本安系统与防爆认证

对于电压不超过 1.2V、电流不超过 0.1A,且其能量 不超过 20 μ J 或功率不超过 25mW 的电气设备可视 为简单设备,其中最常见的仪表设备有热电偶、热 电阻、pH 电极、应变片和开关等,它们的典型特点 是仪表设备的内部等效电感 = 0 , 内部等效电容
i
=0。
i
安装于危险场所的现场设备, 必须明确以下问题：
通过电气设备连接装置出现的电气设备总等 效内电感。
从系统布线工程角度考虑,由于连接电缆存在 分布电容和分布电感,使连接电缆成为储能元件。 它们在信号传输过程不可避免地存储能量,一旦当 线路出现开路或短路时,这些储能就会以电火花或 热效应的形式释放出来,影响系统的本安性能。因 此既要保证连接传输电缆不会受到外界电磁场干 扰影响及与其他回路混触,又要限制布线长度和感 应电动势所带来的附加非本安能量,依此来确定电 缆的允许分布电容和允许分布电感,世界各防爆检 验机构主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布 参数的方法。
因此，ib 级本安仪表的安全程度要比 ia 级仪 表差，它跟隔爆和增安等防爆型式的仪表一样只适 用于 1 区和 2 区危险场所。相应的，ib 级本安关联 设备可与 1 区和 2 区危险场所的本安仪表或设备相 连接。而 ia 级本安仪表可以用于危险等级最高的0 区危险场所；ia 级本安关联设备可与 0 区危险场所 的本安仪表或设备相连接。ia级本安设备是所有防 爆型式中安全程度最高的一种。
a) 是否已按照 GB3836.1-2000 和 GB3836.42000要求设计并已被国家防爆检验机构认可的本安 电气设备；
b) 防爆标志规定的等级是否适用于使用的危 险场所的安全要求；
c) 明确 Ui、Ii、Pi、Ci 和 Li 参数； d) 本安电路是否接地或接地部分的本安电路 是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离； e) 信号传输是以何种方式进行； f) 本安电气设备的最低工作电压及回路正常 工作电流。 在上述问题明确的基础上,选择与之对应的安 全栅。
安全栅本安性能的基本参数： ：
施加到关联设备非本质安全连接装置上,而不 会使本质安全性能失效的最高电压。
在开路条件下,在设备连接装置施加电达到最 高电压(包括 Um 和 Ui)时,可能出现的本质安全电 路的最高输出电压(交流峰值或直流)。
来自电气设备连接装置的本质安全电路的最 大电流(交流峰值或直流)。
③ 设备温度等级 设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度 值。这主要基于技术和经济上的考虑。在绝大部分 情况下，工作时具有较低温度等级的设备购买和安 全费用较高。通过比较，选用本安设备将更加有效 和经济。直接安装在危险场所的本安设备需
本安仪表的防爆标志跟其他防爆型式的防爆标 志一样，它实质上是仪表所适用的爆炸性危险场所 的代号。
② 关联设备、现场本安设备与连接电缆参数 之间要符合以下不等式。
本安系统由本安现场设备、关联设备(也称安 全栅) 和连接电缆三部分组成, 就本安防爆性能而 言，它们必须满足 o ≤ i、 o ≤ i、 o ≤ i、 o ≥
c+ i 和 o ≥ c+ i 四个条件。这些设备配置的选用 原则是：
① 本安电气设备的选用原则 按照 GB3836.4-2000防爆标准规定,
是指在正常工作、一个计数故障和两个计 数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。即ia 级仪表在最大考虑二个计数故障情况下也不致于产 生安全失效。
是指在正常工作和一个计数故障情况下 不能点燃爆炸性气体混合物。显然，ia 级仪表的安 全程度要比 ib 级仪表高， ib 级仪表仅考虑仪表产 生一个故障时不会产生安全失效，但若仪表出现第 二次计数故障时，就可能会产生安全失效。
现场本安设备具有本安性能的主要参数： 施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质 安全性能失效的最高电压(交流峰值或直流)。 施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质 安全性能失效的最大电流(交流峰值或直流)。 当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失 效时,可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最 大输入功率。
能从电气设备获得的本质安全电路最大功率。
可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本 质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。
可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本 质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。
为保证设备的安全正常使用,本安系统各配置 间必须满足以下条件。
① 现场本安设备的防爆标志级别不能高于安 全栅的防爆标志级别。
连接电缆本安性能的基本参数如下: 电缆最大允许分布电容 c= k 电缆最大允许分布电感 c= k × 式中 k-- 电缆单位长度分布电容;
-- 电缆单位长度分布电感;
K
-- 实际配线长度。
从控制室设备配置角度考虑,该部分电气回路 必须具备无论系统处于正常工作状态还是故障状 态,均能够将从安全场所的非本安回路传到危险场 所的本安设备的能量抑制在点火极限(最小点燃能 量)以下的保护功能。
本安系统是通过限制电气能量而实现电气防爆 的电路系统，且不限制使用场所(其中ia等级在0区、 I区和II区危险场所均适用)和爆炸性气体混合物的 种类(即包括所有可燃性气体),具有高度的安全性、 可维护性和经济性。构成一个本安系统的示意图：
从现场设备的储能元件角度考虑，使处于爆炸 性气体危险环境中的现场设备按照本安防爆要求设 计,对其中包含的电感和电容等储能元件回路采取相 应措施,并使其尽可能减少的同时,考虑回路元件的 功耗及温升问题,以保证该设备不论是正常工作还是 故障状态,均不会产生由火花和热源引起的点燃。即 现场设备必须是本安设备。
② 安全栅的选用原则
a) 安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现
场设备的防爆标志的等级。
b) 确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足
本安现场设备的最低工作电压。
c) 安全栅的本安端安全参数能够满足 o≤ i、
≤ 、 ≤ 、 ≥ 和 ≥ 的要求。
o
io
io
i
o
Baidu Nhomakorabea
i
d) 根据本安现场仪表的电源极性及信号传输
方式选择与之相匹配的安全栅。
③ 安全可靠性高。本安仪表不会因为紧固螺栓 的丢失或外壳结合面锈蚀、划伤等人为原因而降低 仪表的安全可靠性。
④ 由于本安防爆技术是一种“弱电”技术，因 此，本安仪表的使用可以避免现场工程技术人员的 触电伤亡事故的发生。
⑤ 适用范围广。本安技术是唯一可适用于0区 危险场所的防爆技术。
⑥ 对于象热电偶等简单设备，不需特别认证即 可接入本安防爆系统。
一种安装在安全场所，本安电气设备与非本安 电气设备之间相连的电气设备。
安全栅能将窜入到现场本安设备的能量限制 在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安 全。本安系统回路的示意图如下：
要考虑设备温度等级，而关联设备不需要进行设备 温度等级的划分。设备温度等级一定要小于使用在 该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引 起燃烧爆炸。
温度组别对照表
① 类别 基于国家标准GS3836.1《爆炸性气体环境用电 气设备 第 1 部分 通用要求》规定的电气设备分类 原则,本安仪表可分为两类： I 类：煤矿用本安仪表（mining industry） II 类：工厂用本安仪表（surface industry） II 类工厂用本安仪表，跟气体分组一样，可进 一步分为 A、B、C 三级。 ② 级别 本安仪表及关联设备，按其使用场所或相连场 所的安全程度可分为 ia 和 ib 二个级别。
e) 避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的
正常工作。
f) 安全栅有两大类，一类为齐纳式安全栅，另
一类为隔离式安全栅。
如何选用及两者优缺点在本节第四点“安全栅
选择”中介绍（第 115 页）。
③ 连接电缆的选用原则 用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的 连接电缆，其分布参数在一定程度上决定了本安系 统的合理性及使用范围,因此必须符合以下条件。 a)连接电缆规格 连接电缆为铜芯绞线,且每根芯线的截面积不 小于 0.5mm2。 介质强度应能承受 2 倍本安电路的额定电压, 但不低于 500V 的耐压试验。
电缆,应考虑相互叠加影响。
目前国内已有多家电缆生产厂生产专为本安
系统设计的本安用特殊电缆, 为方便比较选用, 下
面表 1 给出了典型普通连接电缆的分布参数,表 2
给出了典型国产本安用特殊电缆分布参数,以供参
考。
为了提高系统允许的电缆分布参数,可以通过提高 安全栅允许外接参数和降低本安设备内部等效参 数的方法来实现。
综上所述，对于自动化仪表而言，本安防爆技 术是一种比较理想的防爆技术，它也必将被广泛 应用于现场总线智能化仪表及其系统的设计。
在国家标准所规定的条件下（包括正常工作和 规定故障条件），产生的任何电火花和热效应尚不能 点燃规定的爆炸性气体环境的电气设备。它可用于 危险场所。
它可分为一般本安电气设备和简单电气设备。
① 不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又 笨重的隔爆外壳，因此，本安仪表具有结构简单、体 积小、重量轻和造价低的特点。据资料,建立一个本 安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为 1：4。
② 可在带电工况下进行维护、标定和更换仪 表的部分零件等。
根据制造商的技术条件，电气参数值均不超 过 1.2V,<0.1A,<25mW,<20uJ 的电气设备，它们无 需防爆认证。可以自由地配置在本安回路中。如： 电阻（包括可变电阻）、发光二极管、开关、热电偶、 热电阻、应变仪。
通常一个爆炸性危险场所需用三个参量来定 义。
① 危险场所区域 反映可能出现危险气体的频率或持续时间，亦 即产生爆炸的危险程度。 ② 危险性气体的种类，即气体组别 考虑可能出现的危险气体的点燃能量。 ③ 危险气体的引燃温度，即气体温度组别 考虑可能出现的危险气体的点燃温度。 相应地，本安仪表的防爆标志也必须在“Ex”防 爆标记后，依次表达出仪表可适用的区域、气体组 别和温度组别三个参量。
具有储能元件，是需要防爆认证的本安电气 设备，如变送器、接近开关等。
本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。 通常对于氢气（IIC）环境，必须将电路功率限制在 1.3W 左右。由此可见，本安技术能很好的适用于工 业自动化仪表。
与其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技术 可给工业自动化仪表带来以下技术和商务上的特 点：
本安防爆技术是目前唯一被标准化适合于0区 的技术。对于自动化仪表，最常用的防爆形式依次 是本安型、隔爆型和增安型。然而由于电子技术的 飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生，使本安防 爆技术的推广和应用有了更为广阔的空间。特别是 由于本质安全型（也称“本安型”）防爆形式与其他 防爆形式相比，不仅具有结构简单，适用范围广，而 且还具有易操作和维护方便等特点，因此这种抑制 点火源能量为防爆手段的本安防爆已为仪表制造商 和用户接受。
b)连接电缆长度的限制
在本安系统中,现场本安仪表和连接电缆同为
安全栅的负载, 当安全栅与现场本安仪表选定后,
也就决定了连接电缆的长度。其具体方法如下。
根据 c ≤ o- i 和 c ≤ o- i 公式计算电缆的 最大外部分布参数;
按照 = / 和 = / 公式分别计算电缆长
ck
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度,取两者中的小值作为实际配线长度 L,但多芯
① 对于提高安全栅允许外接参数,可以通过优 化分析,合理选择安全栅,尽量选择具有较低最高开 路电压和最大短路电流的安全栅来实现。
例如，防爆标志 ExiaIIBT4 表示本安设备可 适用于气体组别不高于 II 类 B 级，气体引燃温度 不低于 T4（135℃）的 0 区危险场所，
例如，防爆标志[Exia]IIB 表示安全栅可适用 于气体组别不高于 II 类 B 级的 0 区危险场所，
通过电气设备连接装置出现的电气设备总等 效内电容。
电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的 主要点燃源。本安就是通过限制电火花和热效应两 个可能的点燃源的能量来实现的。在正常工作和故 障状态下当仪表可能产生的电火花或热效应的能量 小于这个能量时，仪表不可能点燃爆炸性危险气体 而产生爆炸。原理是从限制能量入手，可靠地将电 路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保 证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障 情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可 能存在的危险气体的爆炸。