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(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與機(jī)動(dòng)車輛保有量的迅速增長(zhǎng)，與之配套的加油站如雨后春筍般出現(xiàn)，從建國(guó)初期僅有70 多座增長(zhǎng)到現(xiàn)有的10 萬多座，公路網(wǎng)及加油站的快速增加對(duì)推動(dòng)我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了應(yīng)有的作用。加油站經(jīng)營(yíng)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(xiǎn)特性，因此，提高加油站24 小時(shí)全天候運(yùn)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(hù)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(cái)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(dá)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(jì)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(diǎn)燃周圍爆炸性混合物而采取了各種特定措施設(shè)計(jì)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(jì)，有利于產(chǎn)品的后期維護(hù)，寬電壓輸入有效保證產(chǎn)品在電壓較大波動(dòng)時(shí)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(shí)，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(xiǎn)溫度，部件燒壞，接地不連續(xù)或絕緣失效等故障，同樣會(huì)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(guó)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(hù)的設(shè)備》中，明確了工作電壓對(duì)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(jì)時(shí)，應(yīng)清楚理解標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爬電距離和電氣間隙測(cè)量的10 個(gè)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(guó)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(hù)級(jí)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(hù)級(jí)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(hù)級(jí)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(jì)時(shí)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(shí)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(yàn)表明，采用相對(duì)堅(jiān)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(shí)，外殼應(yīng)能將火焰或爆炸隔斷熄滅，而不會(huì)點(diǎn)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(jì)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(qiáng)烈的腐蝕性氣液體。防爆LED 燈具應(yīng)達(dá)到IP65或以上防護(hù)等級(jí)要求，其接合面寬度、隔爆間隙設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 3836 系列國(guó)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(jìn)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(dá)隔爆外殼外部的最短通路長(zhǎng)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(duì)應(yīng)表面間的距離，對(duì)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(shí)要預(yù)留5 mm 左右間隙(預(yù)留5 mm 指在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9144—2003《普通螺紋 優(yōu)選系列》對(duì)大螺距公制螺紋的要求，公差配合符合國(guó)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(jí)及相應(yīng)規(guī)定，內(nèi)六角緊固螺釘公差等級(jí)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 197 和GB/T 2516 中的6g/6H 級(jí)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(hù)

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(dòng)器的熒光燈、自鎮(zhèn)流高壓鈉燈及LED 燈。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及參照《中國(guó)石化加油站照明設(shè)計(jì)及燈具標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》的相應(yīng)要求進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，加油站工作區(qū)照明的對(duì)稱和非對(duì)稱配光效果見圖2。優(yōu)秀的配光設(shè)計(jì)能保證駕駛者看清相關(guān)信息，避開障礙物，安全進(jìn)入加油站，充分適當(dāng)?shù)恼斩取⑸珳睾惋@色性能營(yíng)造舒適的氛圍，消除長(zhǎng)時(shí)間駕駛的疲勞。

圖2 對(duì)稱和非對(duì)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(duì)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(shí)和前蓋粘接的寬度必須達(dá)到10 mm 以上，且要作為一個(gè)不可拆卸的整體來評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性。玻璃透光罩必要附帶保護(hù)網(wǎng)(不是強(qiáng)制要求)時(shí)，保護(hù)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(jìn)行電相連。間接引入是外部電纜通過引入裝置進(jìn)入防爆接線盒或插接裝置實(shí)現(xiàn)電連接。第1 種方式簡(jiǎn)單易操作，是大多數(shù)設(shè)計(jì)方案的首選。電纜引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:

(1)電纜引入裝置應(yīng)設(shè)計(jì)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(duì)電纜的保護(hù)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(shí)，能快速將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)及擴(kuò)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(shí)，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(jì)要求。

圖3 電纜引入裝置

圖4 密封圈

(4)在測(cè)試抗拉力時(shí)，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(cè)試6 小時(shí)，電纜位移不超過6 mm 時(shí)拉力測(cè)試合格。

1.8 標(biāo)識(shí)

防爆LED 燈具應(yīng)取得防爆等級(jí)的合格證，標(biāo)識(shí)應(yīng)按照國(guó)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(jìn)行清晰標(biāo)記。還應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)將安裝、使用和維護(hù)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(hù)。

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(chǎng)所的安全要求，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)、低光衰及低功耗的LED 作為光源，燈體采用翅片自然對(duì)流散熱模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)大功率防爆LED 燈具時(shí)，強(qiáng)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(hù)功能，包括設(shè)置監(jiān)測(cè)易燃?xì)怏w的傳感器，在環(huán)境中可燃油氣含量超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警，采取恰當(dāng)措施在設(shè)計(jì)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(shí)等傳統(tǒng)控制方式，其效率低，浪費(fèi)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(cè)器檢測(cè)到工作區(qū)照度低于設(shè)定閾值(150 lx)或紅外探測(cè)器探測(cè)到人進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，智能控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟相應(yīng)燈具進(jìn)行照明補(bǔ)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(shí)，智能控制系統(tǒng)則關(guān)閉相應(yīng)燈具以達(dá)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(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，可提升管理效率，降低加油站事故發(fā)生機(jī)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?，在第一爆炸沖擊波還沒有完全消退時(shí)，火焰便可通過兩腔體間的間隙點(diǎn)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(jì)時(shí)，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(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)不可避免出現(xiàn)壓力重疊，則應(yīng)增加外殼強(qiáng)度來保證安全。

2.4 殼體承壓強(qiáng)度

防爆LED 燈具的外殼應(yīng)具有足夠的承壓強(qiáng)度，典型的壓鑄用合金代號(hào)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(shí)間等關(guān)鍵工藝。應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15114—2009《鋁合金壓鑄件》的相應(yīng)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，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(cè)、耐壓試驗(yàn)、金相圖片檢測(cè)及解剖等檢驗(yàn)項(xiàng)目，確保外殼能滿足防爆場(chǎng)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(jì)到生產(chǎn)過程除了例行檢驗(yàn)項(xiàng)目之外，還應(yīng)進(jìn)行下列試驗(yàn)，以充分暴露產(chǎn)品的各類缺陷，并反復(fù)研究及試驗(yàn)改良方案，以保證產(chǎn)品的可靠性。

(1)電氣強(qiáng)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(yàn)。

(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(chǔ)、振動(dòng)和跌落等耐候性試驗(yàn)。

(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(dòng)等異常條件試驗(yàn)。

(4)高溫、低溫和高濕條件周期循環(huán)可靠性試驗(yàn)。

根據(jù)防爆LED 燈具設(shè)計(jì)生命周期，按照?qǐng)D5 流程對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部件及制造過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。

圖5 過程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

4 小 結(jié)

設(shè)施缺陷，維護(hù)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(jìn)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(yùn)行過程中存在的事故風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)防爆LED 燈具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制，提升產(chǎn)品的安全和可靠性。

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