带你了解本安型防爆系统

带你了解本安型防爆系统
(一)、本安防爆技术
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。

1、本安防爆技术的基本原理
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，低度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。

2、本安防爆技术的特点
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。

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。

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区危险场所的防爆系统。

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。

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。

3、本质安全设备及关联设备
两种：本安电气设备和关联设备。

1)、本安电气设备
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。

一般本安电气设备：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。

简单电气设备：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。

2)、关联设备(安全栅)
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：
4、本安电气设备的分类
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
5、防爆标志
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。

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
（二）、本安电气设备防爆标志
现场本安设备具有本安性能的主要参数：
最高输入电压(Ui)
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)。

最大输入电流(Ii)
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流(交流峰值或直流)。

最大输入功率(Pi)
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。

最大内部等效电容(Ci)
通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。

最大内部等效电感(Li)
通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。

2、连接电缆
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。

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(Ci) (Cc)=(Ck)*L 电缆最大允许分布电感(Lc) (Lc)=(Lk)*L
式中Ck--电缆单位长度分布电容; Lk--电缆单位长度分布电感; L--实际配线长度
3、关联设备-安全栅
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。

安全栅本安性能的基本参数：
最高电压(交流有效值或直流Um)
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。

最高输出电压(Uo)
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)。

最大输入电流(Io)
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)。

最大输入功率(Po)
能从电气设备获得的本质安全电路最大功率。

最大外部电容(Co)
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。

最大外部电感(Lo)
可能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。

4、本安系统组合条件
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。

a)、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。

b)、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。

本安仪表及关联设备，按其使用场4所或相连场所的安全程度可分为ia和ib 二个级别。

ia级是指在正常工作、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。

ib级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。

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。

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，工作时是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部分。

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。

(三)、本安系统设计一般要求
1、本安系统配置设备选用原则
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Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo ≥Lc+Li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
简单设备：按照GB3836.4-2000防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，且其能量不超过20μJ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Li=0，内部等效电容Ci=0。

本安电气设备：安装于危险场所的现场设备，必须明确以下问题：
a)、是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000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。

2)、安全栅的选用原则
a)、安全栅的防爆标志等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Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo ≥Lc的要求。

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。

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第95页介绍。

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。

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Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式计算电缆的最大外部分布参数;
按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分别计算电缆长度，取两者中的小值作为实际配线长度L，但多芯电缆，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。

表一典型普通电缆线的分布参数
对安装在危险场所的本安设备，给出下列安全参数有Ui、Ii、Pi、Ci和Li。

对安装在安全场所的关联设备，给出下列安全全参数有Uo、Io、Po、Co和Lo。

然后对本安设备和关联设备分别设想两个独立的故障进行。

所谓安全参数额定值是仪表保持安全性能的最大额定值，以此额定值为基础，来评价本安设
备的本安性能。

当上述安全参数认可后，电缆分布参数可根据下列公式得出Cc ≤Co-Ci Lc≤Lo-Li
在参量认可方式中，通常应对本安设备和关联设备分别进行认可，标上各自编号的合格标签，以此构成的系统，两者的合格证编号是不同的。

参量认可的最大优点是使用者可以自由选配实现本安系统的组合，使用者只要掌握各自的安全参数的额定值，按照确保安全性能的选配条件，便可自行构成本安系统(见本安系统的组合条件)。

本安系统的认证无论采取上述何种方式，除考虑检成系统的三要素：本安现场仪表、连接电缆和关联设备之外，还应结合其结构特征、是否接地、二次仪表的阻抗等综合考虑。

目前，我国防爆检验机构主要采取的认可方式实质上仍为“系统认可”方式，即“联合取证”方式，并逐步向“参数认可”方向推进。

在进行关联设备检定认可时，在认可文件中给出了最高开路电压Uo、最大短路电流Io、最大允许外接电容Co和最大允许外接电感Lo四个参数。

而在进行本安设备检定认可时，在认可文件中又规定配套使用的关联设备的型号规格(可以是一个或多个)以及系统允许的电缆分布参数值，它在考核确认各自安全性能的基础上，加以考虑相互间的系统匹配而确定的本安系统配备，确保了整个系统的防爆安全性能。

该方式比较适合我国目前的国情，既限制了本安系统各组成部分的型号，又在一定范围内给出多种选择，但总的发展趋势是走“参量认可”道路。

特别是GB3836.4-2000标准的颁布，标志着我国已采纳“参量认可”方式。

空气开关又叫空气断路器，绝缘介质为空气。

是用手动(或电动)合闸，用锁扣保持合闸位置，由脱扣机构作用于跳闸并具有灭弧装置的低压开关，目前被广
泛用于500V以下的交、直流装置中，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等故障电流。

当电路内发生过负荷、短路、电压降低或消失时，能自动切断电路，进行可靠的保护。

断路器的动、静触头及触杆设计型式多样，但提高断路器的分断能力是主要目的。

目前，利用一定的触头结构，限制分断时短路电流峰值的限流原理，对提高断路器的分断能力有明显的作用，而被广泛采用。

挑选空气断路器的时候最重要的参数有三个，框架电流In max越大越好，额定极限短路分断能力Icu越大越好，额定运行短路分断能力Ics越接近Icu越好,目前市面上做的好的空气断路器基本上都是二者相等。

以下介绍空气开关的分类及选用原则：
1、空气开关的常见分类
(1)装置式断路器装置式断路器有绝缘塑料外壳，内装触点系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动(对大容量断路器而言)合闸。

有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，广泛用于配电线路。

目前常用的有DZ15、DZ20、DZX10和C45N(目前已升级为C65N)等系列产品。

其中C45N(C65N)断路器具有体积小，分断能力高、限流性能好、操作轻便，型号规格齐全、可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器的优点，广泛使用在60A及以下的民用照明支干线及支路中(多用于住宅用户的进线开关及商场照明支路开关)。

(2)框架式低压断路器框架式断路器一般容量较大，具有较高的短路分断能力和较高的动稳定性。

适用于交流50Hz，额定电流380V的配电网络中作为配电干线的主保护。

框架式断路器主要由触点系统、操作机构、过电流脱扣器、
分励脱扣器及欠压脱扣器、附件及框架等部分组成，全部组件进行绝缘后装于框架结构底座中。

目前我国常用的有DW15、ME、AE、AH等系列的框架式低压断路器。

DWl5系列断路器是我国自行研制生产的，全系列具有1000、1500、2500和4000A等几个型号。

ME、AE、AH等系列断路器是利用引进技术生产的。

它们的规格型号较为齐全(ME开关电流等级从630A～5000A共13个等级)，额定分断能力较DWl5更强，常用于低压配电干线的主保护。

(3)智能化断路器目前国内生产的智能化断路器有框架式和塑料外壳式两种。

框架式智能化断路器主要用于智能化自动配电系统中的主断路器，塑料外壳式智能化断路器主要用在配电网络中分配电能和作为线路及电源设备的控制与保护，亦可用作三相笼型异步电动机的控制。

智能化断路器的特征是采用了以微处理器或单片机为核心的智能控制器(智能脱扣器)，它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数(电流、电压、功率、功率因数等)，对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、可通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询，国内DW45、DW40、DW914(AH)、DWl8(AE-S)、DW48、DWl9(3WE)、DWl7(ME)等智能化框架断路器和智能化塑壳断路器，都配有ST系列智能控制器及配套附件，ST系列智能控制器是国家机械部“八五”至“九五”期间的重点项目。

产品性能指标达到国际90年代先进水平。

它采用积木式配套方案，可直接安装于断路器本体中，无需重复二次接线，并可多种方案任意组合。

2、空气开关的选用原则
(1)根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式--确定选用框架式、装置式或限流式等。

(2)断路器的额定电压UN应等于或大于被保护线路的额定电压。

(3)断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压。

(4)断路器的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流。

(5)断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值;
(6)配电线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交;
(7)断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。