本安型防爆系統與防爆認證
作者：admin 來源：西安賽譜自動化儀表技術有限公司 2024-03-20 瀏覽量：266
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本安型防爆系統與防爆認證
一、本安防爆技術
本安防爆技術是目前唯一被標準化適合于0區的技術。對于自動化儀表，常用的防爆形式依次是本安型、隔爆型和增安型。然而由于電子技術的飛速發展和低功耗電子器件的不斷誕生，使本安防爆技術的推廣和應用了更為廣闊的空間。特別是由于本質安全型(也稱“本安型”)防爆形式與其他防爆形式相比，不僅具有結構簡單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護方便等特點，因此這種抑制點火源能量為防爆手段的本安防爆已為儀表制造商和用戶接受。
1、本安防爆技術的基本原理
電火花和熱效應是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要點燃源。本安就是通過限制電火花和熱效應兩個可能的點燃源的能量來實現的。在正常工作和故障狀態下當儀表可能產生的電火花或熱效應的能量小于這個能量時，低度表不可能點燃爆炸性危險氣體而產生爆炸。原理是從限制能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內，以保證儀表在正常工作或發生短接和元器件損壞等故障情況下產生的電火花和熱效應不致于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。
2、本安防爆技術的特點
本安防爆技術實際上是一種低功率設計技術。通常對于氫氣(ⅡC)環境，必須將電路功率限制在1.3W左右。由此可見，本安技術能很好的適用于工業自動化儀表。
與其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技術可給工業自動化儀表帶來以下技術和商務上的特點。
1)、不需要設計制造工藝復雜、體積龐大且又笨重的隔爆外殼，因此，本安儀表具有結構簡單、體積小、重量輕和造價的特點。據資料，建立一個本安型和隔爆型開關傳輸回路的費用之比約為1：4.
2)、可在帶電工況下進行維護、標定和更換儀表的部分零件等。
3)、安全可靠性高。本安儀表不會因為緊固螺栓的丟失或外殼結合面銹蝕、劃傷等人為原因而降低儀表的安全可靠性。
4)、由于本安防爆技術是一種“弱電”技術，因此，本安儀表的使用可以避免現場工程技術人員的觸電傷亡事故的發生。
5)、適用范圍廣。本安技術是唯壹可適用于0區危險場所的防爆系統。
6)對于像熱電偶等簡單設備，不需特別認證即可接入本安防爆系統。
綜上所述，對于自動化儀表而言，本安防爆技術是一種比較理想的防爆技術，它也必將被廣泛應用于現場總線智能化儀表及其系統的設計。
3、本質安全設備及關聯設備
兩種：本安電氣設備和關聯設備。
1)、本安電氣設備
在標準所規定的條件下(包括正常工作和規定故障條件)，產生的任何電火花和熱效應尚不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電氣設備。它可用于危險場所。
它可分為一般本安電氣設備和簡單電氣設備。
一般本安電氣設備
具有儲能元件，是需要防爆認證的本安電氣設備，如變送器、接近開關等。
簡單電氣設備
根據制造商的技術條件，電氣參數值均不超過1.2V，<0.1A,<25mW，<20uJ的電氣設備，它們無需防爆認證。可以自由地配置在本安回路中。如：電阻(包括可變電阻)、發光二極管、開關、熱電偶、熱電阻、應變儀。
2)、關聯設備(安全柵)
一種安裝在安全場所，本安電氣設備與非本安電氣設備之間相連的電氣設備。
安全柵能將竄入到現場本安設備的能量限制在安全值內，從而確保現場設備、人員和生產的安全。本安系統回路的示意圖如下：
4、本安電氣設備的分類
1)、類別
基于標準GS3836.1《爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分通用要求》規定的電氣設備分類原則，本安儀表可分為兩類：
I類：煤礦用本安儀表(mining industry)
Ⅱ類：工廠用本安儀表(surface industry)
Ⅱ類工廠用本安儀表，跟氣體分組一樣，可進一步分為A、B、C三級。
2)、級別
本安儀表及關聯設備，按其使用場4所或相連場所的安全程度可分為ia和ib二個級別。
ia級是指在正常工作、一個計數故障和兩個計數故障情況下均不能點燃爆炸性氣體混合物。即ia級儀表在大考慮二個計數故障情況下也不致于產生安全失效。
ib級是指在正常工作和一個計數故障情況下不能點燃爆炸性氣體混合物。顯然，ia級儀表的安全程度要比ib級儀表高，ib級儀表僅考慮儀表產生一個故障時不會產生安全失效，但若儀表出現**次計數故障時，就可能會產生安全失效。
因此，ib級本安儀表的安全程度要比ia級儀表差，它跟隔爆和增安等防爆型式的儀表一樣只適用于1區和2區危險場所。相應的，ib級本安關聯設備可與1區和2區危險場所的本安儀表或設備相連接。而ia級本安儀表可以用于危險等級高的0區危險場所;ia級本安關聯設備可與0區危險場所的本安儀表或設備相連接。ia級本安設備是所有防爆型式中安全程度高的一種。
3)、設備溫度等級
設備溫度等級規定了設備表面的高允許溫度值。這主要基于技術和經濟上的考慮。在絕大部分情況下，工作時是有較低溫度等級的設備購買和安全費用較高。通過比較，選用本安設備將更加有效和經濟。直接安裝在危險場所的本安設備需要考慮設備溫度等級，而關聯設備不需要進行設備溫度等級的部分。設備溫度等級一定要小于使用在該危險場所環境中可燃物質的點燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。
5、防爆標志
本安儀表的防爆標志跟其他防爆型式的防爆標志一樣，它實質上是儀表所適用的爆炸性危險場所的代號。
通常一個爆炸性危險場所需用三個參量來定義。
1)、危險場所區域 反映可能出現危險氣體的頻率或持續時間，亦即產生爆炸的危險程度。2)、危險性氣體的種類，即氣體組別考慮可能出現的危險氣體的點燃能量。
3)、危險氣體的引燃溫度，即氣體溫度組別考慮可能出現的危險氣體的點燃溫度。
相應地，本安儀表的防爆標志也必須在“Ex”防爆標記后，依次表達出儀表可適用的區域、氣體組別和溫度組別三個參量。
本安電氣設備防爆標志
例如，防爆標志ExiaIIBT4表示本安設備可適用于氣體組別不高于II類B級，氣體引燃溫度不低于T4(135℃)的0區危險場所。
關聯設備(安全柵)防爆標志
例如，防爆標志[Exia]IIB表示安全柵可適用于氣體組別不高于II類B級的0區危險場所。
二、本安系統的基本構成
本安系統是通過限制電氣能量而實現電氣防爆的電路系統，且不限制使用場所(其中ia等級在0區、I區、II區危險場所均適用)和爆炸性氣體混合物的種類(限包括所有可燃性氣體);具有高度的安全性、可維護性和經濟性。構成一個本安系統的示意圖。
1、現場本安設備
從現場設備的儲能元件角度考慮，使處于爆炸性氣體危環境中的現場設備按照本安防爆要求設計，對其中包含的電感和電容等儲能元件回路采限相措施，并使其盡可能減少的同時，考慮回路元件的功耗及溫升問題，以保證該設備不論是正常工作還是故障狀態，均不會產生由火花和熱源引起的點燃。即現場設備必須是本安設備。
現場本安設備具有本安性能的主要參數：
最高輸入電壓(Ui)
施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的最高電壓(交流峰值或直流)。 最大輸入電流(Ii)
施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的最高電流(交流峰值或直流)。 最大輸入功率(Pi)
當電氣設備與外電源連接不使本質安全性能失效時，可能在電氣設備內部消耗的本質安全電路的最大輸入功率。
最大內部等效電容(Ci)
通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電容。
最大內部等效電感(Li)
通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電感。
2、連接電纜
從系統布線工程角度考慮，由于連接電纜存在分布電容和分布電感，使連接電纜成為儲能元件。它們在信號傳輸過程不可避免地存儲能量，一旦當線路出現開路或短路時，這些儲能就會以電火花或熱效應的形式釋放出來，影響系統的本安性能。因此既要保證連接傳輸電纜不會受到外界電磁場干擾影響及與其他回路混觸，又要限制布線長度和感應電動勢所帶來的附加非本安能量，依此來確定電纜的允許分布電容和允許分布電感，世界各防爆檢驗機構主要采取以集中參數的方式考慮電纜分布參數的方法。
連接電纜本安性能的基本參數如下：
電纜最大允許分布電容(Ci) (Cc)=(Ck)*L
電纜最大允許分布電感(Lc) (Lc)=(Lk)*L
式中Ck--電纜單位長度分布電容; Lk--電纜單位長度分布電感; L--實際配線長度
3、關聯設備-安全柵
從控制室設備配置角度考慮，該部分電氣回路必須具備無論系統處于正常工作狀態還中故障狀態，均能夠將從安全場所的非本安回路傳到危險場所的本安設備的能量抑制在點火極限(小點燃能量)以下的保護功能。
安全柵本安性能的基本參數：
高電壓(交流有效值或直流Um)
施加到關聯設備非本質安全連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的高電壓。
最高輸出電壓(Uo)
在開路條件下，在設備連接裝置施加電達到高電壓(包括Um和Ui)時，可能出現的本質安全電路的高輸出電壓(交流峰值或直流)。
最大輸入電流(Io)
來自電氣設備連接裝置的本質安全電路的大電流(交流峰值或直流)。
最大輸入功率(Po)
能從電氣設備獲得的本質安全電路大功率。
最大外部電容(Co)
可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的大電容。 最大外部電感(Lo)
可能連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的大電感。
4、本安系統組合條件
為保證設備的安全正常使用，本安系統各配置間必須滿足以下條件。
a)、現場本安設備的防爆標志級別不能高于安全柵的防爆標志級別。
b)、關聯設備、現場本安設備與連接電纜參數之間要符合以下不等式。
三、本安系統設計一般要求1、本安系統配置設備選用原則
本安系統由本安現場設備、關聯設備(也稱安全柵)和連接電纜三部分組成，就本安防爆性能而言，它們必須滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四個條件。這些設備配置的選用原則是：
1)、本安電氣設備的選用原則
簡單設備：按照GB3836.4-2010防爆標準規定，對于電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A，且其能量不超過20μJ或功率不超過25mW的電氣設備可視為簡單設備，其中常見的儀表設備有熱電偶、熱電阻、pH電極、應變片和開關等，它們的典型特點是儀表設備的內部等效電感Li=0，內部等效電容Ci=0。
本安電氣設備：安裝于危險場所的現場設備，必須明確以下問題：
a)、是否已按照GB3836.1-2010和GB3836.4-2010要求設計并已被防爆檢驗機構認可的本安電氣設備;
b)、防爆標志規定的等級是否適用于使用的危險場所的安全要求;
c)、明確Ui、Ii、Pi、Ci、和Li參數;
d)、本安電路是否接地或接地部分的本安電路是否與安全柵接口部分的電路加以有效隔離。e)、信號傳輸是以何種方式進行;
f)、本安電氣設備的低工作電壓及回路正常工作電流。
在上述問題明確的基礎上，選擇與之對應的安全柵。
2)、安全柵的選用原則
a)、安全柵的防爆標志等必須不低于本安現場設備的防爆標志的等級。
b)、確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現場設備的低工作電壓。
c)、安全柵的本安端安全參數能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo≥Lc的要求。
d)、根據本安現場儀表的電源極性及信號傳輸方式選擇與之相匹配的安全柵。
e)、避免安全柵的漏電流影響本安現場設備的正常工作。
f)、安全柵有兩大類，一類為齊納式安全柵，另一類為隔離式安全柵。
3)、連接電纜的選用原則
用于本安系統中連接本安現場設備與安全柵的連接電纜，其分布參數在一定程度上決定了本安系統的合理性及使用范圍，因此必須符合以下條件。
a)、連接電纜規格
連接電纜為銅芯絞線，且每根芯線的截面積不小于0.5mm2。
介質強度應能承受2倍本安電路的額定電壓，但不低于500V的耐壓試驗。
b)、連接電纜長度的限制
在本安系統中，現場本安儀表和連接電纜同為安全柵的負載，當安全柵與現場本安儀表選定后，也就決定了連接電纜的長度。其具體方法如下。
根據Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式計算電纜的大外部分布參數;
按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分別計算電纜長度，取兩者中的小值作為實際配線長度L，但多芯電纜，應考慮相互疊加影響。
目前國內已有多家電纜生產廠生產專為本安系統設計的本安用特殊電纜，為方便比較選用，下面表1給出了典型普通連接電纜的分布參數，表2給出了典型國產本安用特殊電纜分布參數，以供參考。
表一 典型普通電纜線的分布參數
RVV：銅芯聚氯乙烯絕緣及護套軟線 RVVP：銅芯聚氯乙烯絕緣、金屬屏蔽及護套軟線
表二 典型國產本安儀表用特殊電纜分布參數
2、本安系統的優化配置
實現本安系統的優化配置應將上述環節統籌考慮。從本安電路設計角度及實際使用情況分析，電纜的分布參數是影響本安系統應用的主要因素。為了提高系統允許的電纜分布參數，可以通過提高安全柵允許外接參數和降低本安設備內部等效參數的方法來實現。
1)、對于提高安全柵允許外接參數，可以通過優化分析，合理選擇安全柵，盡量選擇具有較低高開路電壓和大短路電流的安全柵來實現。
2)、對于降低本安儀表內部等效參數，通常也可通過前述的抑制本安儀表電路中電容電感儲能相同的方法來完成。但是在實踐中，還有一種更有效地抑制本安儀表輸入電容的方法，即在本安儀表輸入端加上兩個串聯的正向二級管，并與整個本安電路膠封為一體。這種方法的應用，不僅使本安儀表具有反極性保護的功能，而且由于雙重化二極管的作用，可靠地阻斷了本安儀表內部電容對電路的放電回路，從根本上避免了儀表內部電容對外電路的影響，此時儀表的內部等效電容可近似的認為是零，即Ci=0，從而大大提高了本安系統的允許電纜分布電容。此時，Cc=Co。
3、本安系統現場布線原則
1)、整個系統的接線必須按檢驗機構認可的系統組成。
2)、慎防本安回路與非本安回路混觸。
3)、從控制室到現場的本安電纜與非本安電纜分別敷設在各自的匯線槽內，中間用隔板分開，匯線槽帶蓋，以防外部機械操作損傷。
4)、從現場接線盒或匯線槽引到本安儀表的電纜敷設在鋼管內，以防機械損傷及電磁感應引起的危險。
5)、本安電纜和非本安電纜不公用一根金屬線管和同一個現場接線盒。
6)、連接電纜及其鋼管、端子板應有藍色標志(或**藍色膠帶)，以便識別。
7)、齊納式安全柵的接地匯流條及接地裝置須滿足安全柵的使用說明書及有關電氣安全規程的要求。
8)、多個本安電路或關聯電路不應共用同一電纜(電纜線芯分別屏蔽者除外)或共處同一鋼管內(用屏蔽導線除外)。
4、安全柵選擇
安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。
1)、齊納式安全柵
齊納式安全柵采用在電路回路中串聯快速熔斷絲、限流電阻和并聯限壓齊納二極管實現能量的限制，保證危險區儀表與安全區儀表信號連接時安全限能。它采用器件非常少、體積小、價格低，但也有一些致命的缺陷，使應用范圍受到較大的限制。目前采用顯下降趨勢。
齊納式安全柵原理示意圖
a)、使用齊納式安全柵，工廠必須要有專門的本安接地系統，本安電路的接地電阻必須小于1Ω。
b)、使用齊納式安全柵，危險區現場本安表必須為隔離型的，非隔離型的儀表不能采用。
c)、使用齊納式安全柵，對供電電源電壓響非常大，電源電壓的波動可能會引起齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號的誤差或者發出錯誤電平，嚴重時會使快速保險絲燒斷而長久損壞，按規定齊納式安全柵內部齊納管、限流電阻、保險絲整體澆封，一旦損壞無法修復。
d)、使用齊納式安全柵，信號負極均要接至本安接地，這樣大大降低系統信號抗干擾能力，影響系統的可靠性，特別對于DCS系統影響尤為明顯。
2)、隔離式安全柵
隔離式安全柵不但有限能功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元、信號、電源隔離單元和信號處理單元組成。其基本功能框圖如下：
它包括獨立供電隔離式安全柵和回路供電隔離式安全柵兩大類。
a)、隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價格要高一些，但是它許多優點和特點還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向選擇隔離式安全柵。
b)、使用隔離式安全柵，可以將危險區的現場回路信號和安全區回路信號有效隔離。這樣本安自控系統不需要本安接地系統，簡化了本安防爆系統應用時的施工。
c)、使用隔離式安全柵，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力，提高系統可靠性。
d)、使用隔離式安全柵，允許現場儀表接地，允許現場儀表為非隔離型的。
e)、隔離式安全柵有許多保護功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現場儀表帶電檢修。這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間。
f)、隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關量輸入狀態控制、mV、Pt100變為4～20mA等等。這樣給現場儀表和控制系統的應用提供了更大的方便、合理和有效。
g)、當用戶同時應用DCS和ESD時，選用一進二出的安全柵，可以有效地將兩個系統隔離開來，避免系統之間互相影響。
h)、回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優點，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統。
5、安全柵的接地分析
齊納式安全柵如果不接地，如下圖示。若當安全區內配電故障導線一個對地高電勢(交流220V的相線)落在安全柵上時齊納管只限制齊納式安全柵導線之間的電壓U0，但無法限制任何一線對地的電勢，該電勢被引入危險區，一旦現場儀表對地絕緣隔離不好，對地產生短路，立即產生強大的地電流，這樣的高電勢和對地電流的能量并沒有得到限制，因此，極可靠產生火花而引起危險。
若安全柵有可靠接地，如下所示，當同樣的故障發生時，齊納管限制了對地的電勢，故障電流只能在安全區內流過，這樣確保危險區的現場安全。這個接地也叫“本安接地”。
采用隔離式安全柵的情況
當故障發生時，由于隔離式安全柵內有可靠的隔離單元，它對地產生電勢，但對地電流不可能從可靠隔離單元流向危險區，因此在安全柵的本安電路側不需要專門本安接地，只要按照一般要求。如利用屏蔽電纜的話，在現場儀表側或控制室一側把電纜屏蔽接地即可。
四、本安系統認證
1、認證標準和認證機構
認證標準：
標準GB3836.1-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分：通用要求(eqv IEC 60079-0：1998)》和GB3836.4-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分：本質安全型“i”(eqv IEC 60079-11：1999)》標準是等效采用IEC 60079標準，該標準于2000-10-17發布，2001-06-01實施，替代原來的GB3836.1983標準。
2、本安系統認證
本安系統的檢定認可要涉及到現場本安設備、關聯設備及其布線。目前，國際上對本安防爆系統的認可沒有嚴格的規定，即不同的、地區，不同的廠家，甚至不同的產品采取不同的方式。但是歸納起來主要有兩種認可方式，即系統認可和參量認可。
1)、本安系統認可
系統認可(System Approva1)是一種防爆檢驗機構將特定的現場儀表認定與特定的安全柵配套，同時將電纜的分布電容和分布電感以集中參數的方式給出的認證方式。這種認可工作往往基于對電路分析驗證或必要的火花點燃試驗，對由特定本安設備與關聯設備組合而成的系統進行合理性和安全性確認，并由檢驗機構出具相關書面文件(通常稱為防爆聯合取證)。
本安系統認證框圖如下：
系統認可方式中，組合配套關系明確，系統檢定合格，用戶選用簡單，整體防爆性能容易保證，但組合靈活性差。
2)、本安系統參量認可
參量認可是一種對要認可的本安設備和關聯設備，分別規定其安全參數，然后對其單獨評價安全性能，后根據安全參數匹配的原則，將本安設備與關聯設備相連接的方式。這種以設備本身安全額定值為基礎的檢定認可方式，目前在歐美較為流行，有可能成為國際上通用認可方式，其認可關系如下圖。
在參量認可方式中，將本安設備與關聯設備先“視作”斷開狀態，在各自的端子規定其安全參數額定值。
其中：
對安裝在危險場所的本安設備，給出下列安全參數有Ui、Ii、Pi、Ci和Li。
對安裝在安全場所的關聯設備，給出下列安全全參數有Uo、Io、Po、Co和Lo。
然后對本安設備和關聯設備分別設想兩個獨立的故障進行。所謂安全參數額定值是儀表保持安全性能的大額定值，以此額定值為基礎，來評價本安設備的本安性能。
當上述安全參數認可后，電纜分布參數可根據下列公式得出Cc≤Co-Ci Lc≤Lo-Li
在參量認可方式中，通常應對本安設備和關聯設備分別進行認可，標上各自編號的合格標簽，以此構成的系統，兩者的合格證編號是不同的。
參量認可的大優點是使用者可以自由選配實現本安系統的組合，使用者只要掌握各自的安全參數的額定值，按照確保安全性能的選配條件，便可自行構成本安系統(見本安系統的組合條件)。
本安系統的認證無論采取上述何種方式，除考慮檢成系統的三要素：本安現場儀表、連接電纜和關聯設備之外，還應結合其結構特征、是否接地、二次儀表的阻抗等綜合考慮。目前，我國防爆檢驗機構主要采取的認可方式實質上仍為“系統認可”方式，即“聯合取證”方式，并逐步向“參數認可”方向推進。在進行關聯設備檢定認可時，在認可文件中給出了高開路電壓Uo、大短路電流Io、大允許外接電容Co和大允許外接電感Lo四個參數。而在進行本安設備檢定認可時，在認可文件中又規定配套使用的關聯設備的型號規格(可以是一個或多個)以及系統允許的電纜分布參數值，它在考核確認各自安全性能的基礎上，加以考慮相互間的系統匹配而確定的本安系統配備，確保了整個系統的防爆安全性能。
