本安防爆系統(tǒng)知識綜述

摘　要：
　　介紹了電氣防爆技術(shù)領(lǐng)域中的本安防爆技術(shù)及其系統(tǒng)，著重闡述了本安系統(tǒng)中安全柵的選取原則和應(yīng)用實(shí)例，對國內(nèi)外本安防爆系統(tǒng)評定所采用的方法進(jìn)行了簡要介紹。

關(guān)鍵字：電氣設(shè)備防爆；本質(zhì)安全防爆；安全柵；現(xiàn)場設(shè)備；關(guān)聯(lián)設(shè)備 
 
前言

    在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實(shí)踐應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。隨著電氣設(shè)備防爆技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質(zhì)安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)和無火花(Ex n)型等。在眾多的防爆技術(shù)中，本質(zhì)安全(以下簡稱本安)防爆技術(shù)具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測量和帶電維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也能用于0區(qū)危險(xiǎn)場所。因此在低壓低功率電氣設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)，它是的防爆技術(shù)。然而由于本安防爆實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)防爆，其防爆性能不僅與關(guān)聯(lián)設(shè)備有關(guān)，而且也與相應(yīng)設(shè)備有關(guān)。為此，本文就電氣防爆技術(shù)領(lǐng)域中的本安防爆技術(shù)及其系統(tǒng)進(jìn)行概要介紹。
　　1 本安防爆系統(tǒng)概況
　　本安防爆系統(tǒng)由本安型現(xiàn)場設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備及二者之間的連接電纜組成，如圖1所示。
　　1．1現(xiàn)場設(shè)備　　　　　　　　　　
　　現(xiàn)場設(shè)備主要分為簡單設(shè)備和非簡單設(shè)備。將既不會產(chǎn)生也不會存儲超過1．2V，0．1A，25mW和20μJ的電氣設(shè)備認(rèn)定為簡單設(shè)備，主要包括簡單觸點(diǎn)、熱電偶、RTDs，LEDs和電阻性元件等；而非簡單設(shè)備則是指可能產(chǎn)生或存儲的能量超過上述數(shù)值的電氣設(shè)備，典型產(chǎn)品有變送器、電磁閥、轉(zhuǎn)換器、接近開關(guān)等。通常上認(rèn)證這些設(shè)備時(shí)給出它們的整體參數(shù)：
　　Vmax——zui大允許電壓；
　　Imax——zui大允許電流；
　　Ci——內(nèi)部電容；
　　Li——內(nèi)部電感。
　　1．2關(guān)聯(lián)設(shè)備
　　關(guān)聯(lián)設(shè)備作為限能設(shè)備能有效地保護(hù)危險(xiǎn)場所的現(xiàn)場設(shè)備，在正常工作條件下能使系統(tǒng)完好地工作，而在故障條件下能限制到達(dá)危險(xiǎn)場所的電壓、電流。其主要參數(shù)包括：
　　Voc——zui高開路電壓；
　　Isc——zui大短路電流；
　　Ca——zui大外部電容；
　　La——zui大外部電感。
　　在實(shí)踐應(yīng)用中關(guān)聯(lián)設(shè)備主要是指安全柵，它又分為齊納式安全柵和隔離式安全柵。它們的特點(diǎn)如表1所列。
　　1．3連接電纜
　　由于關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備間的連接電纜存在分布電容和分布電感，因此其儲能勢必對本安系統(tǒng)的防爆性能造成影響。在實(shí)踐中通常將電纜按集中參數(shù)處理，其參數(shù)主要包括：
　　Cc——本安系統(tǒng)zui大允許電容；
　　Lc——本安系統(tǒng)zui大允許電感。
　　2 本安系統(tǒng)安全性評定和關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)的選取
　　2．1本安系統(tǒng)安全性評定
　　目前，典型本安系統(tǒng)采用“回路認(rèn)證(LmPAp-Proval)”即“系統(tǒng)認(rèn)證(System Approval)”。這也是我國現(xiàn)行的本安防爆系統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)——聯(lián)合取證。這種組合一經(jīng)認(rèn)定，其本安設(shè)備或關(guān)聯(lián)設(shè)備就不能用未經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)證過的其他型號規(guī)格的設(shè)備替代。而上采用“參量認(rèn)證”的方式，即對關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備分別給出一組安全參數(shù)，并可由用戶自由地將不同銷售廠商的電氣設(shè)備進(jìn)行組合，從安全性角度出發(fā)只須滿足如下關(guān)系：
　　Vmax≥Vo Imax≥Isc
　　(Cc+Ci)≥Ca (Lc+Li)≥La2．2關(guān)聯(lián)設(shè)備的選取原則
本安防爆系統(tǒng)安全性的保障主要取決于關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)。下面以齊納式安全柵為例，簡要說明其選用原則，并結(jié)合應(yīng)用較廣泛的變送器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析。
　　1)齊納式安全柵的選用原則
　　a)根據(jù)現(xiàn)場防爆要求，確定所需安全柵的防爆等級；
　　b)檢查控制室儀表可能存在或產(chǎn)生的zui高電壓，確定安全柵zui高允許電壓；
　　c)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的信號、電源對地的極性，確定安全柵的極性；
　　d)考慮安全柵端電阻壓降的影響，確定系統(tǒng)能否正常工作；
　　e)共模電壓和漏電流的影響對信號響應(yīng)的精度；
　　f)安全柵允許的分布參數(shù)是否合乎要求。
　　2)現(xiàn)場設(shè)備涉及的種類繁多，對不同的設(shè)備須在上述原則的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步深入考慮，表2列出了各類現(xiàn)場儀表配用安全柵的大致情況。
　　3)變送器本安系統(tǒng)安全柵選用實(shí)例(圖2)
　　由變送器構(gòu)成的防爆系統(tǒng)在選取關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)時(shí)，應(yīng)該從電路工作性能(特別是20mA信號時(shí))和安全性能兩個(gè)角度出發(fā)。而在選用齊納式安全柵之前必須知道變送器的zui低工作電壓及二次儀表的供電電壓大小(一般為24V)，然后選用一個(gè)內(nèi)阻合適的安全柵以保證變送器能正常工作?！　?/span>a)安全柵內(nèi)部電阻及i(端電阻)的選用：若Ri值較大，其在20mA信號附近可能由于壓降太大而使系統(tǒng)無法正常工作；但若及i值較小，則安全柵Isc較大可能使Isc≥Imax從而不滿足安全性能。因此選擇確切的Ri值必須通過計(jì)算其允許的壓降來實(shí)現(xiàn)。
　　b)提高系統(tǒng)的性能：從圖2可以看出，僅有轉(zhuǎn)換電阻Rc(2500)和安全柵端電阻Ri可以減小，以提高變送器的工作電壓，若Rc減小到100Ω，則4-20mA信號將變?yōu)?/span>0．4-2．0V，而這對DCS的安裝和應(yīng)用提出了新的要求，顯然是一種不切實(shí)際的方案。
　　因此的方案是選用低內(nèi)阻的安全柵。而對一般危險(xiǎn)場所選用HB產(chǎn)品能滿足要求就盡量采用HB產(chǎn)品。表3列出了ⅡB與ⅡC產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)的比較。顯然，ⅡB比ⅡC產(chǎn)品有小得多的內(nèi)部電阻Ri，即相應(yīng)它上面的壓降很小，但同時(shí)卻有相當(dāng)高的Isc。
　　3 本安系統(tǒng)的安裝與維護(hù)
　　本安防爆系統(tǒng)設(shè)備的選用與參數(shù)的*匹配，僅僅是從理論上實(shí)現(xiàn)了本安系統(tǒng)的構(gòu)想。而實(shí)踐中系統(tǒng)的安裝和維護(hù)是至關(guān)重要的。首先，必須對本安電路接線加以識別(如用淡藍(lán)色端子和線路)并且與其他電路相隔離。其敷設(shè)可采用單獨(dú)的安裝管道或者在同一管道中本安與非本安線路用絕緣擋板隔開。此外，本安防爆系統(tǒng)是否可靠合理地接地，對系統(tǒng)安全性的影響也極為重大。接地原則為單點(diǎn)接地，圖3示出了正確接地的方法。
　　1)本安系統(tǒng)接地必須滿足如下要求：
　　a)安全柵接地電阻必須小于1Ω；
　　b)接地導(dǎo)線截面積不小于4nW2(銅芯)或6mm2(鋼芯)；
　　c)所有接地必須牢固可靠，并利于例行檢查；
　　d)為提高接地可靠性應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)，即在同一接地極上用雙根導(dǎo)線并聯(lián)接地。
　　2)若本安電路系統(tǒng)在安裝完好并供電之后依然不能工作，則應(yīng)從以下幾方面人手尋找解決問題的根源。
　　a)確認(rèn)線路連接可靠；
　　b)檢查電路是否正常供電；
　　c)檢查安全柵的熔絲。
　　當(dāng)上述假定故障不存在時(shí)，應(yīng)判斷安全柵的熔絲是否被熔斷。對熔絲已燒斷的安全柵只能進(jìn)行整體更換，但必須遵守以下順序：斷開非本安端接線、斷開本安端接線’斷開接地線、處理裸露接線→取下安全柵并更換掉，隨后按相反順序接線。
　　4 結(jié)束語
　　隨著本安防爆技術(shù)在我國石油、化工等危險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，本安防爆系統(tǒng)也越來越得到普遍重視。我國目前采用的認(rèn)證方式——聯(lián)合取證，已經(jīng)成為防爆檢驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)。例如我國儀器儀表防爆安全歸口檢驗(yàn)單位——*儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站(NEPSI)每年就發(fā)放聯(lián)合取證數(shù)十張，涉及本安防爆系統(tǒng)數(shù)百個(gè)。此外，對上普遍采用的參量認(rèn)證方法，我國也正出臺相應(yīng)措施以加速其在防爆體系認(rèn)證中的應(yīng)用。NEPSI在其“九五”課題中對本安系統(tǒng)防爆的測試和評定做了大量研究工作。他們的科研成果勢必推動我國的本安系統(tǒng)防爆技術(shù)與防爆技術(shù)的全面接軌。