本安电路设计方法的探讨-tt

则需要采取外壳保护措施，外壳防护等级一般为IP20即可，不过对于I 类设备，外壳防护等级不应该低于IP54。在实际设计中，我们采取的隔离措施主要有机械隔离和电气隔离。1.1.1 机械隔离

通常我们采用的是电缆（或电线）直接连接在它的接线端子上，或者用插头-插座方式插接连接。

（1）接线端子。在设计本安电路时，接线端子应该满足以下要求：

1）接线端子应该采用导电和力学性能好的材料制成，例如黄铜。并且接线端子的结构还要保证导线连接可靠，不应发生松动。

2）本安电路接线端子之间，本安电路接线端子与非本质安全电路接线端子之间的电气间隙和爬电距离应该符合表1中规定的相应数值。另外，在电路设计时要求外部导线连接后，导线裸露带电部分之间的电气间隙不应该小于6 mm ，导线裸露带电部分与接地金属导体之间的电气间隙不应该小于3 mm 。

3）本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间，应设置必要的隔离措施，以防止接线松脱出现“搭线”现象。这种隔离措施有两种形式可以采用：

本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间至少相隔50 mm 间距。

本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间采用隔板进行隔离，这种隔板可以是接地金属板，也可以是非金属板。

（2）插头与插座。在设计插头与插座连接时，原则上，在未连接的情况下，插头应该连接在非带电侧，插座应该连接在带电侧，并且插接后必须插紧。1.1.2 电气隔离

电气隔离指元器件采用电气隔离措施而保证非本安的能量或其他电路能量不能影响本安电路特性。这种电气隔离能将本安电路与非本安电路可靠隔离。根

目

前，我国防爆电气产品以本质安全型（以下简称本安型）的产品越来越多。随着微电子

工业的发展，在防爆电气产品领域大量使用通信、信号、监控和传感等电子仪器仪表，这些产品的增多，增加了本安型产品的比例。

本安型电气设备是一种内装本质安全电路的设备，它包括设备和电路，还可以是包括关联设备以及连接电缆，是石油、化工和煤炭等存在可燃性气体的现代化工业中应用十分广泛的电气设备。本安型电气设备由于具有体积小、重量轻及安全可靠等特点，因而备受石油、化工和煤炭企业等用户的欢迎。但是本安型产品因其自身功率较小，使有些产品在设计时存在某些缺陷，因此设计人员应该熟悉本安电路的设计原则与方法就可以最大限度的设计出安全的本安产品。下面就本安电路设计的方法作一探讨。

1 本安电路设计的基本原则与方法

本安型电气设备是指该设备的全部电路，在规定的试验条件下产生的电火花或热效应均不得点燃规定的爆炸性气体混合物的电气设备。在该定义中：①规定的试验条件指用代表性气体、加安全系数采用标准试验装置并考虑正常工作和规定的故障条件等。②电火花指电容性电路的放电，电感性电路的开路放电，电阻性电路周期性的导通、断开放电及炽热导线的熔断。③热效应指导线束的发热、灼热发光的灯丝和元件表面高温。

根据本安型电气设备的定义，我们在本安电路设计时可以遵循下面几个原则。1.1 本安电路与其他电路适当隔离

我们知道，本安型电气设备主要靠自身的电路参数来保证它的防爆安全性能的，因此本安型电气设备和关联设备的本质安全部分原则上不需要外壳进行保护，但实际使用中为了防止可能遭受外部侵害，

本安电路设计方法的探讨

■ 吴长康/南阳防爆电气研究所

针对本安电路设计的基本原则与方法进行了探讨，并介绍了在设计本安电路保护电路的几种隔离措施。

据电路的特点和需要，可采用下列方法（之一）进行电气隔离。

（1）变压器隔离。这种方法一般是作为交流信号或脉冲信号的转换隔离是比较简单的。只要按其本安侧的参数进行计算或附加一下保护环节，即可实现把本安电路与非本安电路电气隔离的目的。在电源变压器中，向本安电路供电的所有绕组同其他绕组应该可靠地隔离，设计人员可以采用下列两种结构进行隔离。

1 型结构：向本安电路供电的所有绕组和其他的所有绕组并列地布置在铁心的一个心柱上，或者，向本安电路供电的所有绕组和其他的所有绕组分别布置在不同心柱上。不管哪种方式，绕组之间都必须按照表1中的规定进行可靠的隔离。

2 型结构：不管是向本安电路供电的绕组还是其他绕组，所有绕组之间都必须按照表1中的规定进行可靠的隔离；或者，在向本安电路供电的绕组和其他绕组之间进行接地屏蔽隔离。这种情况下，接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径，应该能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流而不损坏。接地铜箔的厚度和接地绕组导线的直径必须符合表2中规定的相应数值。

（2）可靠电阻隔离。 利用可靠电阻，可以降低电压减小电流使非本安电路与本安电路隔离。

（3）隔离电容器。隔离电容器主要用于非本安电路与本安电路之间、本安电路与本安电路之间的隔离，其功能是传递检测信号，隔离直流危险电位。它由两个参数相同的电容器串联而成，它的额定电压应该为电路中可能出现的最高电压的1.5倍值。

（4）熔断器。在本安电气设备中，当熔断器被用来保护相应电路时，则熔断器应该能够连续地通过1.7I n

（I n 指熔断体的额定电流）的电流。

（5）继电器。继电器也可以把本安电路和非本安电路隔离。它多用于控制或传递回路中。在使用继电器时，必须满足下列要求：

1）非本安电路触点的开闭回路不超过5 A 、250 V 有效值或1 000 V·A ，其电气间隙、爬电距离应该符合表1的规定要求。

2）当继电器触头损坏时，触头不允许脱落，也不允许因其故障而影响本安电路和非本安电路的隔离的可靠性。

3）继电器绕组应能承受其连接处的最大耗散功率。（6）安全栅隔离。安全栅隔离是设置于本安电路和非本安电路之间最常用的可靠的隔离组件，它能阻止危险能量进入到危险区。

对于“ia ”等级本安电路用的安全栅，不允许采用可控半导体器件进行隔离。对于二极管安全栅应该满足下列要求：

至少装两只二极管，并且至少设置两个独立的接地端子，而且每一个接地端子能够连接截面积不小于4 mm 2的绝缘导线。

二极管安全栅的试验除检查电路组装及相应的输入、输出端子的正确性外，主要是检验电路中所用二极管的性能指标。

（7）光耦合器。一般在电路功能允许的情况下，尽量采用光耦合器进行本安电路与非本安电路的隔离，尤其是对不同负载采用光耦合器隔离，方法简单，可靠，同时可减少许多防爆性能试验。在使用光

表1 爬电距离、电气间隙和间距

电压（峰值）/V 10

30

60

90

190

375

550

750

1 000

1 300

1 575

3.3 k

4.7 k 9.5 k 1

5.6 k

电气间隙/mm

1.5

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0 10.0 14.0 16.0

通过浇封化合物的间距/mm 0.5 0.7 1.0 1.3 1.7 2.0 2.4 2.7 3.3 4.6 5.3 9.0 12.0 20.0 33.0通过固体绝缘的间距/mm 0.5 0.5 0.5 0.7 0.8 1.0 1.2 1.4 1.7 2.3 2.7 4.5 6.0 10.0 16.5空气中的爬电距离/mm 1.5 2.0 3.0 4.0 8.0 10.0 15.0 18.0 25.0 36.0 49.0涂层下的爬电距离/mm

0.5 0.7 1.0 1.3 2.6 3.3 5.0 6.0 8.3 12.0 13.3

相比漏电起痕指数CTI/

Ⅰa 100 100 100 175 175 275 275 275 275 275

Ⅰb 100 100 100 175 175 175 175 175 175 175注：1.除间隔距离以外，目前没有提出高于1 575 V 电压的规定值。 2.在电压低于10 V 时，绝缘材料的相比漏电起痕指数不需要规定。

表2 屏蔽的最小金属箔厚度或最小导线直径与熔断器额定电流的关系

熔断器额定值/A 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 5.0金属箔屏蔽厚度/mm 0.05 0.05 0.075 0.15 0.25 0.3导线屏蔽直径/mm 0.20 0.45 0.63 0.9 1.12 1.4

耦合器件对本质安全电路和非本质安全电路进行隔离时，应该在非本质安全电路的终端配置适当的保护环节，以保证非本安电路的电压和电流不超过光耦合器件的额定值的2/3。

1.2 本安电路在规定的条件下，其任何元件的热效应

均不能点燃规定的爆炸性气体混合物

1）在设计本安电路时必须以最不利的工作条件和故障状态下，利用已知元件的热特性以及在适当的故障条件下可能承受的最大功率来计算或测定该元件的表面温度，判定是否满足允许的温度要求。

2）对设备内导线的选择要考虑导线自身的发热温度，也就是说要考虑导线最大允许通过的电流。

在一般情况下，铜导线所对应的最高导线自身发热温度的最大允许电流可从表3获得，对金属导线也可应用下列公式计算

I＝ t（1＋aT）

I

f T（1＋at）

式中 a —导线材料的电阻温度系数（对于铜为

0.004

265Ｋ－1）；

I —最大允许电流，A；

I

f

—导线在40℃环境温度时的熔化电流，A； T —导线熔化温度(对于铜为1 083℃)，℃； t —自热导线温度和环境温度，℃。

绝缘导线的最大允许电流不应超过电线制造厂规定的额定值。

印制电路布导线时，对于厚度不小于0.5 mm印制电路板，在单面或双面具有厚度不小于35 mm。如果其宽度为0.3 mm，持续电流不大于0.518 A，应给出的温度组别为T4或Ⅰ类。同样，对于最小印制线宽度为0.5 mm、1.0 mm和2.0 mm，T4组分别给出了对应的最大电流为0.814 A、1.388 A和2.222 A。印制线长度不大于10 mm，可不考虑温度组别。

对于其他印制板铜导线的温度组别应根据表4确定。

表3 铜导线的温度组别（最高环境温度为40℃时）

直径/mm 横截面/mm 温度组别的最大允许电流/A T1～T4和Ⅰ类 T5 T6

0.035 0.000

962 0.53 0.48

0.43 0.05 0.001

96 1.04 0.93

0.84 0.1 0.007

85

2.1 1.9

1.7

0.2 0.031

4 3.7 3.3

3.0

0.35 0.096

2 6.4 5.6

5.0

0.5 0.196 7.7 6.9

6.7注：1.给出的最大允许电流值是交流有效值或直流值(A)。

2.对于绞合导线，其横截面是所有绞合导线的总截面积。

3.该表也适用于挠性扁平导线，例如带状电缆，但不适用于印制

电路导线。

4.直径和横截面是由导线制造厂规定的标称尺寸。

5.当P i不超过1.3 W时，可以判定导线为T4温度组别，并且对于

Ⅰ类也是允许的。

表4 印制板导线温度组别（最高环境温度为40℃时）

最小印制线宽度/mm

温度组别的最大允许电流/A

T1～T4和Ⅰ类 T5 T6

0.15 1.2 1.0

0.9

0.2 1.8 1.45

1.3

0.3 2.8 2.25

1.95

0.4 3.6 2.9

2.5

0.5 4.4 3.5

3.0

0.7 5.7 4.6

4.1

1.0 7.5 6.05

5.4

1.5 9.8 8.1

6.9

2.0 12.0 9.7

8.4

2.5 1

3.5 11.5

9.6

3.0 16.1 13.1

11.5

4.0 19.5 16.1

14.3

5.0 22.7 18.9

16.6

6.0 25.8 21.8

18.9

注： 1.给出的最大允许电流值是交流有效值或直流值(A)。

2.本表适用于单层铜箔厚度为35 mm、厚度为1.6 mm以上的印

制电路板。

3.对于厚度为0.5～1.6mm的印制电路板，应把表中的最大允许

电流值除以1.2。

4.对于双面印制电路板，应把表中的最大允许电流值除以1.5。

5.对于在考虑中的多层印制电路板，应把表中的最大允许电流

值除以2。

6.对于铜箔厚度18 mm印制电路板，应把表中的最大允许电流

值除以1.5。

7.对于铜箔厚度为70 mm印制电路板，应把表中的最大允许电

流值除以1.3。

8.正常工作或故障条件下，在耗散功率0.25 W或以上的元件之

下通过时，应把表中的最大允许电流值除以1.5。

9.正常工作或故障条件下，耗散功率0.25 W或以上的元件终端

并沿导线长达1.00 mm范围内，应将印制电路导线宽度乘以3

或将表中的最大允许电流除以2，如果印制电路导线在元件下

面通过，应施加注8规定系数。

（下转第47页）

表面温差不得高于15℃，如出现冒烟现象应立即停止试验，检查原因。

4 试验结果

1）对试验数据进行整理，其中的读数要经过换算。

2）试验铁损数据不得大于铁损标准值P 0的1.3倍，否则判为不合格。

5 结论

大中型异步电动机定子铁心铁损试验，是电动机制造过程中的一个重要的环节，通过铁损试验可以得采集到很重要的数据，通过数据分析来判断设计、工艺和制造的合理性，提前将质量问题解决在萌芽状态。所以说大中型异步电动机定子铁心铁损试验，应该是电动机行业中保证电动机性能优良的一个很关键的问题。本文结合生产实践对定子铁心铁损试验进行总结，供厂家参考。EM

（收稿日期：2009.11.18）

制造公差值应不低于本条表2所列数值的10%或1 mm ，取较小值。3)对于本安电路，应根据其电气设备规定等级（“ia ”级，“ib ”级）进行试验或评定，其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物。

这一原则是指其电路在正常工作或故障状态产生的电火花，不得点燃规定的爆炸性气体混合物。该原则是本安电气设备的最基本的本安特征。电火花是指设备在正常工作状态下和故障状态下，电气元件、连接导线和插接件等的断路或短路而产生的火花。只有保证这些电火花不能点燃规定试验气体的情况下，方可判定其电路为本安电路。

2 本质安全电路的分析与评价

本安型电气设备和电路的本质安全性能，应该经过分析试验进行评价，以确认其可靠性。在进行分析和评价时所遵守的三个基本原则就是我们以上介绍的在进行电路设计时所尊循的三个基本原则。在使用火花点燃试验来进行评价时，电路中相应的电压、电流和其他参数，尤其是在点燃边界的电容值和电感值等数据，是十分重要的，直接影响着火花的点燃性能。

3 结束语

以上对本安电路设计的基本原则进行了探讨，主要介绍了在设计本安电路保护电路的几种隔离措施，希望对设计人员在设计本安电路时提供参考。在实际设计中我们还是要以国家防爆标准为准。EM

（收稿日期：2009.10.30）

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