间，并持续通气直至达到规定的小换气时间（T），T = (5 × 外壳净容积 V) / 气体流量 Q。确保在整个换气期间，外壳内的正压值始终维持在设备规定的小值之上。
     b. 压力-时间曲线法：对于结构复杂、难以精确计算容积或存在内部阻挡物的外壳，可采用此方法。首先密封所有开口，向壳内充气至一个较高的初始压力P1，然后打开排气阀，记录内部压力从P1下降到规定的低正压值P2所需的时间t。通过分析压力衰减曲线，可以评估外壳的有效流通特性，并结合计算验证换气效果。终仍需通过实际通气流速和时间的乘积来确认总换气量满足要求。

2. 静态正压时充气程序试验

   • 检测目的：模拟在设备断电、内部无热源运行的静态条件下，验证其正压保护系统在经历压力损失后，能够通过自动或手动控制的充气过程，重新建立并维持足够的内部正压，而不触发报警或断电。

   • 检测原理：该试验考核的是正压系统在“冷态”下的压力保持与恢复能力。通过人为地将外壳内部压力释放至低于低允许值，然后启动充气系统，监测压力恢复至安全值（通常为低正压值的1.5倍或设备技术文件规定值）所需的时间、压力稳定性以及保护装置（如压力传感器、时间继电器）的动作逻辑是否正确。

   • 检测方法：
     a. 准备：设备处于断电状态，所有开口按要求封闭。启动保护气体供应系统，使外壳内压力稳定在正常运行压力范围。
     b. 泄压：通过外壳上预设的泄压阀或临时安装的可控泄放装置，缓慢或快速地将内部压力降至低于设备规定的低正压值（例如50 Pa）。
     c. 充气与监测：压力触底后，充气系统应自动或手动启动（根据设备设计）。同时，使用高响应速度的压力传感器和数据记录仪，连续监测并记录外壳内部压力从开始充气到恢复至目标安全压力（如75 Pa）的完整时间历程曲线。
     d. 逻辑验证：在充气过程中，观察并记录压力监控装置是否在压力达到安全阈值时正确发出信号（如解除报警、允许启动信号），并且在整个过程中，用于安全联锁的计时器（如有）不应超时动作导致系统锁定。充气时间必须在设备设计或标准规定的限值之内。

二、 检测范围

上述检测项目广泛应用于所有拟用于爆炸性危险环境的、采用“正压外壳‘p’”防爆型式的无内释放源电气设备。主要应用领域包括：

• 石油化工行业：大型分析小屋、控制柜、现场操作柱、变频器柜。

• 煤炭矿山行业：井下主控站、采区变电所的正压配电装置。

• 医药化工行业：防爆区域内的PLC控制柜、动力配电箱。

• 粮食加工与仓储：存在可燃性粉尘环境的正压型电气控制设备。

• 油气勘探与生产：海上平台及陆上油气田的正压防爆仪表箱、接线箱。

• 任何存在IIA、IIB、IIC类爆炸性气体环境或III类可燃性粉尘环境中，需要将高功率、非防爆元件置于安全环境运行的电气设备外壳。

三、 检测标准

检测活动必须严格遵循、标准规范，确保结果的有效性和公认性。

• 标准：

  • IEC 60079-2：《爆炸性环境 第2部分：由正压外壳“p”保护的设备》。这是范围内核心和基础的标准，详细规定了换气试验和静态正压试验的要求、方法和合格判据。

• 中国标准：

  • GB/T 3836.5：《爆炸性环境 第5部分：由正压外壳“p”保护的设备》。该标准等同采用IEC 60079-2，是国内进行产品认证和检测的强制性依据。

• 其他区域性标准：

  • EN 60079-2：欧洲电工标准化委员会采纳的IEC标准，是欧盟ATEX指令下的协调标准。

  • NFPA 496：美国消防协会标准，针对净化、加压和通风外壳的防爆要求，其方法与IEC 60079-2原理相通，但在具体参数和程序上可能存在差异。

关键参数要求（以GB/T 3836.5/IEC 60079-2为例）：

• 小换气量：通常为外壳净容积的5倍。

• 小换气时间：必须足够长以确保有效置换，并考虑结构复杂性。

• 低正压值：通常不低于50 Pa（对于IIC类气体环境，要求可能更高，如200 Pa）。

• 安全压力值：至少为低正压值的1.5倍。

四、 检测仪器

完成上述检测需要一系列专用、高精度的仪器设备。

1. 压力测量仪器：

   • 数字微压计/压力传感器：核心设备。需具备高分辨率（如0.1 Pa）、高精度（±0.5% FS或更高）和快速响应能力。用于实时监测和记录换气及充气过程中的外壳内部压力变化。通常需配备数据输出接口，连接至数据记录仪。

   • U型管压力计或倾斜式微压计：可作为辅助或粗略测量工具，但在认证试验中通常以电子式数字微压计为准。

2. 流量测量仪器：

   • 气体质量流量计/控制器：安装在进气管道上，用于精确测量和控制进入外壳的保护气体流量。其量程和精度需匹配设备的設計流量。

   • 转子流量计（浮子流量计）：经济实用的流量指示装置，需经校准后方可用于定量测量。

3. 数据采集与记录系统：

   • 数据记录仪：能够同步接收并记录来自压力传感器、流量计等信号的多通道设备。用于生成压力-时间、流量-时间曲线，为分析换气效果和充气动态过程提供客观数据。

4. 计时器：

   • 电子秒表或数据采集系统内置时钟：用于精确测量换气时间和充气恢复时间。数据记录仪的系统时钟通常能满足精度要求。

5. 气源与调节系统：

   • 压缩空气/惰性气源：提供稳定、洁净、干燥的保护气体。

   • 压力调节阀与过滤器：用于精确控制进气压力，并去除气体中的油分、水分和颗粒物，确保试验条件的一致性和设备安全。

结论

换气试验与静态正压时充气程序试验是无内释放源正压外壳型防爆电气设备安全认证中的强制性且至关重要的环节。通过严格遵循标准化的检测方法，使用精密的仪器设备，可以科学地验证该类设备在启动和静态压力故障恢复两种关键工况下的防爆安全性，确保其在实际危险场所中能够可靠运行，防止爆炸事故的发生。