儀表本安防爆技術(shù)及其在化工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

　　1 引言

　　在許多化工工業(yè)過(guò)程中，需要處理一些易燃易爆的工藝介質(zhì)。為確保人員生命和生產(chǎn)裝置的財(cái)產(chǎn)安全，防爆技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)及相關(guān)專業(yè)，形成一系列的行業(yè)、國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。對(duì)于自動(dòng)化儀表，最常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。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，本安防爆技術(shù)的得到了更為廣闊的推廣和應(yīng)用。特別是由于本質(zhì)安全型(簡(jiǎn)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(jiǎn)單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此這種通過(guò)抑制點(diǎn)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(zhì)安全防爆技術(shù)的原理與特點(diǎn)

　　2.1 本質(zhì)安全防爆技術(shù)的原理

　　本安防爆技術(shù)實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。例如對(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(jiàn)，本安技術(shù)能很好的適用于工業(yè)自動(dòng)化儀表。

　　針對(duì)電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆炸的主要引爆源，本質(zhì)安全技術(shù)通過(guò)限制電火花和熱效應(yīng)這兩個(gè)可能的引爆源來(lái)實(shí)現(xiàn)防爆。在正常工作和故障狀態(tài)下，當(dāng)儀表產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于一定程度時(shí)，低度表不可能點(diǎn)燃爆炸性危險(xiǎn)氣體而產(chǎn)生爆炸。它實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。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?chē)赡艽嬖诘奈ｋU(xiǎn)氣體的爆炸。通常對(duì)于氫氣環(huán)境，也就是危險(xiǎn)程度最高、最易爆的環(huán)境，必須將功率限制在1.3W以下。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定，在危險(xiǎn)程度最高的危險(xiǎn)場(chǎng)所0區(qū)，只能采用Exia等級(jí)的本安防爆技術(shù)。因此，本質(zhì)安全防爆技術(shù)是一種最安全、最可靠、適用范圍最廣的防爆技術(shù)。本質(zhì)安全型儀表設(shè)備按安全程度和使用場(chǎng)所不同，可分為Exia和Exib。Exia的防爆級(jí)別高于Exib。

　　Exia級(jí)本質(zhì)安全儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在兩起故障時(shí)，電路元件不會(huì)發(fā)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(qū)、1區(qū)和2區(qū)。

　　Exib級(jí)本質(zhì)安全儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在一起故障時(shí)，電路元件不發(fā)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(qū)和2區(qū)。

　　2.2 本質(zhì)安全防爆技術(shù)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(jiǎn)單、體積小、重量輕和造價(jià)低等特點(diǎn)。據(jù)資料，建立一個(gè)本安型和隔爆型開(kāi)關(guān)傳輸回路的費(fèi)用之比約為1:4。

　　(2)可在帶電情況下進(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)于像熱電偶等簡(jiǎn)單設(shè)備，不需特別認(rèn)證即可接入本安防爆系統(tǒng)。

　　可見(jiàn)，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(lái)技術(shù)上的突出特點(diǎn)。

　　3 本安防爆技術(shù)在過(guò)程自動(dòng)化工程中的應(yīng)用

　　本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由三部分組成：現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全儀表、本質(zhì)安全電纜及本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)儀表包括各種安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所的一次檢測(cè)儀表，以兩線制變送器為代表的本質(zhì)安全點(diǎn)電纜帶有專用接地線，以耐久性的純藍(lán)色與其它電纜相區(qū)別；關(guān)聯(lián)設(shè)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(hù)裝置。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?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。

　　系統(tǒng)回路以安全柵為界分為本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路。從安全柵通過(guò)本質(zhì)安全電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表所構(gòu)成的電路為本質(zhì)安全電路;從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本質(zhì)安全電路。

　　4 本質(zhì)安全的防爆認(rèn)證

　　4.1 本安防爆是整體防爆的概念

　　對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、安全柵必須經(jīng)過(guò)國(guó)家授權(quán)認(rèn)證機(jī)構(gòu)防爆認(rèn)證，同時(shí)需要認(rèn)證機(jī)構(gòu)簽發(fā)的本安儀表和安全柵的聯(lián)合取證確認(rèn)該本安回路的安全性?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為簡(jiǎn)單設(shè)備時(shí)無(wú)需本安認(rèn)證，即可與已取得本安認(rèn)證的安全柵配合構(gòu)成本安防爆回路。簡(jiǎn)單設(shè)備是指觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設(shè)備中不含儲(chǔ)能元件。

　　4.2 本質(zhì)安全回路防爆認(rèn)證的原則

　　現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備，安全柵認(rèn)證參數(shù)要匹配，匹配參數(shù)如表1所示。

　　表1安全柵認(rèn)證匹配參數(shù)

　　其中:

　　Uoc:最高開(kāi)路電壓在最高允許電壓范圍內(nèi)本安端開(kāi)路時(shí)電壓最大值;

　　Isc:最大短路電流在最高允許電壓范圍內(nèi)本安端短路時(shí)電流最大值;

　　Ca:允許分布電容保證本質(zhì)安全性能情況下本安端最大允許外接電容;

　　La:允許分布電感保證本質(zhì)安全性能情況下本安端最大允許外接電感;

　　Ui:最高輸入電壓施加到本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)儀表上，不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓;

　　Ii:最高輸入電流施加到本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)儀表上，不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最大電流;

　　C:最大內(nèi)部電容現(xiàn)場(chǎng)本安儀表內(nèi)總等效電容;

　　Li:最大內(nèi)部電感現(xiàn)場(chǎng)本安儀表內(nèi)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(zhì)安全儀表及回路的特殊要求

　　5.1 對(duì)接地的要求

　　本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨(dú)立接地。整個(gè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)有四種類(lèi)型的接地:本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)接地、信號(hào)回路接地、屏蔽接地和保護(hù)接地。信號(hào)回路接地與屏蔽接地可共用一個(gè)單獨(dú)的接地極，本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)需獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，與其它接地網(wǎng)相距5m以上，一般要求本質(zhì)安全地的接地電阻小于1Q。其它兩種接地電阻按設(shè)計(jì)或規(guī)范要求一般在4Q以下。保護(hù)接地可接到電氣工程低壓電氣設(shè)備的保護(hù)接地網(wǎng)上。

　　5.2 對(duì)連接電纜的要求

　　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(guò)程不可避免地存儲(chǔ)能量，一旦當(dāng)線路出現(xiàn)開(kāi)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(lái)，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(zhǎng)度和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所帶來(lái)的附加非本安能量，依此來(lái)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(zhǎng)度分布電容;

　　Lk—電纜單位長(zhǎng)度分布電感;

　　L—實(shí)際配線長(zhǎng)度。

　　本質(zhì)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(yōu)異的屏蔽性能和抗干擾性能，適用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所及其它防爆安全要求較高的場(chǎng)合。在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

　　(1)本安線路內(nèi)的接地線與屏蔽連接線要可靠絕緣。

　　(2)信號(hào)回路的接地點(diǎn)應(yīng)在控制室側(cè)，當(dāng)采用接地型熱電偶和檢測(cè)部分已接地的儀表時(shí)，控制室側(cè)不再接地。

　　(3)屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應(yīng)在同一側(cè)接信號(hào)回路地。

　　5.3 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，見(jiàn)表2。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，有較低溫度等級(jí)的設(shè)備購(gòu)買(mǎi)和安全方面費(fèi)用較高。通過(guò)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。

　　表2溫度組別對(duì)照表

　　5.4 本安電氣設(shè)備的選用原則

　　(1)簡(jiǎn)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(guò)1.2V、電流不超過(guò)0.1A，其功率不超過(guò)25mW的電器設(shè)備可視為簡(jiǎn)單設(shè)備，他們的典型特點(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。此類(lèi)設(shè)備可直接應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)。

　　(2)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(wèn)題:

　　●是否已按照DB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設(shè)計(jì)并已被國(guó)家防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的本安電氣設(shè)備。

　　●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。

　　●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(hào)傳輸?shù)姆绞郊氨景搽姎庠O(shè)備的最低工作電壓和回路正常工作電流。

　　在明確以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上，選擇相對(duì)應(yīng)的安全柵。

　　(3)安全柵的選用原則

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

　　●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。

　　●安全柵的本安端安全參數(shù)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(xiàn)場(chǎng)儀表的安全極性及信號(hào)傳輸方式相匹配。

　　●做好相應(yīng)的保護(hù)工作，避免安全柵的漏電電流影響本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常工作。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　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(shù)、微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化儀表已趨于低功耗、電子化、小型化發(fā)展，更加容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，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)總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。