本安防爆系統知識綜述

摘　要：
　　介紹了電氣防爆技術領域中的本安防爆技術及其系統，著重闡述了本安系統中安全柵的選取原則和應用實例，對國內外本安防爆系統評定所采用的方法進行了簡要介紹。

關鍵字：電氣設備防爆；本質安全防爆；安全柵；現場設備；關聯設備 
 
前言

    在石油、化工等過程測量與自動化控制系統中，可能出現潛在的爆炸性環境，在實踐應用中設計人員必須對系統中的現場設備及其相關設備采取相應的防爆措施。隨著電氣設備防爆技術的不斷進步和發展，在范圍內已廣泛接受的電氣設備防爆技術有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)和無火花(Ex n)型等。在眾多的防爆技術中，本質安全(以下簡稱本安)防爆技術具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測量和帶電維護等優點，同時它也能用于0區危險場所。因此在低壓低功率電氣設備、儀器儀表等領域內，它是的防爆技術。然而由于本安防爆實質上是系統防爆，其防爆性能不僅與關聯設備有關，而且也與相應設備有關。為此，本文就電氣防爆技術領域中的本安防爆技術及其系統進行概要介紹。
　　1 本安防爆系統概況
　　本安防爆系統由本安型現場設備、關聯設備及二者之間的連接電纜組成，如圖1所示。
　　1．1現場設備　　　　　　　　　　
　　現場設備主要分為簡單設備和非簡單設備。將既不會產生也不會存儲超過1．2V，0．1A，25mW和20μJ的電氣設備認定為簡單設備，主要包括簡單觸點、熱電偶、RTDs，LEDs和電阻性元件等；而非簡單設備則是指可能產生或存儲的能量超過上述數值的電氣設備，典型產品有變送器、電磁閥、轉換器、接近開關等。通常上認證這些設備時給出它們的整體參數：
　　Vmax——zui大允許電壓；
　　Imax——zui大允許電流；
　　Ci——內部電容；
　　Li——內部電感。
　　1．2關聯設備
　　關聯設備作為限能設備能有效地保護危險場所的現場設備，在正常工作條件下能使系統完好地工作，而在故障條件下能限制到達危險場所的電壓、電流。其主要參數包括：
　　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。
　　在實踐應用中關聯設備主要是指安全柵，它又分為齊納式安全柵和隔離式安全柵。它們的特點如表1所列。
　　1．3連接電纜
　　由于關聯設備與現場設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的防爆性能造成影響。在實踐中通常將電纜按集中參數處理，其參數主要包括：
　　Cc——本安系統zui大允許電容；
　　Lc——本安系統zui大允許電感。
　　2 本安系統安全性評定和關聯設備(安全柵)的選取
　　2．1本安系統安全性評定
　　目前，典型本安系統采用“回路認證(LmPAp-Proval)”即“系統認證(System Approval)”。這也是我國現行的本安防爆系統認證技術——聯合取證。這種組合一經認定，其本安設備或關聯設備就不能用未經檢驗機構認證過的其他型號規格的設備替代。而上采用“參量認證”的方式，即對關聯設備與現場設備分別給出一組安全參數，并可由用戶自由地將不同銷售廠商的電氣設備進行組合，從安全性角度出發只須滿足如下關系：
　　Vmax≥Vo Imax≥Isc
　　(Cc+Ci)≥Ca (Lc+Li)≥La2．2關聯設備的選取原則
本安防爆系統安全性的保障主要取決于關聯設備(安全柵)。下面以齊納式安全柵為例，簡要說明其選用原則，并結合應用較廣泛的變送器系統進行實例分析。
　　1)齊納式安全柵的選用原則
　　a)根據現場防爆要求，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生的zui高電壓，確定安全柵zui高允許電壓；
　　c)根據現場設備的信號、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，確定系統能否正常工作；
　　e)共模電壓和漏電流的影響對信號響應的精度；
　　f)安全柵允許的分布參數是否合乎要求。
　　2)現場設備涉及的種類繁多，對不同的設備須在上述原則的基礎上再進一步深入考慮，表2列出了各類現場儀表配用安全柵的大致情況。
　　3)變送器本安系統安全柵選用實例(圖2)
　　由變送器構成的防爆系統在選取關聯設備(安全柵)時，應該從電路工作性能(特別是20mA信號時)和安全性能兩個角度出發。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)，然后選用一個內阻合適的安全柵以保證變送器能正常工作。　　a)安全柵內部電阻及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值必須通過計算其允許的壓降來實現。
　　b)提高系統的性能：從圖2可以看出，僅有轉換電阻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信號將變為0．4-2．0V，而這對DCS的安裝和應用提出了新的要求，顯然是一種不切實際的方案。
　　因此的方案是選用低內阻的安全柵。而對一般危險場所選用HB產品能滿足要求就盡量采用HB產品。表3列出了ⅡB與ⅡC產品各項參數的比較。顯然，ⅡB比ⅡC產品有小得多的內部電阻Ri，即相應它上面的壓降很小，但同時卻有相當高的Isc。
　　3 本安系統的安裝與維護
　　本安防爆系統設備的選用與參數的*匹配，僅僅是從理論上實現了本安系統的構想。而實踐中系統的安裝和維護是至關重要的。首先，必須對本安電路接線加以識別(如用淡藍色端子和線路)并且與其他電路相隔離。其敷設可采用單獨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，本安防爆系統是否可靠合理地接地，對系統安全性的影響也極為重大。接地原則為單點接地，圖3示出了正確接地的方法。
　　1)本安系統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采用冗余設計，即在同一接地極上用雙根導線并聯接地。
　　2)若本安電路系統在安裝完好并供電之后依然不能工作，則應從以下幾方面人手尋找解決問題的根源。
　　a)確認線路連接可靠；
　　b)檢查電路是否正常供電；
　　c)檢查安全柵的熔絲。
　　當上述假定故障不存在時，應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 結束語
　　隨著本安防爆技術在我國石油、化工等危險產業中的廣泛應用，本安防爆系統也越來越得到普遍重視。我國目前采用的認證方式——聯合取證，已經成為防爆檢驗的必要環節。例如我國儀器儀表防爆安全歸口檢驗單位——*儀器儀表防爆安全監督檢驗站(NEPSI)每年就發放聯合取證數十張，涉及本安防爆系統數百個。此外，對上普遍采用的參量認證方法，我國也正出臺相應措施以加速其在防爆體系認證中的應用。NEPSI在其“九五”課題中對本安系統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防爆技術與防爆技術的全面接軌。