Abstract：
Key words :
［編輯簡介］：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，可供石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計人員參考。
［摘要］：
［關(guān)鍵詞］：本安儀表系統(tǒng) 本安防爆 安全柵
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，在全球范圍內(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)，同時它也能用于0區(qū)危險場所。因此在低壓低功率電氣設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)，它是首選的防爆技術(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。
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。通常國際上認(rèn)證這些設(shè)備時給出它們的整體參數(shù)：
Vmax——最大允許電壓；
Imax——最大允許電流；
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)危險場所的電壓、電流。其主要參數(shù)包括：
Voc——最高開路電壓；
Isc——最大短路電流；
Ca——最大外部電容；
La——最大外部電感。
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)最大允許電容；
Lc——本安系統(tǒng)最大允許電感。
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。而國際上采用“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生產(chǎn)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)生的最高電壓，確定安全柵最高允許電壓；
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，應(yīng)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(fā)。而在選用齊納式安全柵之前必須知道變送器的最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(nèi)阻合適的安全柵以保證變送器能正常工作。
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 lang="EN-US">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。
因此最好的方案是選用低內(nèi)阻的安全柵。而對一般危險場所選用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)的完全匹配，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，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，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。
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。
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。通常國際上認(rèn)證這些設(shè)備時給出它們的整體參數(shù)：
Vmax——最大允許電壓；
Imax——最大允許電流；
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)危險場所的電壓、電流。其主要參數(shù)包括：
Voc——最高開路電壓；
Isc——最大短路電流；
Ca——最大外部電容；
La——最大外部電感。
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)最大允許電容；
Lc——本安系統(tǒng)最大允許電感。
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。而國際上采用“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生產(chǎn)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)生的最高電壓，確定安全柵最高允許電壓；
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，應(yīng)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(fā)。而在選用齊納式安全柵之前必須知道變送器的最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(nèi)阻合適的安全柵以保證變送器能正常工作。
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 lang="EN-US">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。
因此最好的方案是選用低內(nèi)阻的安全柵。而對一般危險場所選用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)的完全匹配，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，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，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。
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