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IEC PAS 63166：爆炸性气体环境用电气设备——便携式电子设备要求
用于Zone 1和Zone 2爆炸性气体环境的便携式电子设备安全与设计要求
范围与法规背景
智能手机、平板电脑、手持终端、可穿戴计算机以及IoT便携式设备的广泛普及，给在爆炸性气体环境中运营的行业带来了前所未有的挑战——这些行业包括石油天然气精炼厂、化工厂、制药设施、粮食处理和采矿作业。这些环境被分类为Zone 1（正常运行中可能出现的爆炸性气体）或Zone 2（不太可能出现爆炸性气体，但短时间存在可能），要求使用不会点燃周围气氛的电气设备。IEC PAS 63166通过定义在爆炸性气体环境中使用的便携式电子设备的具体要求来填补这一空白。
IEC PAS 63166补充了现有的IEC 60079系列标准（爆炸性环境），重点关注便携式电池供电电子设备的独特挑战——包括无线连接、触摸屏接口、热插拔电池和多功能传感器——这些是传统Ex设备标准未完全覆盖的领域。
该PAS认识到便携式电子设备在几个关键方面与固定式或安装式Ex设备存在根本性不同：它们经常被手持并可能掉落，它们依靠存储大量能量的可充电电池运行，它们集成了多个无线发射器（蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、NFC），并且它们经常在不同方向和变化的环境条件下使用。这些特征中的每一个都引入了必须严格评估和控制的潜在点火源。
| 点火源 | 相关设备特性 | IEC PAS 63166要求 | 评估方法 |
|---|---|---|---|
| 热表面 | 处理器、电池、LED闪光灯 | 最高表面温度 < 气体自燃温度的80% | 热成像+热电偶测量（最大负载下） |
| 电火花 | 连接器、开关、电池触点 | 按IEC 60079-11的爬电距离，Zone 1峰值电压< 12 V | 介电强度测试+间隙测量 |
| 静电放电 | 触摸屏、塑料外壳、显示器 | 表面电阻 < 1 GΩ或ESD防护涂层 | 表面电阻率测量（IEC 60079-0） |
| 射频电磁干扰 | Wi-Fi、蓝牙、蜂窝（2G/3G/4G/5G） | Zone 1最大发射功率 ≤ 100 mW ERP | 频谱分析仪测量+火花测试装置 |
| 机械冲击/摩擦 | 跌落保护、外壳材料 | 2.0 m跌落至钢板（无火花、无点燃） | 跌落测试+轻合金成分分析（Mg+Ti < 7.5%） |
| 电池故障 | 内置锂离子/锂聚合物电池 | 带冗余过温过流保护的电池管理系统 | 热失控测试（强制短路+过充电） |
设计要求与防护类型
IEC PAS 63166规定了可应用于便携式电子设备的三种防护类型：本质安全型”ib”（适用于Zone 1，将电能和热能均限制在目标气体最低点火能量以下）、本质安全型”ic”（适用于Zone 2，要求比”ib”宽松）以及浇封型”m”配合限能电路，用于单独本质安全无法满足功能要求的应用场景。防护类型的选择涉及安全完整性、设备功能和成本之间的权衡。
本安型便携设备的一个关键设计约束是能量存储限制。对于”ib”等级，电池中的可用能量必须被限制，使得即使在故障条件下（按IEC 60079-11的三个可计数故障），任何可触及点的火花能量不超过氢气（IIC组）的20 µJ或丙烷（IIA组）的80 µJ。这通常需要IIC应用的电池容量小于4 Wh——严重限制了设备的运行时间和功能集。
该PAS为Ex级便携设备的电池组设计提供了详细指导，这可以说是最具挑战性的工程方面。要求包括：冗余温度监测（至少两个独立的NTC热敏电阻）、多芯电池组的单体电压监测、单体级限流（使用PTC器件或等效方案）、以及最低IP67的气密外壳。电池管理系统（BMS）必须按照IEC 61508 SIL 2能力设计，过流事件的故障响应时间小于100 ms，过温事件的故障响应时间小于1秒。
| 防护类型 | 适用区域 | 能量限制 | 外壳要求 | 典型电池限制 | 射频功率限制 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ex ib IIC | Zone 1, Zone 2 | 20 µJ (IIC) / 80 µJ (IIB) | 最低IP54 | ≤ 4 Wh | ≤ 100 mW ERP |
| Ex ic IIC | 仅Zone 2 | 50 µJ (IIC) / 160 µJ (IIB) | 最低IP54 | ≤ 10 Wh | ≤ 500 mW ERP |
| Ex m + 限能 | Zone 1, Zone 2 | 浇封限制接触；外部I/O限能 | IP67（浇封） | ≤ 20 Wh | ≤ 1 W ERP |
| Ex nA（无火花） | 仅Zone 2 | 正常操作无电弧/火花 | 最低IP54 | ≤ 30 Wh | ≤ 2 W ERP |
无线通信与点火风险评估
IEC PAS 63166涉及的最具技术复杂性的方面之一是对便携设备中集成无线发射器的点火风险评估。射频能量可通过两种机制引起点火：直接火花（在可燃气体混合物存在的情况下，导体之间形成射频电弧）和感应电流（射频场在附近导体中感应出足够大的电流从而引起火花）。该PAS规定了使用标准火花测试装置（IEC 60079-11附录A）的测试方法，以确定每种无线技术和频段的最大安全发射功率。
从工程角度来看，该文件提供了关于射频点火阈值的宝贵数据。例如，在2.4 GHz（Wi-Fi/蓝牙）下，4.2%甲烷-空气混合物的最小点火功率约为3.5 W——远高于便携设备典型的100 mW输出功率。然而，在较低频率（如433 MHz ISM频段），由于更有效的火花耦合，点火阈值降至约500 mW。对于峰值发射功率高达200 mW的蜂窝发射器（700 MHz–2.1 GHz），PAS要求额外分析占空比和调制方案，因为脉冲RF（TDMA、GSM）已被证明在比连续波传输更低的平均功率水平下就能点燃气体混合物。
从IEC PAS 63166测试中得出的一个实用工程指南：对于用于Zone 1气体环境的便携设备，工作在≤100 mW ERP的Wi-Fi和蓝牙发射器无需额外的互锁或气体检测即可使用，前提是天线距离任何未绝缘导体至少50 mm，并且在电池充电期间禁用射频输出，以消除交流电源电弧和射频电弧的联合风险。
常见问题
问1：普通的消费级智能手机能否通过认证用于Zone 2气体环境？
大多数情况下不能。消费级智能手机通常无法满足IEC PAS 63166规定的表面温度限值、电池安全要求或ESD防护等级。不过，一些制造商提供Ex级的”加固型”型号，集成了必要的保护措施。由于需要在电池管理、外壳密封和无线功率控制方面进行大量修改，改造消费级设备通常不可行。
大多数情况下不能。消费级智能手机通常无法满足IEC PAS 63166规定的表面温度限值、电池安全要求或ESD防护等级。不过，一些制造商提供Ex级的”加固型”型号，集成了必要的保护措施。由于需要在电池管理、外壳密封和无线功率控制方面进行大量修改，改造消费级设备通常不可行。
问2：便携设备的”Ex”认证和”ATEX”认证有什么区别？
Ex认证（IECEx体系）是基于IEC标准的国际体系，而ATEX认证是基于相同IEC标准的EN版本的欧盟体系。IEC PAS 63166与两个体系保持一致。通过IECEx认证的设备通常通过双边协议在ATEX管辖区被接受（反之亦然），但在某些国家存在一些差异。
Ex认证（IECEx体系）是基于IEC标准的国际体系，而ATEX认证是基于相同IEC标准的EN版本的欧盟体系。IEC PAS 63166与两个体系保持一致。通过IECEx认证的设备通常通过双边协议在ATEX管辖区被接受（反之亦然），但在某些国家存在一些差异。
问3：该标准如何处理设备跌落损坏的风险（在现场操作中很常见）？
IEC PAS 63166规定了全面的机械测试方案：从2.0 m高处跌落到钢板上进行六个方向的测试（平面、棱边、角），随后进行外观检查、功能测试并重复所有点火防护测试。对于具有Ex ib防护的设备，跌落测试不得导致任何可能破坏安全屏障的内部短路。外壳还必须在最脆弱的点通过2 J冲击测试（IEC 60079-0）。
IEC PAS 63166规定了全面的机械测试方案：从2.0 m高处跌落到钢板上进行六个方向的测试（平面、棱边、角），随后进行外观检查、功能测试并重复所有点火防护测试。对于具有Ex ib防护的设备，跌落测试不得导致任何可能破坏安全屏障的内部短路。外壳还必须在最脆弱的点通过2 J冲击测试（IEC 60079-0）。
问4：对于同时包含Ex级和非Ex级功能的设备是否有特殊要求？
有。该PAS引入了”功能隔离”的概念——设备必须明确指示哪些功能可在危险区域安全使用，哪些必须禁用。例如，摄像头和条码扫描器可以是Ex级的，而高功率LED手电筒则必须在设备检测到（通过气体传感器或区域输入）其处于危险位置时被锁定禁用。
有。该PAS引入了”功能隔离”的概念——设备必须明确指示哪些功能可在危险区域安全使用，哪些必须禁用。例如，摄像头和条码扫描器可以是Ex级的，而高功率LED手电筒则必须在设备检测到（通过气体传感器或区域输入）其处于危险位置时被锁定禁用。
