可燃制冷剂空调用开关元件点燃危险及防爆试验分析*

蒋漳河，陈志明

(1.广州特种机电设备检测研究院，广东 广州 510760； 2.国家防爆设备质量监督检验中心(广东)，广东 广州 510760)

0 引言

随着全球对臭氧消耗和地球温室效应问题的日益重视，R290、R32等环保型新冷媒因优良的环保性能和节能效果被广泛应用于空调行业[1-4]。但是，R290主要成分是丙烷、R32主要成分是二氟甲烷，均属于烷烃类物质，具有易燃易爆危险性，属于IIA级爆炸性气体[5-6]，存在火灾和爆炸风险。Zhang[2]等分析了R290分体式空调的点燃源和制冷剂泄漏点，并通过试验证明可燃制冷剂在泄漏过程中被点燃会导致室内机和室外机燃烧。一方面，可燃制冷剂空调可能存在制冷剂发生泄漏而形成爆炸性空间，一般该空间为爆炸性气体环境2区；另一方面，空调正常工作状态下的电气元件可能成为爆炸危险环境的点燃源。空调开关元件在正常工作状态中会频繁开关、通断电路产生电火花或电弧。若可燃制冷剂空调开关元件达不到防爆要求，则在可燃制冷剂泄漏达到爆炸极限的情况下会发生火灾、爆炸事故。

国内外关于可燃制冷剂空调使用的安全性和技术研究主要分为可燃制冷剂的泄漏影响安全分析、可燃制冷剂添加阻燃介质和控制有效点燃源3个方面。Tang，Li[7-10]等分析了R290制冷剂的泄漏区域和泄漏的浓度分布规律，研究提出了控制制冷剂的泄漏来降低R290火灾、爆炸风险的措施。Jia[11]等分析了R32制冷剂空调的泄漏点位置、泄漏扩散分布和燃烧特性，研究提出采取通风措施能降低R32制冷剂的火灾爆炸风险。田贯三等[12]开展了小型可燃制冷剂空调的泄漏及爆炸危害研究，试验结果表明：充装量小于600 g的可燃制冷剂泄漏后产生的爆炸危险性较小，但是在使用过程中需采取相应的安全措施。田贯三、高云峰等[13]进一步开展了可燃制冷剂加入阻燃介质的爆炸抑制模拟试验研究。文献[14]研究表明，当存在有效点燃源时，可燃制冷剂空调可能会发生火灾事故。国际电工委员会最新IEC 60335-2-40:2018标准对可燃制冷剂的泄漏模拟试验验证和电气元件点燃源的防爆控制技术要求纳入标准规定。当前，关于可燃制冷剂空调泄漏的火灾爆炸安全认证也主要考虑这2个方面。从目前的趋势看，将可燃制冷剂空调的电气元件进行防爆处理而不让其成为有效的点燃源逐渐被空调制造商和检测认证机构采纳。目前，泄漏模拟测试方法还主要应用在小型可燃制冷剂空调，对于大型可燃制冷剂空调使用该方法还需要采取其他安全措施。

综上，将可燃制冷剂空调电气元件设计成非点燃元件，能有效提高可燃制冷剂空调的本质安全。可燃制冷剂空调电气元件的点燃危险主要是其工作状态或故障条件下产生的电气火花和表面高温。IEC 60335-2-40：2018和GB 4706.32-2012规定，可能成为点燃源的可燃制冷剂空调电气元件应符合IEC 60079-15，GB 3836.8中对IIA类气体的防爆要求[15-17]。但是，对电气元件具体符合“n”型防爆中的哪种防爆类型以及如何进行防爆性能测试并未做出详细的规定。因此，系统性开展可燃制冷剂空调开关元件的点燃危险分析和防爆试验研究，对消除可燃制冷剂空调的火灾爆炸风险非常重要和必要。

1 电气元件点燃危险及防点燃要求

空调电子元件在使用过程中会产生放电、拉弧和发热等现象。如果放电、拉弧产生的能量达到可燃制冷剂的最小点燃能量，或者发热的温度达到可燃制冷剂的引燃温度，一旦可燃制冷剂发生泄漏，则电气元件就可能引燃制冷剂，引发火灾爆炸事故[18]。根据文献[3]和实验室检测总结数据，空调常用电气元件的点燃危险如表1所示。

表1 空调常用电气元件点燃危险分析Table 1 Analysis on ignition hazard of common electrical elements in air conditioner

根据文献[3]和文献[6]的测试数据和实验室温升测试数据，空调电气元件(PTC电加热器除外)的最高表面温度为100℃左右，远小于R32(引燃温度648 ℃)和R290(引燃温度470 ℃)的引燃温度[1,15]。因此，空调电气元件防止点燃的关键点在于防止电气火花。针对可能成为点燃源的电气元件，IEC 60335-2-40和GB 4706.32标准要求如下(满足以下条件之一)[16-18]：

1)潜在点燃源元件符合IEC 60079-15或GB 3836.8的相关防爆要求，并通过防爆测试认证。

2)潜在点燃源元件未安装在泄漏试验所验证的会成为潜在可燃性混合气体的集聚区域。

3)潜在点燃源元件安装在壳体内，壳体满足IEC 60079-15或GB 3836.8的相关防爆要求，并通过防爆测试认证。

2 开关元件的防爆要求及试验方法

由表1分析可知，继电器、断路器、接触器是空调电气元件中常用，且开关、通断最频繁的电气元件，也最容易在空调工作过程中产生电火花、电弧。根据GB3836.8-2014标准规定，继电器、断路器、接触器应设计为“n”型防爆部件，且属于产生电弧、火花或热表面的“nC”型部件。

2.1 开关元件防爆要求

按照“nC”型部件的保护型式，继电器、断路器、接触器应符合封闭式断路装置或非点燃元件防爆保护型式的要求。其防爆设计要求除了满足GB3836.8-2014的最低防护等级、电气间隙和爬电距离、电气强度等通用要求外，还需满足如表2所示的补充要求[15]。

表2 封闭式断路装置和非点燃元件防爆要求Table 2 Explosion-proof requirements of enclosed breaking device and non-incendive element

2.2 开关元件爆炸试验

按照IEC 60079-15，GB3836.8标准，制定爆炸试验程序，如图1所示。因封闭式断路器和非点燃元件结构尺寸较小，爆炸试验中如何实现被测元件内部爆炸性混合气体的多次置换、确保配气浓度的精度以及被测元件的多次负载通、断电操作是保证试验准确性的关键和难点。结合实验室多次试验总结，提出如图2所示的爆炸测试方案。因R290，R32等可燃制冷剂属于IIA级别爆炸性气体，根据IEC 60079-15，GB3836.8对封闭式断路器和非点燃元件爆炸试验的要求，爆炸测试在(6.5±0.5)%乙烯/空气的爆炸性混合环境中进行。

图1 封闭式断路器和非点燃元件爆炸试验及结果判定程序Fig.1 Explosion test and results determination procedures of enclosed breaking device and non-incendive element

3 试验案例与分析

3.1 样品描述与试验要求

某可燃制冷剂空调防爆开关，功率因素为1、额定电压为交流250 V、额定电流为8 A，结构尺寸为23 mm×16.8 mm×13.71 mm。根据样品结构尺寸、电气参数和结构外观，可确定其符合“nC”型防爆断路器的基本要求。因此，该样品按照图1中的试验程序进行封闭式断路器爆炸测试。将测试样品与交流250 V的电源、31.25 Ω的电阻负载相连；在(6.5±0.5)%乙烯/空气的爆炸性混合环境中重复进行10次通、断电试验，每次试验均应采用新鲜的爆炸性混合物，验证被测样品是否点燃外部爆炸性环境。

3.2 被测样品预处理和试验准备

3.2.1 非金属部件耐热试验

3.2.2 负载及样品通断电电路连接

按照图2试验方案，电源、电阻负载和电源功率分析仪的电缆通过防爆试验罐罐壁电缆进出法兰，与被测样品相连接。因被测样品处于防爆试验罐内，为了实现试验测试过程10次的负载通、断电操作，提出采用气动推杆的方式控制被测样品的开关动作。制定的气动推杆通过防爆试验罐罐壁气路法兰螺纹安装，实现在罐外气动控制被测样品的开关动作。

图2 封闭式断路装置和非点燃元件爆炸试验方案Fig.2 Explosion test scheme of enclosed breaking device and non-incendive element

3.2.3 爆炸性混合气体配置及连接

(6.5±0.5)%乙烯/空气爆炸性混合物的配置使用防爆试验罐及配气系统，并将被测样品放置于防爆试验罐内，用氧浓度传感器确认配气浓度的准确性。

为了实现10次通、断电试验中新鲜爆炸性混合气体的置换，提出采用微型抽气泵的方式实现被测样品内部与防爆试验罐内气体的置换。防爆试验罐内爆炸性混合气体配置好后，打开设置在被测样品两侧气路的开关；启动微型抽气泵，让爆炸性气体充分进入样品内部后关闭两侧开关。这样被测样品与罐内的爆炸性混合气体一致。置换爆炸性混合气体时，先关闭与防爆试验罐连通的气路开关，启动微型抽气泵抽出样品内试验完的混合气体；然后打开与防爆试验罐连通的气路开关，继续启动微型抽气泵让隔爆试验罐内爆炸性气体充分进入样品内部后再关闭两侧开关。

此外，为了更准确检测样品在通、断电过程中是否发生爆炸，同时采用爆炸压力传感器和热电偶检测试验过程中的爆炸压力和温度数据。

3.3 试验结果与分析

对该型号2个样品进行爆炸试验，试验结果如表3所示。样品内部爆炸和点爆外部爆炸性混合气体后检测到的温度数据如图3所示。

表3 样品爆炸测试结果Table3 Explosion test results of samples

图3 爆炸试验温升测试数据Fig.3 Testing data of temperature rise in explosion tests

由表3和图3可知：

1)2个被测样品在额定功率下通断电产生的火花均能点燃样品内部的爆炸性混合物。

2)2个被测样品均在第1次试验就发生传爆，即被测样品内部爆炸性混合气体被点爆后引起样品外部爆炸性混合气体爆炸。

3)被测样品内部爆炸性混合气体被点爆后，温度最高值分别为61 ℃、70 ℃；样品外部爆炸性混合气体爆炸后防爆试验罐内的温度最高值分别为119 ℃、128 ℃。因防爆试验罐内爆炸性混合气体量较多，被测样品外部的温度高于样品内部，且先检测到样品内部温度迅速升高。

综上，被测样品的结构设计不能有效阻止产品内部爆炸产生的火焰点燃外部爆炸性气体混合物，因此，爆炸试验不合格。但爆炸性试验结束后，被测样品在负载状态下断开触头，未观察到飞弧。

4 结论

1)R290，R32等可燃制冷剂空调电气元件的点燃危险主要来自电气元件工作过程中的电气火花，电气元件(PTC电加热器除外)的最高表面温度不是有效的点燃源。

2)可燃制冷剂空调开关元件最容易产生电火花、电弧，且通过试验验证不符合IIA级“nC”型防爆要求开关元件的火花或电弧能点爆(6.5±0.5)%乙烯/空气混合物。

3)可燃制冷剂开关元件设计成“nC”型的封闭式断路器和非点燃元件通过爆炸测试后，可确定为非有效点燃源。“nC”型开关元件内部允许可燃制冷剂泄漏进入，但不能引起外部爆炸性混合环境的爆炸。

4)针对开关元件结构尺寸小，存在爆炸试验中爆炸性混合气体多次置换和反复负载通断电操作的难点问题，提出一套合理可行的爆炸试验方案，并通过测试应用得到验证。