防爆LED灯具固有安全型光辐射试验方法探讨

石 磊

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

防爆LED灯具固有安全型光辐射试验方法探讨

石 磊

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

目前，防爆LED灯具已越来越多地应用于爆炸性危险场所，但国内尚未出台针对光辐射引燃作用的标准规范。从揭示光辐射引燃作用的角度，论述了对防爆LED灯具光辐射的引燃机理、保护方式分类、光辐射安全限值以及合格判定；从光波角度，分析了防爆LED灯具连续波辐射与脉冲辐射两种发光方式光源评估方法的不同；通过色彩的叠加方式，分析了不同种类LED发光原理和光辐射特点；从满足固有安全型光辐射角度，探讨了优化LED驱动电路设计、应用固有安全特性LED和使用熔丝保护这3种方法，并对防爆LED灯具的光辐射设计要点进行了论述。总结了对光辐射试验结果造成影响的不同LED发光原理、灯具样品的选择、测试温度和测量距离的要求，探讨了不同温度下测试LED发光效率的新要求，阐述了验证不同LED发光原理的新方式，提出了实现本质安全光辐射设计的新方法，即熔丝保护法。

LED； 防爆； 灯具； 光辐射； 光功率； 辐照度； 固有安全； op is； 熔丝保护法； 本质安全

0 引言

LED照明灯具有很多优点，如发光效率高、省电、免维护、发热低、价格便宜等，充分占领了目前的防爆照明灯具市场。

但由于LED发光二极管的辐照度大、发光能量比较集中，在一定程度上成为了光能量的点燃源，某些条件下可能引燃周围的爆炸性气体环境。随着国际标准的不断更新，越来越多的试验数据可以支撑光辐射的点燃效应，因此在危险场所使用的防爆LED照明灯具，应参照IEC 60079-28:2015标准的要求对其光辐射进行考核。

因此，对于易燃、易爆、可燃性气体危险场所使用的防爆灯具，除了考虑其本身防爆型式(如“Ex d”隔爆型)的相关要求，还需要同时对其可见光辐射的点燃效应进行评估。

1 IEC 60079-28:2015光辐射标准要求

1.1 引燃机制

IEC 60079-28:2015标准包含对波长为380 nm～10 μm的光辐射要求[1]。

①光辐射被物体表面或颗粒吸收导致温度升高，在特定条件下引燃周围的爆炸性气体环境。

②在少数情况下，高能量激光直射可燃性气体，导致其分解所产生的等离子体和冲击波，最终都会成为点燃源。接近分解点的固体材料能够对这些过程起到加强作用[2]。

③IEC 60079-28:2015标准不包括紫外线辐射和爆炸物混合物本身的光辐射吸收，具有爆炸性的辐照体、自身含有氧化剂和催化剂的辐照体也不在本标准的范围之内。

红外线及可见光的潜在点燃危险主要取决于以下要素:光波长(吸收特性)、脉冲宽度及重复率、辐照体材料(惰性/活性)、可燃性物质、压力、辐照度、受辐照面积和受辐照时间等。这些要素的组合影响爆炸性危险环境光辐射点燃的可能性。

综合来说，光辐射点燃条件可用基本能量参数、面积和时间来判定，点燃判据如表1所示。

表1 光辐射点燃判据

时间趋于无穷大是指连续波辐射。当光束照射辐照体时，辐照体热表面温度的升高引起了光辐射点燃。表面积越小，点燃辐照度越高。这意味着越小的表面积越要加热到较高的温度才会引起点燃[3]。对所有的气体/蒸气混合物(不包括二硫化碳)，光功率低于50 mW时观察不到点燃现象。这就证实了35 mW的最大允许功率值有安全裕量，安全裕量也必需考虑惰性吸收器的非理想灰体吸收。活性辐照体(煤、碳黑和增色剂)的试验表明，即使它们具有较高的吸收能力，作为点燃源也不太有效。当光功率低于200 mW时，n-链烷(n-Alkane)不会被点燃(150 mW包括安全裕量)。对于较大的辐照面积，采用允许值5 mW/ mm2，比使用限制功率判据更切合实际。

在小面积、短时间的状态下，激光脉冲能产生类似于在空气中击穿形成电火花的点燃源。能量接近最小电气点燃能量(minimum ignition energy，MIE)[4-5]的火花，在最佳条件下(μs和ns脉冲)能够点燃爆炸性混合物。

1.2 保护方式分类

光辐射目前认可的保护方式有以下几类。

①固有安全型光辐射“op is”，通过限制光源辐射强度来防止点燃。

②保护型光辐射“op pr”，将光辐射限定在光纤或其他传输介质内，从而使光辐射无法泄漏到爆炸性危险场所中。

③连锁装置型光学系统“op sh”。考虑到光辐射发生泄漏的可能性，其通过采取特殊的保护措施，使系统切断光源的时间小于爆炸延迟时间，在爆炸发生之前切断光源。

保护方式分类及适用范围如表2所示。

表2 保护方式分类及适用范围

1.3 光辐射安全限值

表3规定了Ⅰ类和Ⅱ类设备的光功率、辐照度与产品性能等级、温度组别和受辐射面积之间的关系。只要辐射值小于表中规定的数值，即视为满足要求。

表3 光辐射与环境等级、温度组别的关系

作为表3的补充，表4为光功率与受辐射表面积的关系，规定了设备等级为ⅡA、ⅡB、ⅡC，使用在Ⅰ类、Ⅱ类区域T1～T4温度组别下允许的持续光辐射安全限值。只要光功率和受辐射表面积不超过表中规定的数值，即视为满足要求。

表4 光功率安全限值与受辐射表面积的关系

需要注意的是，当辐射面积超过130 mm2，最高光功率适用5 mW/mm2的要求。

Ⅲ类设备在不同设备保护级别(equipment protection level,EPL)下，光功率和辐照度的安全限值如表5所示。

表5 Ⅲ类设备光功率和辐照度的安全限值

2 光辐射的评估

本质安全型光辐射系统对光辐射的频率比较敏感，连续波辐射和脉冲辐射的点燃能力是不一样的，各自的合格判定标准也有区别。目前评估固有安全型光辐射的方法大致有以下几种。

2.1 连续波辐射

根据IEC 60079-28：2015标准，与设备类别和温度组别相对应，如果光辐射的功率值或辐照度值不超过表3中的值，即可判定为本质安全型光辐射；如果受辐照面积大于400 mm2，温度组别可以通过在受辐照表面测量的最高温度来建立，同时应该考虑辐射光强的不均匀性。如果受辐照面积小于130 mm2，最高允许的光功率值参见表4。粉尘环境允许的光辐射限值参见表5。

2.2 脉冲辐射

IEC 60079-28：2015标准针对不同持续时间和频率的脉冲波辐射，给定了不同设计准则。对于持续时间小于1 ms的光脉冲，脉冲能量不应超过相应爆炸性气体环境的MIE；对于持续时间在1 ms～1 s之间的光脉冲，脉冲能量不应超过相应爆炸性气体环境的MIE的10 倍；对于持续时间大于1 s 的光脉冲，可看作连续波辐射，峰值功率不应超过连续波辐射的安全限值。对于脉冲链，根据每个子脉冲进行判定：当频率在100 Hz以上时，平均功率不应超过连续波辐射的安全限值；当频率低于100 Hz时，最高功率需通过试验来测试[6]。

2.3 单色光LED与白光LED

单色光LED是指仅发出单种颜色的LED，而白光LED根据发光原理不同有以下几种：三色光LED、蓝光+黄荧光粉LED、蓝光+绿、红荧光粉LED和紫外光+三原色荧光粉LED[7]。

白光LED生产技术主要分为2类：第一类为多芯片型白光LED，经由组合2种(或以上)不同色光的LED组合以形成白光；第二类则为利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长或三波长白光，此项技术称之为荧光粉转换白光LED。目前市场上白光LED产品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉更为普遍，主要应用于汽车照明与手机面板等领域。

根据白光LED的发光原理不同，测量其光辐射时所使用的方法也存在差异。在IEC 60079-28：2006标准中并未对测量光辐射的设备进行规定，而IEC 60079-28：2015标准明确规定了测量单色光可以采用发光二极管，测量多种颜色的光需要用热电堆。单色光由1种LED光源发光得到，而多色光如白光是由几种不同波段的光叠加而成。在计算光功率时往往只能用算式等效，而不能得到精确的数值。这时只能通过热电堆，用发光的功率来计算。

3 电路设计方法

3.1 IC电路可靠性分析法

对于保护级别为Ga和Gb的防爆LED灯具，需要考虑LED驱动电源在其正常工作以及故障状态下，LED的光辐射强度均不会超过标准的限值。而LED的光辐射强度与流过LED两端的电流成正比，只要限制流过LED的电流值，即可限制其光辐射强度。厂家可在LED驱动电路的后端设置过流保护电路，以确保驱动电路在任何状态下流经LED阵列的电流不会超过限值[8]。过流保护一般应用电流控制环的原理来实现，过流保护电路的可靠性至关重要。

过流保护所采用的器件一般是IC集成电路，因为集成电路的精度高、使用方便，可以很好地实现过流保护的功能；而用电感、电容、电阻等简单元件搭建的反馈电路很难达到控制精度的要求，同时其生产成本和故障率也较高。但在对IC集成电路进行防爆评估时并不认为其是可靠元件，因此有可能产生故障，从而在使用中可能无法满足限压限流保护的要求。需要对驱动电路进行重新优化或针对采用的IC集成电路作可靠性分析，而针对集成电路进行可靠性分析的成本很高[9]。

3.2 应用具有固有安全特性的LED法

对于保护级别为Ga 和Gb 的防爆LED灯具，其光辐射点燃能力的判定需要LED驱动电源在最苛刻故障状态下，测试LED灯具的最大光功率值或辐照度值并将其作为判定依据。可以通过优化驱动电源设计，使其在任何状况下输出的电流和电压值可控；还可以采用固有安全特性的LED，限制LED灯具的最大光辐射强度。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超标引发的故障保护功能，防止潜在爆炸性环境中有超强的光辐射强度。其基本原理是流经LED的电流过大会引起LED光通量衰减，导致其光辐射强度下降；同时，由于LED存在的热效应，LED的发光功率上升至一定程度会导致LED发生故障而自动熄灭。

判定LED光源是否具备固有安全特性的方法是: 通过选取10 只LED光源，施加一定电流使其发光，测量并记录其光功率或辐照度值，逐渐提高电流值使其光强度升高，直至光功率或辐照度值不再升高并开始下降，记录最高光功率或辐照度值。对10 只同样的LED光源重复上述过程，将其中的最大光功率或辐照度值作为这种LED光源的最大光功率或辐照度值，如果LED光源的最大光功率或辐照度值按照表3评定符合要求，则该LED可被视为固有安全光源。固有安全光源可以使用在任意防爆形式的LED灯具中，而无须考虑故障或者外壳保护等因素。

同时，出于亮度考虑，一般将多颗固有安全型LED排布成阵列，形成LED灯具的光源。LED阵列有串联连接、并联连接和串并联组合连接3种方式，3种方式各有优缺点。无论采取何种连接方式，都应采用同一批次的LED作为负载，保证LED特性的一致性，降低由于LED电气特性差异引发的故障。

3.3 熔丝保护法

前面介绍了多种集中设计方法，每种方法都有不足之处，而熔丝保护的方法较好地解决了光辐射的问题。它在原理上与固有安全型LED相同，都是通过限制流过LED的电流来限制其光辐射的强度。当流过LED的电流超出熔丝设定值，熔丝迅速熔断，从而保证了辐照度不超过标准规定的限制。同时，采用了熔丝保护的电路，可以适用于多种不同发光原理的LED。

由于行业中多采用控制占空比来调节脉冲辐射，故该保护方式多适用于连续性光辐射。实际使用时，应考虑对熔丝采取本质安全型中可靠元件的保护要求[10]。

4 试验方法

4.1 单色光

采用光辐射计对在波长范围内单色光的光辐射进行测量，从得到的数值中找出辐照度最大的点，并满足光辐照安全限值。

4.2 多色光与白光

采用热电堆进行测量，对测得的光功率进行比对，满足IEC 60079-28：2015的要求。

4.3 样品的选择

①采用固有安全特性的LED，加大通过LED的电流使其烧毁，在此过程中测得的辐照度符合IEC 60079-28：2015的要求。

②灯具采用反馈回路控制通过LED的驱动电流，对LED通以最大故障电流，测得辐照度能够满足IEC 60079-28：2015的要求。

③灯具通过熔丝保护，当电流超过熔丝设定值则自动熔断，从而限制流过LED的驱动电流；通以一定数值的驱动电流，测得辐照度满足IEC 60079-28：2015的要求。

④对于有不同供电电源的防爆LED灯具，通过变换不同的电源供电，以测得最大的辐照度。

4.4 不同温度的测试

LED发光原理是由正向压降下的电子与空穴复合产生光辐射，而随着温度的升高，LED的正向压降逐渐下降，因此发光效率会受到影响。也就是说，温度越高，光辐射越低。为了验证这一情况，需要对不同温度下的LED的光辐射进行测量。在进行以上试验时，须用不同的样品分别在常温、低温和高温状态下测量相同电流的LED光辐射水平。

通过测试，低温状态下的光辐射水平明显高于常温状态，也高于高温状态下的光辐射水平。选择不同输入电压、频率和电流值的样品进行测量。如果是破坏性试验，需选用10只样品；如果是非破坏性试验，则选用3只样品即可。

4.5 测量距离的选择

对于不同防爆型式的LED灯具，有效光源辐射面的计算位置不同。在光功率、结构相同的条件下，有效光源辐射面离LED的距离越近，其辐照度值越大，同时温升也越高。对于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉尘外壳防护型“tD”的光源腔，其有效的光源辐射面是在LED灯具的透明件表面。对于本质安全型“i”和无火花型“nA”的光源腔，其有效的光源辐射面在LED的表面。而对于将LED浇封的灯具，其有效的光源辐射面在浇封复合物的表面。因此，在光功率、结构设计等要素相同的条件下，光源距辐射面越远，其光辐射点燃能力越低。

5 结束语

针对新版光辐射标准IEC 60079-28：2015中的光能量引燃情况进行分析，讨论了光辐射的引燃机理、保护方式分类、光辐射安全限值以及合格判定等内容，以及电路设计和评估的有关要点，提出了不同设计下的试验方法，对给光辐射试验结果造成影响的不同LED发光原理、灯具样品的选择、测试温度和测量距离的要求进行了总结。本文不仅对新标准提出的不同温度下测试LED发光效率的要求、试验验证LED不同发光原理的方式进行了阐述，还提出了实现本质安全光辐射设计的新方法，即熔丝保护法。

[1] 徐建平.我国防爆技术标准化新发展[J].电世界，2013,54(1):1-7.

[2] 辛磊夫.光辐射设备和传输系统的防爆安全研究[D].上海:上海交通大学,2011.

[3] 辛磊夫.光纤传感器在爆炸性危险场所的应用[J].自动化仪表,2011,32(4):83-86.

[4] IEC.Explosive atmospheres - Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical Radiation:IEC 60079-28：2006[S].Geneva: IEC,2006.

[5] IEC.Explosive atmospheres - Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical Radiation:IEC 60079-28：2015[S].Geneva: IEC,2015.

[6] 徐海江,徐建平.基于固有安全的多功能辐射测量仪[J].仪表技术与传感器,2012(1):16-18.

[7] 刘全恩.LED的原理、术语、性能及应用[J].电视技术,2012,36(24):46-53.

[8] 曾宏晔,张涛.光辐射本安设计在光纤传感器中的应用[J].自动化仪表，2012,33(10):49-52.

[9] 徐建平.仪表防爆技术基础[J].自动化仪表,2008,29(5):73-77.

[10]辛磊夫.防爆LED灯具光引燃评价方法[J].自动化仪表,2016,37(7):16-20.

Discussion on the Test Method of Inherent Safety Optical Radiation for Explosion-Proof LED Lamp

SHI Lei

(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

At present,more and more explosion proof LED lampshave been used in explosive dangerous places,while related standard specifications about optical radiation ignition has not been issued in our country. From the perspective of revealing the role of light radiation ignition,the ignition mechanism,the classification of protection methods,the safety limits and the qualified judgment of the optical radiation are expounded.From the perspective of light waves,the different light source evaluation methods for two of the luminous ways of the continuous radiation and pulsed radiation of explosion-proof LED lamps are analyzed.By the superposition of color,the luminous principles and characteristics of optical radiation of various types of LED are analyzed.From meeting the requirement of safety optical radiation,the design of optimized LED driving circuit is investigated,by adopting inherent safety LED and fuse protection,the key points of optical radiation design for explosion-proof LED are described.Finally,the factors that may affect the test results of optical radiation are summarized,including luminous principle,selection of sample lamps, requirement of testing temperature and testing distance,etc.The new testing requirements under different temperature are expounded,the new method for verifying different principle LED is described and the method for implementing intrinsic safety optical radiation design is proposed,i.e.fuse protection method.

LED; Explosion-proof; Lamp; Optical radiation; Optical power; Optical irradiance; Inherent safety; op is; Fuse protection method; Intrinsic safety

石磊(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事防爆电气设备的检测、试验、认证、安装评估，防爆质量体系审核及防爆安全知识培训等工作。E-mail:shilei@nepsi.org.cn。

TH-39;TP206

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708020

修改稿收到日期:2017-06-07