儀表本安防爆技術及其在化工現場的應用

1 引言
 　　在許多化工工業過程中，需要處理一些易燃易爆的工藝介質。為確保人員生命和生產裝置的財產安全，防爆技術已經應用于各個行業及相關專業，形成一系列的行業、國家和標準，并隨著工業的發展而發展。對于自動化儀表，zui常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。由于電子技術的飛速發展和低功耗電子器件的不斷誕生，本安防爆技術的得到了更為廣闊的推廣和應用。特別是由于本質安全型(簡稱本安型)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，因此這種通過抑制點火源能量為防爆手段的本安型防爆儀表已被制造商和用戶接受。
 
2  本質安全防爆技術的原理與特點
 2.1  本質安全防爆技術的原理
 　　本安防爆技術實際上是一種低功率設計技術。例如對于氫氣(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。
　　 針對電火花和熱效應是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要引爆源，本質安全技術通過限制電火花和熱效應這兩個可能的引爆源來實現防爆。在正常工作和故障狀態下，當儀表產生的電火花或熱效應的能量小于一定程度時，低度表不可能點燃爆炸性危險氣體而產生爆炸。它實際上是一種低功率設計技術。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。通常對于氫氣環境，也就是危險程度zui高、zui易爆的環境，必須將功率限制在1.3W以下。電工委員會(IEC)規定，在危險程度zui高的危險場所0區，只能采用Ex ia等級的本安防爆技術。因此，本質安全防爆技術是一種zui安全、zui可靠、適用范圍zui廣的防爆技術。本質安全型儀表設備按安全程度和使用場所不同，可分為Ex ia和Ex ib。Ex ia的防爆級別高于Ex ib。
　　 Ex i*本質安全儀表在正常工作狀態下以及電路中存在兩起故障時，電路元件不會發生燃爆。在ia型電路中，工作電流被限制在100mA以下，適用于0區、1區和2區。
　　 Ex ib級本質安全儀表在正常工作狀態下以及電路中存在一起故障時，電路元件不發生燃爆炸。在ib型電路中，工作電流被限制在150mA以下，適用于1區和2區。
 2.2  本質安全防爆技術的特點
 (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、重量輕和造價低等特點。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) 可在帶電情況下進行維護、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*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。
 可見，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技術上的突出特點。
 
3  本安防爆技術在過程自動化工程中的應用
 　　本質安全防爆系統由三部分組成:現場本質安全儀表、本質安全電纜及本質安全關聯設備。現場儀表包括各種安裝在危險場所的一次檢測儀表，以兩線制變送器為代表的本質安全點電纜帶有接地線，以耐久性的純藍色與其它電纜相區別;關聯設備包括齊納式安全柵、隔離式安全柵、其他形式的具有限流、限壓功能的保護裝置。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。
 　　典型系統回路圖如圖1所示。
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 圖1     典型系統回路
 　　系統回路以安全柵為界分為本質安全電路和非本質安全電路。從安全柵通過本質安全電纜連接到現場儀表所構成的電路為本質安全電路;從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本質安全電路。
 
4  本質安全的防爆認證
4.1  本安防爆是整體防爆的概念
 　　對構成系統的現場設備、安全柵必須經過國家*認證機構防爆認證，同時需要認證機構簽發的本安儀表和安全柵的聯合取證確認該本安回路的安全性。現場設備為簡單設備時無需本安認證，即可與已取得本安認證的安全柵配合構成本安防爆回路。簡單設備是指觸點開關、熱電偶、熱電阻、發光二極管以及橋路等，設備中不含儲能元件。
 4.2  本質安全回路防爆認證的原則
 現場本安設備，安全柵認證參數要匹配，匹配參數如表1所示。
 表1     安全柵認證匹配參數
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 其中:
 Uoc:zui高開路電壓在zui高允許電壓范圍內本安端開路時電壓zui大值;
 Isc:zui大短路電流在zui高允許電壓范圍內本安端短路時電流zui大值;
 Ca:允許分布電容保證本質安全性能情況下本安端zui大允許外接電容;
 La:允許分布電感保證本質安全性能情況下本安端zui大允許外接電感;
 Ui:zui高輸入電壓施加到本質安全現場儀表上，不會使本質安全性能失效的zui高電壓;
 Ii:zui高輸入電流 施加到本質安全現場儀表上，不會使本質安全性能失效的zui大電流;
 C:zui大內部電容現場本安儀表內總等效電容;
 Li:zui大內部電感現場本安儀表內總等效電感;
 Cc:本安電纜的分布電容;
 Lc:本安電纜的分布電感。 

 5  本質安全儀表及回路的特殊要求
 5.1  對接地的要求
　　 本質安全型儀表系統必須具有可靠的獨立接地。整個自動化儀表系統有四種類型的接地:本質安全型儀表系統接地、信號回路接地、屏蔽接地和保護接地。信號回路接地與屏蔽接地可共用一個單獨的接地極，本質安全儀表系統需獨立設置接地系統，與其它接地網相距5m以上，一般要求本質安全地的接地電阻小于1Q。其它兩種接地電阻按設計或規范要求一般在4Q以下。保護接地可接到電氣工程低壓電氣設備的保護接地網上。
 5.2  對連接電纜的要求
　　 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zui大允許分布電容(Ci):
 (Cc)=(Ck)×L
 電纜zui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。
 　　本質安全電纜是一種低電容、低電感的電纜、與其它電纜相比具有優異的屏蔽性能和抗干擾性能，適用于爆炸危險場所及其它防爆安全要求較高的場合。在使用中應注意以下幾點:
 (1) 本安線路內的接地線與屏蔽連接線要可靠絕緣。
 (2) 信號回路的接地點應在控制室側，當采用接地型熱電偶和檢測部分已接地的儀表時，控制室側不再接地。
 (3) 屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應在同一側接信號回路地。
 5.3  設備溫度等級
 　　設備溫度等級規定了設備表面的zui高允許溫度值，見表2。這主要基于技術和經濟上的考慮。在絕大部分情況下，有較低溫度等級的設備購買和安全方面費用較高。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。
 表2     溫度組別對照表
 
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 5.4  本安電氣設備的選用原則
 (1) 簡單設備。按照GB3836.4-2000防爆標準規定，對于電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A，其功率不超過25mW的電器設備可視為簡單設備，他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。此類設備可直接應用在現場。
 (2) 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:
 ●是否已按照DB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計并已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備。
 ●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。
 ●本安電路是否接地或接地部分的本按電路是否與安全柵接口部分的有電路加以有效隔離。
 ● 信號傳輸的方式及本安電氣設備的zui低工作電壓和回路正常工作電流。
 在明確以上問題的基礎上，選擇相對應的安全柵。
 (3) 安全柵的選用原則
 ● 安全柵的防爆標志等級必須不低于本安現場設備的防爆標志等級。
 ●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zui低工作電壓。
 ●安全柵的本安端安全參數能夠滿足Uoc≤Ui、Isc≤Ii、Ca≥Ci+Cc、La≥Li+Lc的要求。
 ●安全柵要與本安現場儀表的安全極性及信號傳輸方式相匹配。
 ●做好相應的保護工作，避免安全柵的漏電電流影響本安現場設備的正常工作。 
 
6  結束語
　　 雖然本安型儀表在儀表匹配、電纜的使用和接地等方面有許多特殊的要求，但隨著微電子技術、微處理器技術的迅速發展，工業自動化儀表已趨于低功耗、電子化、小型化發展，更加容易實現本質安全，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現代工業自動化控制系統中。