仪表本安防爆技术及其应用

　　在许多工业过程中，需要处理一些易燃易爆的工艺介质，为确保人员生命和生产装置的财产安全，防爆技术已经应用于各个行业及相关专业，形成一系列的行业、国家和国际标准，并随着工业的发展而发展。对于自动化仪表，最常用的防爆型式是本安型、隔爆型和增安型。由于电子技术的飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生，本安防爆技术得到了更为广泛的推广和应用。特别是由于本质安全型(也称“本安型”)防爆型式与其他防爆型式相比，不仅具有结构简单，适用范围广，而且还具有易操作和维护方便等特点，因此这种以抑制点火源能量为防爆手段的本安型防爆仪表已被制造商和用户接受。

　　1 本质安全防爆技术的原理

　　本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。通常对于氢气(ⅡC)环境，必须将电路功率限制在1.3W 左右。由此可见，本安技术能很好地适用于工业自动化仪表。

　　针对电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源，本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来实现防爆。在正常工作和故障状态下，当仪表产生的电火花或热效应的能量小于一定程度时，电度表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸。它实际上是一种低功率设计技术。原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。通常对于氢气环境，也就是危险程度最高、最易爆的环境，必须将功率限制在1.3W 以下。国际电工委员会(IEC)规定，在危险程度最高的危险场所0区，只能采用Ex ia 等级的本安防爆技术。因此，本安防爆技术是一种最安全、最可靠、适用范围最广的防爆技术。本质安全型仪表设备按安全程度和使用场所不同，可分为Ex ia 和Ex ib。Ex ia 的防爆级别高于Ex ib。

　　① Ex ia 级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在一个或两个故障时，均不能点燃爆炸性气体混合物。ia 型仪表可适用于0 区、1 区和2 区。

　　② Ex ib 级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，不能点燃爆炸性气体混合物。ib 型仪表可适用于1 区和2 区。

　　2 本质安全防爆技术的特点

　　与其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技术的工业自动化仪表具有以下技术和商务上的特点。

　　① 不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又笨重的隔爆外壳，因此，本安仪表具有结构简单、体积小、重量轻和造价低等特点。据资料，建立一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为1：4.

　　② 可在带电情况下进行维护、标定和更换仪表的部分零件等。

　　③ 安全可靠性高。本安仪表不会因为紧固螺栓的丢失或外壳结合面锈蚀、划伤等人为原因而降低仪表的安全可靠性。

　　④ 由于本安防爆技术是一种“弱电”技术，因此，本安仪表的使用可以避免现场工程技术人员的触电伤亡事故。

　　⑤ 适用范围广。本安技术是唯一可适用于0 区危险场所的防爆技术。
　
　　⑥ 对于像热电偶等简单设备，不需特别认证即可接入本安防爆系统。

　　3 本质安全防爆技术在现代工业自动化控制中的应用

　　本质安全防爆系统由3 部分组成：现场本质安全仪表设备、本质安全系统网电缆及本质安全关联设备。现场仪表包括各种安装在危险场所的一次检测仪表（如两线制变送器）；本质安全系统网电缆一般为蓝色或加蓝色套管与其它电缆相区别；关联设备包括齐纳式安全栅、隔离式安全栅以及其他形式的具有限流、限压功能的保护装置，能将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。

　　典型系统回路图如图1 所示。系统回路以安全栅为界分为本质安全电路和非本质安全电路。从安全栅通过本质安全电缆连接到现场仪表所构成的电路为本质安全电路；从安全栅到DCS 以及到供电电源的电路为非本质安全电路。

　　4. 1 本安防爆是整体防爆的概念

　　对构成系统的现场设备、安全栅必须经过国家授权的认证机构的防爆认证，同时需要认证机构签发本安仪表和安全栅的联合取证确认该本安回路的安全性。现场设备为简单设备时无需本安认证，即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。简单设备是指触点开关、热电偶、热电阻、发光二极管以及桥路等，设备中不含储能元件。

　　4. 2 本质安全回路防爆认证的原则

　　现场本安设备，安全栅认证参数要匹配。

　　Uo：最高输出电压，在最高允许电压范围内本安端开路时电压最大值。

　　Io：最大输出电流，在最高允许电压范围内本安端短路时电流最大值。

　　Co：最大外部电容，保证本质安全性能情况下本安端最大允许外接电容。

　　Lo：最大外部电感，保证本质安全性能情况下本安端最大允许外接电感。

　　Ui：最高输入电压，施加到本质安全现场仪表上，不会使本质安全性能失效的最高电压。

　　Ii：最大输入电流，施加到本质安全现场仪表上，不会使本质安全性能失效的最大电流。

　　Ci：最大内部电容，现场本安仪表内总等效电容。

　　Li：最大内部电感，现场本安仪表内总等效电感。

　　Cc：本安电缆的分布电容。

　　Lc：本安电缆的分布电感。

　　5 本质安全仪表及回路的特殊要求

　　必需时，本质安全型仪表系统必须具有可靠的独立接地。整个自动化仪表系统有4 种类型的接地：本质安全型仪表系统接地、信号回路接地、屏蔽接地和保护接地。信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极，本质安全仪表系统需独立设置接地系统，与其它接地网相距5m 以上，一般要求本质安全地的接地电阻小于1Ω。其它两种接地电阻按设计或规范要求一般在4Ω 以下。保护接地可接到电气工程低压电气设备的保护接地网上。

　　5.2 对连接电缆的要求

　　从系统布线工程角度考虑，由于连接电缆存在分布电容和分布电感，使连接电缆成为储能元件。它们在信号传输过程不可避免地存储能量，一旦当线路出现开路或短路时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响系统的本安性能。因此既要保证连接传输电缆不会受到外界电磁场干扰影响及与其他回路混触，又要限制布线长度和感应电动势所带来的附加非本安能量，依此来确定电缆的允许分布电容和允许分布电感。一般情况下，主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布参数的。

　　连接电缆本安性能的基本参数如下：

　　电缆最大允许分布电容 Cc=Ck ╳ L

　　电缆最大允许分布电感 Lc=Lk ╳ L

　　式中：Ck--单位长度电缆分布电容; Lk--单位长度电缆分布电感; L--实际配线长度。

　　本质安全系统网电缆一般是一种低电容、低电感的电缆，与其它电缆相比具有优异的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于爆炸危险场所及其它防爆安全要求较高的场合。在使用中应注意以下几点：

　　① 本安线路内的接地线与屏蔽连接线要可靠绝缘；

　　② 信号回路的接地点应在控制室侧，当采用接地型热电偶和检测部分已接地的仪表时，控制室侧不再接地。此时，系统中一般配置隔离式安全栅。

　　③ 屏蔽电缆的备用芯线与电缆的屏蔽层，应在同一侧接信号回路地。现场侧应作良好的绝缘处理。

　　5.3 设备温度组别

　　设备温度组别规定了设备表面的最高允许温度值。这主要基于技术和经济上的考虑。在绝大部分情况下，有较低温度组别的设备购买和安全方面费用较高。通过比较，选用本安设备将更加有效和经济。直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而安装在安全场所的关联设备不需要考虑设备温度组别。设备温度组别一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引起燃烧爆炸。
 
　　5.4 本安电气设备的选用原则

　　5.4.1 简单设备

　　按照GB3836.4-2000 防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，其功率不超过25mW 的电器设备可视为简单设备，他们的典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0,内部等效电容Ci=0。此类设备可直接应用在现场，但应由主业人员评估可能由此产生的不安全因素。

　　5.4.2 本安电气设备

　　安装于危险场所的现场设备必须明确以下问题

　　① 是否已按照DB3836.1-2000 和GB3836.4-2000 要求设计并已被国家防爆检验机构认可为本安电气设备；

　　② 防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求；

　　③ 本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的有源电路加以有效隔离；

　　④ 信号传输的方式及本安电气设备的最低工作电压和回路正常工作电流。

　　在明确以上问题的基础上，选择相对应的安全栅。

　　5.4.3 安全栅的选用原则

　　① 安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。

　　② 确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的最低工作电压。

　　③ 安全栅的本安端安全参数能够满足Uo≤Ui、Io≤Ii、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc 的要求。

　　④ 安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。

　　⑤ 做好相应的保护工作，避免安全栅的漏电电流影响本安现场设备的正常工作。

　　6 结束语

　　虽然本安型仪表在仪表匹配、电缆的使用和接地等方面有许多特殊的要求，但随着微电子技术、微处理器技术的迅速发展，工业自动化仪表已趋于低功耗、电子化、小型化，更加容易实现本质安全。综上所述，对于自动化仪表而言，本安防爆技术是一种比较理想的防爆技术，它也必将被广泛应用于现场总线智能化仪表及现代工业自动化控制系统中。

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