一种防爆型电连接器的设计

1 引言

最初有防爆要求的需求来自于煤矿，随着国家工业化进程，防爆要求被扩大至存在爆炸性气体、爆炸性粉尘环境的石油、化工、电力、冶金、轻工、医药、建材、煤炭等行业。在生产中为了方便电能的输送和输入电气设备，常常采用各种电连接器，而在正常工作或事故中常常会产生电弧、火花和危险的高温，这就要选择各种高低压的防爆电连接器。按GB3836系列标准规定，防爆电连接器可区分为本安型、隔爆型、增安型、无火花型等类别。本文将着重就隔爆型防爆电连接器的设计及其应用进行阐述。

2 不同防爆电连接器的适用范围

根据爆炸性气体环境出现的频次和持续时间把危险场所分为0区～2区[1]。防爆电连接器中除了本安型中的ia型允许工作于0区外，其它各类防爆电连接器都不能在0区使用。隔爆型、增安型防爆电连接器除了不能在0区使用外，其余区域均可使用。还有一种在正常运行时不产生火花和危险高温，也不产生引爆故障的无火花型电连接器，和增安型防爆电连接器类似，只是没有通过增加一些附加措施来提高防爆电连接器的安全可靠性。因此，无火花型防爆电连接器的安全性比增安型防爆电连接器在防爆性能方面要低，一般只能用于2区危险环境[2]。

根据爆炸性物质的状态将危险级别划分为3类：煤矿瓦斯气体环境定义为Ⅰ类，除煤矿外的其他爆炸性气体环境定义为Ⅱ类，除煤矿爆炸性粉尘的危险区域定义为Ⅲ类。Ⅱ类气体再根据爆炸性气体混合物的最大试验安全间隙或最小点燃电流比(也称爆炸性气体混合物的传爆能力)将爆炸性气体分为ⅡA、ⅡB和ⅡC类，其中，ⅡC传爆能力最强。爆炸性气体混合物的引燃温度极限值将防爆电连接器的适用范围分为T1～T6组，其中，T1为450℃、T2为300℃、T3为200℃、T4为135℃、T5为100℃、T6为85℃。由此可见，温度组别为T1的气体引燃温度最高，而温度组别为T6的气体则最易被点燃。显然，标注为ⅡCT6的防爆电连接器的防爆等级要求最高。

3 隔爆型防爆电连接器的原理及结构设计

隔爆型防爆电连接器的基本原理是包容型。当插头插座配合后，利用隔爆电连接器外壳，承受其内部爆炸性气体混合物爆炸时产生的爆炸压力，并阻止内部火焰向周围爆炸性混合物传播。对此，一般采用如下方式：第一隔爆型防爆连接器所有隔离间隙小于相应可燃性气体的标准最大安全间隙，防爆电连接器有效接合面长度大于标准规定的长度。第二防爆电连接器的外壳强度能够满足在高温、高压下接合面不出现变形。

1—电缆引入装置；2—直管；3—连接环；
4—胶芯；5—接触件；6—插头外壳体
图1 隔爆性防爆电连接器插头

1—插座外壳；2—胶芯；3—接触件；4—直管
图2 隔爆性防爆电连接器插座

防爆电连接器插头主要由电缆引入装置、直管、连接环、胶芯、接触件、插头外壳体等组成，插座主要由插座外壳、胶芯、接触件、直管等组成(当插座为空中对接型，插座同样需要配有电缆引入装置)，如图1～图2所示。

3.1 圆筒式防爆接合面长度和表面粗糙度的要求

防爆连接器的插头与插座一般通过插头连接环上的螺纹与插座外壳上的螺纹进行锁紧配合，插头外壳插入插座外壳内腔形成圆筒式接合面，所以该圆筒式防爆接合面应该根据GB3836.2-2010标准要求进行设计。通常情况下，圆筒式隔爆接合面最大间隙和最小有效长度因隔爆外壳的容积不同而不同，如当隔离型防爆电连接器外壳形成的内腔的体积小于2000cm3 时，根据GB3836.2-2010中表1～表2的要求，当防爆性气体为ⅡC类且圆筒式隔爆接合面有效长度L大于等于12.5mm而小于25mm时，圆筒式隔爆接合面最大间隙应小于等于0.15mm。另外，根据GB3836.2-2010中要求隔爆接合面的粗糙度应低于6.3μm。如图3所示，最小间隙有效长度为13mm，配合处表面粗糙度为3.2μm以下。

图3 插头与插座外壳配合后形成的圆筒式接合面结构

3.2 螺纹式防爆接合面长度和有效扣数的要求

防爆电连接器插头外壳、插座外壳与直管以及插座外壳与设备配合处一般采用螺纹进行连接。根据GB3836.2-2010中表3的要求，螺距大于等于0.7mm，螺纹精度应符合GB/T 197-2003和GB/T 2516-2003规定的中级或精密公差级，螺纹有效啮合扣数应大于等于5，当容积小于等于啮合100 cm3时，啮合长度大于等于5mm；当容积大于100 cm3时，啮合长度大于8mm。从防爆可靠性角度考虑，该部分螺纹的有效扣数不得少于8扣，同时有效长度不得少于10mm，这两个条件必须同时满足，如图4和图5所示。螺纹有效扣数为8扣，有效长度为13mm。

图4 插头、插座外壳与直管形成的螺纹防爆接合面结构

图5 插座外壳与电气设备形成的螺纹防爆接合面结构

3.3 电缆引入装置

电缆引入装置可以分为密封圈式和填料式两类。

3.3.1 密封圈式电缆引入装置

密封圈式电缆引入装置由金属接头主体、橡胶密封圈、金属垫圈、金属压紧组件、引出电缆组成。密封圈式电缆引入装置与防爆外壳是通过金属接头主体的外螺纹进行连接，所以该处应符合隔爆螺纹的设计。密封圈式电缆引入装置是采用金属压紧组件压紧密封圈，使橡胶密封圈变形夹紧电缆，使电缆不能随意被拉动和连接器内部爆炸性火焰不能从电缆引入口处传播出来。根据标准GB3836.2-2010附录C要求，当出/入设备的电缆外径不大于Φ20mm的圆形电缆和周长不大于60mm非圆形电缆时，密封圈的轴向长度不得小于20mm；当出/入设备的电缆外径大于Φ20mm的圆形电缆或电缆截面周长大于60mm非圆形电缆时，密封圈的轴向长度不得小于25mm。在满足这两个条件的同时，根据GB3836.2-2010第12.4条的要求，密封圈在被压紧后的压缩轴向长度不得小于GB3836.2-2010表1～表4提出的隔爆面的长度[4]。如图6为常见密封式电缆引入装置。

1—隔爆外壳；2—金属接头主体；3—橡胶密封圈；
4—金属垫圈；5—金属压紧组件；6—引出电缆
图6 密封圈式电缆引入装置(带防止电缆拔脱装置)

3.3.2 填料式电缆引入装置

填料式引入装置由金属材质的金属接头主体、填充物料、电缆芯线(或引出电缆)组成。填料式引入装置是把电缆穿入金属接头主体，再把填料填入金属接头主体，根据GB3836.2-2010附录C的规定，填料引入时，填料最短长度不得小于20mm。因此，金属接头主体的长度应据此，不得小于20mm，当电缆直径大于20mm时，建议填料长度等于或大于电缆直径。此时，金属接头主体的长度应根据填料长度进行合理设计。另外，根据GB3836.2-2010附录C规定，沿着填料长度上，填料横截面内，各点上至少有20%的横截面有填料填充，以确保填料粘接有效性，所以填料的选择也变得非常重要，为了增加填料轴向保持力，金属接头主体内壁都会设计一些槽。如图7为常见填料式电缆引入装置。

1—隔爆外壳；2—金属接头主体；3—填充物料；
4—电缆芯线(或引出电缆)
图7 填料式电缆引入装置(不带防止电缆拔脱装置)

4 结束语

目前，市场面上防爆电连接器的品牌与种类很多，但具有防爆性能过硬、安全可靠性高的防爆电连接器还是较少。所以国内防爆性能要求高的防爆设备上的防爆电连接器基本上依靠国外进口，技术指标较高的防爆电连接器具有较大的市场需求。随着防爆电连接器相关知识的普及以及防爆方面人才的培养，我国防爆电连接器的品质将取得长足的进步,同样相对也会降低防爆电气设备的成本。