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一、本安防爆技術(shù)

本安防爆技術(shù)是目前唯一被標(biāo)準(zhǔn)化適合于0區(qū)的技術(shù)。對(duì)于自動(dòng)化儀表，最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(shù)的飛速發(fā)展和低功耗電子器件的不斷誕生，使本安防爆技術(shù)的推廣和應(yīng)用了更為廣闊的空間。特別是由于本質(zhì)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(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此這種抑制點(diǎn)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(shù)的基本原理

電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆炸的主要點(diǎn)燃源。本安就是通過限制電火花和熱效應(yīng)兩個(gè)可能的點(diǎn)燃源的能量來實(shí)現(xiàn)的。在正常工作和故障狀態(tài)下當(dāng)儀表可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于這個(gè)能量時(shí)，低度表不可能點(diǎn)燃爆炸性危險(xiǎn)氣體而產(chǎn)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(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證儀表在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不致于引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。

2、本安防爆技術(shù)的特點(diǎn)

本安防爆技術(shù)實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。通常對(duì)于氫氣(ⅡC)環(huán)境，必須將電路功率限制在1.3W左右。由此可見，本安技術(shù)能很好的適用于工業(yè)自動(dòng)化儀表。

與其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技術(shù)可給工業(yè)自動(dòng)化儀表帶來以下技術(shù)和商務(wù)上的特點(diǎn)。

1)、不需要設(shè)計(jì)制造工藝復(fù)雜、體積龐大且又笨重的隔爆外殼，因此，本安儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和造價(jià)低的特點(diǎn)。據(jù)資料，建立一個(gè)本安型和隔爆型開關(guān)傳輸回路的費(fèi)用之比約為1：4.

2)、可在帶電工況下進(jìn)行維護(hù)、標(biāo)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(huì)因?yàn)榫o固螺栓的丟失或外殼結(jié)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(shù)是一種“弱電”技術(shù)，因此，本安儀表的使用可以避免現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的觸電傷亡事故的發(fā)生。

5)、適用范圍廣。本安技術(shù)是唯一可適用于0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的防爆系統(tǒng)。

6)對(duì)于象熱電偶等簡單設(shè)備，不需特別認(rèn)證即可接入本安防爆系統(tǒng)。

綜上所述，對(duì)于自動(dòng)化儀表而言，本安防爆技術(shù)是一種比較理想的防爆技術(shù)，它也必將被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3、本質(zhì)安全設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備

兩種：本安電氣設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備。

1)、本安電氣設(shè)備

在國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的條件下(包括正常工作和規(guī)定故障條件)，產(chǎn)生的任何電火花和熱效應(yīng)尚不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電氣設(shè)備。它可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所。

它可分為一般本安電氣設(shè)備和簡單電氣設(shè)備。

一般本安電氣設(shè)備：具有儲(chǔ)能元件，是需要防爆認(rèn)證的本安電氣設(shè)備，如變送器、接近開關(guān)等。

簡單電氣設(shè)備：根據(jù)制造商的技術(shù)條件，電氣參數(shù)值均不超過1.2V，

<0.1A,<25mW，<20uJ的電氣設(shè)備，它們無需防爆認(rèn)證?？梢宰杂傻嘏渲迷诒景不芈分小Ｈ纾弘娮?包括可變電阻)、發(fā)光二極管、開關(guān)、熱電偶、熱電阻、應(yīng)變儀。

2)、關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)

一種安裝在安全場(chǎng)所，本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間相連的電氣設(shè)備。

安全柵能將竄入到現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的能量限制在安全值內(nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。本安系統(tǒng)回路的示意圖如下：

4、本安電氣設(shè)備的分類

1)、類別

基于國家標(biāo)準(zhǔn)GS3836.1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分通用要求》規(guī)定的電氣設(shè)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(jìn)一步分為A、B、C三級(jí)。

2)、級(jí)別

5、防爆標(biāo)志

本安儀表的防爆標(biāo)志跟其他防爆型式的防爆標(biāo)志一樣，它實(shí)質(zhì)上是儀表所適用的爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的代號(hào)。

通常一個(gè)爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所需用三個(gè)參量來定義。

1)、危險(xiǎn)場(chǎng)所區(qū)域

反映可能出現(xiàn)危險(xiǎn)氣體的頻率或持續(xù)時(shí)間，亦即產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)程度。

2)、危險(xiǎn)性氣體的種類，即氣體組別考慮可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)燃能量。

3)、危險(xiǎn)氣體的引燃溫度，即氣體溫度組別考慮可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)燃溫度。

相應(yīng)地，本安儀表的防爆標(biāo)志也必須在“Ex”防爆標(biāo)記后，依次表達(dá)出儀表可適用的區(qū)域、氣體組別和溫度組別三個(gè)參量。

二、本安電氣設(shè)備防爆標(biāo)志

現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備具有本安性能的主要參數(shù)：

最高輸入電壓(Ui)

施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)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(zhì)安全電路連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)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(dāng)電氣設(shè)備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時(shí)，可能在電氣設(shè)備內(nèi)部消耗的本質(zhì)安全電路的最大輸入功率。

最大內(nèi)部等效電容(Ci)

通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電容。

最大內(nèi)部等效電感(Li)

通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電感。

2、連接電纜

從系統(tǒng)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(chǔ)能元件。它們?cè)谛盘?hào)傳輸過程不可避免地存儲(chǔ)能量，一旦當(dāng)線路出現(xiàn)開路或短路時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，影響系統(tǒng)的本安性能。

因此既要保證連接傳輸電纜不會(huì)受到外界電磁場(chǎng)干擾影響及與其他回路混觸，又要限制布線長度和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yàn)機(jī)構(gòu)主要采取以集中參數(shù)的方式考慮電纜分布參數(shù)的方法。

連接電纜本安性能的基本參數(shù)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(shí)際配線長度

3、關(guān)聯(lián)設(shè)備-安全柵

從控制室設(shè)備配置角度考慮，該部分電氣回路必須具備無論系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)還是故障狀態(tài)，均能夠?qū)陌踩珗?chǎng)所的非本安回路傳到危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備的能量抑制在點(diǎn)火極限(最小點(diǎn)燃能量)以下的保護(hù)功能。

安全柵本安性能的基本參數(shù)：

最高電壓(交流有效值或直流Um)

施加到關(guān)聯(lián)設(shè)備非本質(zhì)安全連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓。

最高輸出電壓(Uo)

在開路條件下，在設(shè)備連接裝置施加電達(dá)到最高電壓(包括Um和Ui)時(shí)，可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路的最高輸出電壓(交流峰值或直流)。

最大輸入電流(Io)

來自電氣設(shè)備連接裝置的本質(zhì)安全電路的最大電流(交流峰值或直流)。

最大輸入功率(Po)

能從電氣設(shè)備獲得的本質(zhì)安全電路最大功率。

最大外部電容(Co)

可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的最大電容。

最大外部電感(Lo)

可能連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的最大電感。

4、本安系統(tǒng)組合條件

為保證設(shè)備的安全正常使用，本安系統(tǒng)各配置間必須滿足以下條件。

a)、現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的防爆標(biāo)志級(jí)別不能高于安全柵的防爆標(biāo)志級(jí)別。

b)、關(guān)聯(lián)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備與連接電纜參數(shù)之間要符合以下不等式。

本安儀表及關(guān)聯(lián)設(shè)備，按其使用場(chǎng)所或相連場(chǎng)所的安全程度可分為ia和ib二個(gè)級(jí)別。

ia級(jí)是指在正常工作、一個(gè)計(jì)數(shù)故障和兩個(gè)計(jì)數(shù)故障情況下均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。即ia級(jí)儀表在最大考慮二個(gè)計(jì)數(shù)故障情況下也不致于產(chǎn)生安全失效。

ib級(jí)是指在正常工作和一個(gè)計(jì)數(shù)故障情況下不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。顯然，ia級(jí)儀表的安全程度要比ib級(jí)儀表高，ib 級(jí)儀表僅考慮儀表產(chǎn)生一個(gè)故障時(shí)不會(huì)產(chǎn)生安全失效，但若儀表出現(xiàn)第二次計(jì)數(shù)故障時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生安全失效。

因此，ib級(jí)本安儀表的安全程度要比ia級(jí)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(qū)和2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。相應(yīng)的，ib級(jí)本安關(guān)聯(lián)設(shè)備可與1區(qū)和2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安儀表或設(shè)備相連接。而ia級(jí)本安儀表可以用于危險(xiǎn)等級(jí)最高的0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所;ia級(jí)本安關(guān)聯(lián)設(shè)備可與0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安儀表或設(shè)備相連接。ia級(jí)本安設(shè)備是所有防爆型式中安全程度最高的一種。

3)、設(shè)備溫度等級(jí)

設(shè)備溫度等級(jí)規(guī)定了設(shè)備表面的最高允許溫度值。這主要基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的考慮。在絕大部分情況下，工作時(shí)是有較低溫度等級(jí)的設(shè)備購買和安全費(fèi)用較高。通過比較，選用本安設(shè)備將更加有效和經(jīng)濟(jì)。直接安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備需要考慮設(shè)備溫度等級(jí)，而關(guān)聯(lián)設(shè)備不需要進(jìn)行設(shè)備溫度等級(jí)的部分。設(shè)備溫度等級(jí)一定要小于使用在該危險(xiǎn)場(chǎng)所環(huán)境中可燃物質(zhì)的點(diǎn)燃溫度，否則會(huì)引起燃燒爆炸。

三、本安系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般要求

1、本安系統(tǒng)配置設(shè)備選用原則

本安系統(tǒng)由本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)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(gè)條件。這些設(shè)備配置的選用原則是：

1)、本安電氣設(shè)備的選用原則

簡單設(shè)備：按照GB3836.4-2000防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)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(shè)備可視為簡單設(shè)備，其中最常見的儀表設(shè)備有熱電偶、熱電阻、pH電極、應(yīng)變片和開關(guān)等，它們的典型特點(diǎn)是儀表設(shè)備的內(nèi)部等效電感Li=0，內(nèi)部等效電容Ci=0。

本安電氣設(shè)備：安裝于危險(xiǎn)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，必須明確以下問題：

a)、是否已按照GB3836.1-2021和GB3836.4-2021要求設(shè)計(jì)并已被國家防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的本安電氣設(shè)備;

b)、防爆標(biāo)志規(guī)定的等級(jí)是否適用于使用的危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全要求;

c)、明確Ui、Ii、Pi、Ci、和Li參數(shù);

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(hào)傳輸是以何種方式進(jìn)行;

f)、本安電氣設(shè)備的最低工作電壓及回路正常工作電流。

在上述問題明確的基礎(chǔ)上，選擇與之對(duì)應(yīng)的安全柵。

2)、安全柵的選用原則

a)、安全柵的防爆標(biāo)志等必須不低于本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆標(biāo)志的等級(jí)。

b)、確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的最低工作電壓。c)、安全柵的本安端安全參數(shù)能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo≥Lc的要求。

d)、根據(jù)本安現(xiàn)場(chǎng)儀表的電源極性及信號(hào)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(tǒng)中連接本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與安全柵的連接電纜，其分布參數(shù)在一定程度上決定了本安系統(tǒng)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(guī)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(zhì)強(qiáng)度應(yīng)能承受2倍本安電路的額定電壓，但不低于500V的耐壓試驗(yàn)。

b)、連接電纜長度的限制

在本安系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)本安儀表和連接電纜同為安全柵的負(fù)載，當(dāng)安全柵與現(xiàn)場(chǎng)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(jù)Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式計(jì)算電纜的最大外部分布參數(shù);

按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分別計(jì)算電纜長度，取兩者中的小值作為實(shí)際配線長度L，但多芯電纜，應(yīng)考慮相互疊加影響。

目前國內(nèi)已有多家電纜生產(chǎn)廠生產(chǎn)專為本安系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)，表2給出了典型國產(chǎn)本安用特殊電纜分布參數(shù)，以供參考。

對(duì)安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備，給出下列安全參數(shù)有Ui、Ii、Pi、Ci和Li。

對(duì)安裝在安全場(chǎng)所的關(guān)聯(lián)設(shè)備，給出下列安全全參數(shù)有Uo、Io、Po、Co和Lo。然后對(duì)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備分別設(shè)想兩個(gè)獨(dú)立的故障進(jìn)行。所謂安全參數(shù)額定值是儀表保持安全性能的最大額定值，以此額定值為基礎(chǔ)，來評(píng)價(jià)本安設(shè)備的本安性能。當(dāng)上述安全參數(shù)認(rèn)可后，電纜分布參數(shù)可根據(jù)下列公式得出 Cc≤Co-Ci Lc≤Lo-Li

在參量認(rèn)可方式中，通常應(yīng)對(duì)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備分別進(jìn)行認(rèn)可，標(biāo)上各自編號(hào)的合格標(biāo)簽，以此構(gòu)成的系統(tǒng)，兩者的合格證編號(hào)是不同的。

參量認(rèn)可的最大優(yōu)點(diǎn)是使用者可以自由選配實(shí)現(xiàn)本安系統(tǒng)的組合，使用者只要掌握各自的安全參數(shù)的額定值，按照確保安全性能的選配條件，便可自行構(gòu)成本安系統(tǒng)(見本安系統(tǒng)的組合條件)。

本安系統(tǒng)的認(rèn)證無論采取上述何種方式，除考慮檢成系統(tǒng)的三要素：本安現(xiàn)場(chǎng)儀表、連接電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備之外，還應(yīng)結(jié)合其結(jié)構(gòu)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(yàn)機(jī)構(gòu)主要采取的認(rèn)可方式實(shí)質(zhì)上仍為“系統(tǒng)認(rèn)可”方式，即“聯(lián)合取證”方式，并逐步向“參數(shù)認(rèn)可”方向推進(jìn)。在進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)備檢定認(rèn)可時(shí)，在認(rèn)可文件中給出了最高開路電壓Uo、最大短路電流Io、最大允許外接電容Co和最大允許外接電感Lo四個(gè)參數(shù)。而在進(jìn)行本安設(shè)備檢定認(rèn)可時(shí)，在認(rèn)可文件中又規(guī)定配套使用的關(guān)聯(lián)設(shè)備的型號(hào)規(guī)格(可以是一個(gè)或多個(gè))以及系統(tǒng)允許的電纜分布參數(shù)值，它在考核確認(rèn)各自安全性能的基礎(chǔ)上，加以考慮相互間的系統(tǒng)匹配而確定的本安系統(tǒng)配備，確保了整個(gè)系統(tǒng)的防爆安全性能。

該方式比較適合我國目前的國情，既限制了本安系統(tǒng)各組成部分的型號(hào)，又在一定范圍內(nèi)給出多種選擇，但總的發(fā)展趨勢(shì)是走“參量認(rèn)可”道路。