儀表本安防爆技術(shù)及其在化工現(xiàn)場的應用

　　1 引言

　　在許多化工工業(yè)過程中，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)裝置的財產(chǎn)安全，防爆技術(shù)已經(jīng)應用于各個行業(yè)及相關(guān)專業(yè)，形成一系列的行業(yè)、國家和國際標準，并隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。對于自動化儀表，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用。特別是由于本質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)安全防爆技術(shù)的原理與特點

　　2.1 本質(zhì)安全防爆技術(shù)的原理

　　本安防爆技術(shù)實際上是一種低功率設計技術(shù)。例如對于氫氣(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(zhì)安全技術(shù)通過限制電火花和熱效應這兩個可能的引爆源來實現(xiàn)防爆。在正常工作和故障狀態(tài)下，當儀表產(chǎn)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(chǎn)生爆炸。它實際上是一種低功率設計技術(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(huán)境，也就是危險程度最高、最易爆的環(huán)境，必須將功率限制在1.3W以下。國際電工委員會(IEC)規(guī)定，在危險程度最高的危險場所0區(qū)，只能采用Exia等級的本安防爆技術(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)安全型儀表設備按安全程度和使用場所不同，可分為Exia和Exib。Exia的防爆級別高于Exib。

　　Exia級本質(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，電路元件不會發(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，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

　　(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(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和造價低等特點。據(jù)資料，建立一個本安型和隔爆型開關(guān)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(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)危險場所的防爆系統(tǒng)。

　　(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(tǒng)。

　　可見，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)自動化儀表帶來技術(shù)上的突出特點。

　　3 本安防爆技術(shù)在過程自動化工程中的應用

　　本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由三部分組成：現(xiàn)場本質(zhì)安全儀表、本質(zhì)安全電纜及本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設備?，F(xiàn)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(zhì)安全點電纜帶有專用接地線，以耐久性的純藍色與其它電纜相區(qū)別；關(guān)聯(lián)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(xiàn)場本安設備的能量限制在安全值內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場設備、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。從安全柵通過本質(zhì)安全電纜連接到現(xiàn)場儀表所構(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)安全的防爆認證

　　4.1 本安防爆是整體防爆的概念

　　對構(gòu)成系統(tǒng)的現(xiàn)場設備、安全柵必須經(jīng)過國家授權(quán)認證機構(gòu)防爆認證，同時需要認證機構(gòu)簽發(fā)的本安儀表和安全柵的聯(lián)合取證確認該本安回路的安全性?，F(xiàn)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(gòu)成本安防爆回路。簡單設備是指觸點開關(guān)、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設備中不含儲能元件。

　　4.2 本質(zhì)安全回路防爆認證的原則

　　現(xiàn)場本安設備，安全柵認證參數(shù)要匹配，匹配參數(shù)如表1所示。

　　表1安全柵認證匹配參數(shù)

　　其中:

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

　　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)場儀表上，不會使本質(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)場儀表上，不會使本質(zhì)安全性能失效的最大電流;

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

　　Li:最大內(nèi)部電感現(xiàn)場本安儀表內(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 對接地的要求

　　本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨立接地。整個自動化儀表系統(tǒng)有四種類型的接地:本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)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(zhì)安全儀表系統(tǒng)需獨立設置接地系統(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計或規(guī)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(wǎng)上。

　　5.2 對連接電纜的要求

　　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(xiàn)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(tǒng)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(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—實際配線長度。

　　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(nèi)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(cè)，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(cè)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(cè)接信號回路地。

　　5.3 設備溫度等級

　　設備溫度等級規(guī)定了設備表面的最高允許溫度值，見表2。這主要基于技術(shù)和經(jīng)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(jīng)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(guān)聯(lián)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(huán)境中可燃物質(zhì)的點燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。

　　表2溫度組別對照表

　　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(guī)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(nèi)部等效電感Li=0,內(nèi)部等效電容Ci=0。此類設備可直接應用在現(xiàn)場。

　　(2)本安電氣設備。安裝于危險場所的現(xiàn)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(gòu)認可的本安電氣設備。

　　●防爆標志規(guī)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?shù)姆绞郊氨景搽姎庠O備的最低工作電壓和回路正常工作電流。

　　在明確以上問題的基礎(chǔ)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(xiàn)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(xiàn)場設備的最低工作電壓。

　　●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(xiàn)場設備的正常工作。

　　6 結(jié)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(shù)、微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化儀表已趨于低功耗、電子化、小型化發(fā)展，更加容易實現(xiàn)本質(zhì)安全，綜上所述，對于自動化儀表而言，本安防爆技術(shù)是一種比較理想的防爆技術(shù)，它也必將被廣泛應用于現(xiàn)場總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。