工业安全

LED照明技术与光辐射防爆标准浅析

2025China.cn   2017年07月05日

  (一)LED的光效极限

  随着LED照明技术的快速发展,LED亮度不断提高,光效也越来越大,西欧一些领域应用到的LED光效已经达到了180-200LM,当前国内LED灯具的平均光效也已经普遍做到100-120 LM。而理论上,LED的最高光效可达683 LM①, 可以预见,随着LED技术的进一步发展,LED的光效将会持续增加,原先未曾考虑的LED辐射能量对可燃性环境的危险也变得突出起来。于是,人们认识到,如果对光辐射设备及相应的传输系统中的辐射光能不加限制地滥用,其必然会反噬人类自身的安全。

  ①lm是光(准确的说是指可见光)的功率单位,准确的说,是指人眼感觉到的可见光的能量,也叫光通量。可见光的波段为380nm – 780nm,研究表明,人眼对波长为555nm的光(差不多位于可见光的中段,光色黄中偏绿)最敏感,此时1W的电能如果全部转换为555nm的光,其光通量为683 lm, 然后随着波长的偏离,人眼敏感度越来越低。如1W电能完成转换为500nm的光为221 lm, 450nm为261lm, 而当1W电能全部转为400nm的光时,光通量还不到0.31lm, 已经几乎看不见了。

  (二)光辐射的点燃机理和其标准的保护原理

  研究表明,激光、LED、光纤等光辐射对爆炸性环境的点燃机理有以下四种:

  1,辐射被设备表面或浮尘吸收后,可能会因温度升高进达到点燃温度;

  2,可燃性气体通过吸收同波段的光波,可能会引起热点然;

  3,短波辐射(如紫外线)能光解空气中的氧,可能引起光-化学点燃; 4,激光灯强光聚焦可导致气体分解,可能产生引起点燃的能量;

  此外,当环境存在吸收物质,如强光聚焦在某固体物质时,会显著加大点燃的可能; 因此2006年,国际电工委员会根据光辐射对可燃性环境的点燃机理,以及对光辐射点燃的保护原理,发布了IEC 60079-28的标准,并在2015年发布了该标准的第二版。标准规定了对光学设备的结构要求,相应的保护原理,并定义了光辐射保护等级,以及在认证和测试这这些光学设备和光学传输系统②的评估与测试方法,以保护和限制用于光辐射的设备和传输系统的辐射能量。由此,电气设备在爆炸性环境中的保护型式由原先的9种增加到了10种③。

  ② 光学传输设备通常指指含光纤设备,光纤设备的保护原理分为 结构保护(标志为op pr), 和开盖连锁防护(标志为op sh)。

  ③这10种防爆型式依次为:d / e / n / m / o / p / i / q / t 和 op is \ pr\sh.

  对于光纤以外的LED灯具或激光等光辐射设备,其保护原理不依赖于其他保护措施,而是是从源头上限制光辐射的能量,具有最高的安全等级,因此也归于固有安全型,也即光辐射的本质安全型。为了将其与电路的本安型(Ex i)区分开来, 故将本标准的防爆标志定为“op is”。

  (三)LED灯具的光辐射标准的评判措施和测量方法

  由于紫外线光解及气体原子直接吸收光能的情况极其罕见④,因此,在IEC60079-28的标准中只考虑设备表面、空气浮尘和强光聚焦在固体材料上的

  影响,并根据可燃环境最小点燃能量和结合其他的防爆型式,确立了以下7种对LED设备光辐射的适用范围:

  ④ 光纤设备而言,其保护措施通常都是采用钢缆护套包覆,或埋入地下沟渠等方式,由于本文重点在于对LED照明的光辐射标准,因此该措施不列入范围内。

  1)低强度的非阵列而集中的辐射,如指示性质的或背光性质的光源等;

  2)连续且发散的,或保护级别为Gc/Dc级的LED光源;

  3)辐射被限制在封闭(遮光)壳内,且外壳符合相关防暴型式(如隔爆型、正压型、限制呼吸型、粉尘防护、及IP6X的外壳等)

  4)LED为固有安全元件(辐照度低于5mW/mm2),可用于所有设备; 选用10只LED颗粒,依此施加电流发光,使主要光束贴近并通过一直径为3-4mm的圆孔,用光功率计测量光功率,然后逐渐提高电流,使其光功率逐渐升高,直到升至最高点并开始下降,记录10只LED中测得的最高光功率值。当光功率最高值/通孔面积,求出辐照度,若不超过5mW/mm2,则通过评定。

  5)辐射功率/辐照度限值,

  测量仪器:光功率计、光谱分析仪,或单色光传感器等。

  测量方法:给光源施加电流,使光束的最强部分通过一面积小于100mm2的孔,测量穿过该孔的光功率,然后求得辐照度值。

  5.1辐射功率低于15mW,或辐照度低于5mW/mm2,可用于所有设备;对驱动要求为四种方式之一:

  a、设备实际电路驱动:根据设备EPL级别,参考本安电路对设备驱动电路进行故障分析,然后输入理论最大电功率,在设备工作温度下测量最大光功率;

  b、可调电源驱动:根据设备EPL级别,参考本安电路对电路故障进行分析,然后用可调电源输入理论最大电功率,在设备工作温度下测量最大光功率;

  c、可调电源驱动:选10个样品,然后用可调电源输入无限制电流,测得最大的光功率

  d、可调电源驱动:以b计算出的最大电功率作为该光源的最大光功率;

  5.2辐射功率低于35mW,可用于IIC/T4或IIB、IIIA设备;

  一般而言,由于照明灯具的功率远超过35mW,因此辐射功率限值的意义仅在仪表指示灯之类的设备,但又由于其非阵列的指示用途,可免于参照本标准,因而这个限值实在是个鸡肋,无所谓有,也无所谓无。

  6)辐射面积限值,

  6.1 当受辐射表面积超过 400 MM^2时, 可通过测量辐射表面最高温度,用温度组别的方式替代辐射功率或辐照度的限制

  众所周知,大多数灯具的灯罩表面积都超过了400mm2, 因此似乎该评估方式测量温度组别极为便利。但实际上由于光辐射标准类同于本安标准,或者需按本安电路评估方法评估驱动电路的故障条件,从而使测量问题复杂化;或者输入理论上最大的电流,此时20W的灯具在输入理论最大值时,实际功率往往超过100W,从而使测试结果变得不可接受,并且,即便按此方式测试通过,也不可用于粉尘。

  6.2 当受辐射表面积小于 130mm2时,辐射功率的限值最大为400mW;

  7)通过在特定气体的点燃试验。

  以上评估依据中,对1)、2)和3)条可依据结构评估等方式判定是否符合标准要求,而对4)、5)、6)条又可合并为对光功率/辐照度的测量,而对7)条类似与隔爆点燃原理,此处不再赘叙。

(转载)

标签:创正防爆 LED技术 我要反馈 
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