仪表防爆技术概述及应用(看完)

仪表防爆技术概述及应用
摘要：近年来石油化工、化纤等工业发展迅速，工厂及装臵的大型化、生产的连续化，致使对仪表设备的电气防爆提出更高的要求。

在石油化工工程建设过程中，如何使仪表安装达到电气防爆要求，本文将通过对仪表几种防爆形式（隔爆、正压及本质安全等）的比较分析，来着重阐述仪表防爆的原理，进一步剖析仪表施工中存在的防爆问题，以引起大家的注意。

关键词：仪表防爆防爆技术正压隔爆本质安全工程
1引言
国际上对电气设备防爆安全技术的研究，最早起源于煤炭的开发，随着现代石油、化学等工业的迅猛发展，也带动了仪表电气防爆技术的进步。

经过科学技术工作者的数十年研究，现在仪表电气防爆技术已较为成熟。

特别是在石油化工行业，仪表电气防爆技术得到了较好的应用。

我们在炼化公司多年的工程建设中，虽然在仪表工程设计、施工管理方面积累了许多宝贵的经验，但对仪表电气防爆技术的应用还存在着不少误区，对它的掌握也有一个渐进的过程，从不成熟到成熟，在经验积累中得到提高。

本文从爆炸原理着手对仪表的电气防爆技术作一个全面的分析与探讨，然后结合工程具体例子，剖析仪表施工中存在的防爆问题，寻求解决的方法，使得我们在今后的工程建设中仪表设计及施工能够符合防爆要求。

2仪表防爆原理
2.1爆炸三要素
首先我们来了解一下产生爆炸的三个必需具备的条件：
（1）现场存在易燃易爆物质,如易爆气体;
（2）现场存在助燃物质氧气;
（3）现场存在引爆源,如足够能量的火花或足够高的物体表面温度。

当上述三个条件同时满足时,爆炸就会发生；反过来说，当三者不同时存在就不能发生爆炸。

2.2仪表防爆措施
从爆炸三要素中我们知道，只要消除上述三个条件中的任何一个，就能达到防爆目的。

由于氧气无处不在，一般难以控制，因此，控制易燃易爆气体和引爆源就作为两个我们最常采用的防爆措施，第三个防爆措施为控制爆炸范围。

（1）采取控制易燃易爆气体防爆措施的典型代表为正压型防爆方法
（2）采取控制爆炸范围防爆措施的典型代表为隔爆型防爆方法Ex d。

工作原理是为仪表设计一个足够坚固的壳体，并严格地按标准设计、制造和安装所有的界面，使壳体内发生的爆炸不至于引发壳体外危险性气体的爆炸。

这种防爆方法很苛刻，对安装、接线和维修的要求非常严格。

（3）采取控制引爆源防爆措施的典型代表为本质安全防爆方法Ex i。

工作原理是利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内。

依照国家有关标准，当安全栅安全区一侧所接仪表设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法确保现场的防爆安全，允许对现场仪表进行带电拆装、检查和维修。

3 仪表设备的防爆型式
3.1 爆炸性危险场所的分级
爆炸性气体混合物危险场所，按其危险程度的大小分为三个区域等级。

在工程设计中一般由电气专业汇同工艺专业根据现场条件划分爆炸危险区域为0区、1区、2区。

自控设计人员则根据已划分的不同区域及生产过程可能出现的爆炸性气体混合物的分级、分组情况来确定仪表的防爆型式。

（1）0级区域(简称0区)
在正常情况下，爆炸性气体混合物，连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所；
（2）1级区域(简称１区)
在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所；
（3）2级区域(简称2区)
在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。

爆炸性危险区域的划分，具体落实到生产厂区的某一位臵出现爆炸的危险程度是与该位臵出现爆炸性气体环境的可能性大小（或然率）有关，而出现爆炸性气体环境的可能性与设备的状况、设备中可燃性物质的性质、现场设备的结构以及通风状态有直接关系。

通过对可能出现爆炸性气体环境场所进行分区，可以帮助我们正确地选择、安装和安全使用仪表设备，保证人员、生产和设备的安全。

3.2 爆炸性物质的分类、分级与分组
各种防爆方法均根据爆炸性混合物的危险性规定了具体的防爆安
全参数。

本文着重介绍对气态爆炸性混合物危险性的评价和分类。

（1）爆炸性物质的分类
爆炸性物质分为三类： Ⅰ类：矿井甲烷；
Ⅱ类: 爆炸性气体、蒸汽；
（3）根据气体对物质表面温度的敏感性
,将爆炸性气体分成六个温度组别见表二：
3.3 仪表设备的常用防爆型式及适用范围
(1) 根据国家有关标准,各等级的危险场所仪表设备所适用的电气防爆型式如下：
① ０区：Ex ia 本质安全型
Ex s 特殊防爆型
②１区：适用于０区的防爆型式
Ex ib 本质安全型
Ex p 正压型
Ex d 隔爆型
Ex e 增安型
Ex m 浇封型
Ex q 充砂型
Ex o 充油型
③２区：适用于０区和１区的防爆型式
Ex n 无火花型
(2) 仪表防爆标志见表三：
仪表防爆标志具体表示形式如图一：
ia ⅡC T6
温度组别
气体类别（级别）
本安结构
图一仪表防爆标志表示形式
4 防爆仪表设备
为了使现场仪表系统满足石油、化工等工业的应用要求，我们必须对系统中各相关仪表设备采取适当的防爆技术措施，每一种防爆技术措
施都有各自的特点和适用范围。

下面针对在设计、施工和生产过程中应用较多的几种仪表防爆型式：正压型、隔爆型、及本质安全型等，来简单阐述它们的防爆原理、防爆措施及在安装使用中应注意的问题：
4.1 正压型防爆仪表
（1）防爆原理
正压型仪表设备在启动和运行时，仪表壳体内部的保护性气体压力高于仪表外部的气压，从而限制了周围爆炸性气体混合物进入仪表的内部。

把仪表可能产生火花、电弧和危险温度的所有部件全部放臵在这种正压仪表外壳保护之内，使其不可能与周围含有爆炸性气体混合物接触，从而达到安全运行目的。

（2）防爆措施
根据正压型仪表的防爆原理，正压型仪表有以下几种防爆措施：
①壳体要严格密封，防止泄漏，确保壳体内正压；
②需安装时间继电器，其整定的时间保证开机前用5倍仪表外壳净容积的风量进行充分吹扫，彻底清除爆炸性气体，并且应有联锁装臵；
③需安装风压继电器，保持仪表内部压力始终比仪表外大气压力正压50Pa，风压继电器应安装在仪表风压最低的出口处，也应有联锁装臵，当正压小于50Pa时，应切断电源；
④仪表外壳表面及出风口的气体温度不得超过所处环境爆炸气体的组别温度；
⑤必须有新鲜风源或取自距危险场所较远的空气，以保证气源不含爆炸危险物质。

正压型防爆结构在自控设计中一般很少应用，只有在仪表必须安装在防爆区内，而又没有防爆仪表可选用时才不得以采用正压防爆仪表。

4.2 隔爆型防爆仪表
（1）防爆原理
把能产生火花、电弧和危险温度的零部件都放在与周围爆炸性气体混合物隔开的级别相适应的仪表隔爆外壳内，由于隔爆外壳的间隙存在，仪表内允许存在爆炸性气体混合物。

当仪表内部的火花、电弧或危险温度点燃仪表内部爆炸性气体混合物时不会引起仪表外爆炸性气体混合物爆炸。

（2）防爆措施
由仪表隔爆外壳的防爆原理，我们可以看出，隔爆外壳承担着两项任务，一是在仪表内部发生爆炸时不能损坏及变形；二是不能将仪表内部的爆炸扩散到仪表外，由此得出隔爆型仪表的隔爆措施：
①仪表外壳有足够的强度
由于隔爆外壳有法兰结合间隙,仪表内部是允许存在爆炸性气体混合物的,当仪表内部发生爆炸时,火焰波就以点燃源为中心向四周快速扩散,爆炸产生的冲击能量在极短的时间内作用在仪表外壳上.外壳的强度即外壳承受爆炸产生的冲击压力能力,正常情况下，爆炸性混合物的爆炸压力一般不超过 1.0MPa，故要求仪表外壳的强度要达到这一要求，并应留有一定的余量。

②仪表外壳的隔爆性能
仪表外壳的隔爆性能也即不传爆性,是由外壳的法兰接合面又称隔爆面来实现的,它是隔爆型仪表的基本性能。

由于任何一个仪表产品都有外壳,要达到既能满足功能要求又能满足防爆要求,必须对外壳的所有窗、壁、门、盖、引入装臵等采取隔爆措施。

研究表明隔爆面有两大作用：一由于隔爆面有一定的长度（路径），当仪表内火焰通过这些路径时，金属良好的热传导作用使火焰温度显著降低，直至熄灭；二由于隔爆面具有一定的间隙值，由于间隙的存在，仪表内部火焰燃烧爆炸产生的巨大爆炸压力迅速释放，火焰传播速度降低，避免外壳爆裂。

4.3 本质安全型防爆仪表
（1）防爆原理
本质安全电路“ i ”，是指在正常工作和规定的故障条件下所产生的任何电火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。

试验表明，每种爆炸性气体环境都有最小点燃能量，当小于这个能量时，将不能引起点燃。

本质安全电路从限制电路中能量入手，采用各种方式使电路中的电压、电流及电气参数在一个允许的范围内，这时尽管产生了电火花也是一种安全火花，也不会点燃爆炸性气体，而不能形成引爆源。

（2）防爆措施
从本质安全电路的定义及防爆原理可知，本质安全电路是通过适当选择电路参数、限制电路能量达到防爆的目的，电路的参数包括电压、电流、电阻、电容和电感。

电路的工作过程，就是能量消耗、储存、释放及变换的过程，正常情况下，火花只能在某些接点（如开关、继电器的触点）产生，而在故障状态下情况就比较复杂，可能是电路的开路、短路或两者在不同部位同时发生，当这些故障出现后，电流将发生变化，特别在短路或接地时，往往由于电流过大引起导线发热产生高温使元件损坏，成为点燃源。

为此必须对电路参数进行正确选择，限制电路能量。

构成本安防爆系统模式如图二：
图二本安防爆系统构成模式
从本安防爆系统构成图看出，本安防爆必须做到系统防爆，它由三部分组成：现场仪表（本安仪表）、连接电缆、本安关联设备。

现场仪表包括各种一次检测仪表，连接电缆包括电源电缆、信号电缆、控制电缆等，关联设备包括齐纳式安全栅、变压器隔离式安全栅、其他形式的安全栅及具有限流、限压功能的保护装臵等。

本安型仪表设备按安全程度和使用场所不同，可分为Ex ia 和Ex ib。

Ex ia安全程度高于Ex ib。

① Ex ia级本安仪表在正常工作、发生两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。

在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下，适用于0区和1区。

② Ex ib级本安仪表在正常工作、发生一个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。

在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下，仅适用于1区。

（3）关联设备与安全栅
本安关联设备指内部装有本质安全电路和非本质安全电路，且结构使非本质安全电路不能对本质安全电路产生不利影响的电气设备。

关联设备在危险场所安装使用时，应加其它防爆型式外壳保护，如隔爆型、正压型等；在安全场所安装使用时，其外壳选用一般型。

安全栅是关联设备之一，在系统回路中，接在本安型和非本安型电路之间，被用来保护处于危险场所的现场仪表。

当非本安型侧电路出现
故障时，它能将出现的高电压、大电流所带来的危险能量限制在本安仪表之外。

安全栅的基本限能原理和基本限能电路如图三：
R F
图三安全栅基本限能电路
①保险丝F：防止齐纳管被长时间流过的大电流烧断。

②齐纳管Z：用于限制回路电压在安全限压值以下。

③电阻R：用于限制回路电流在安全值以下。

（4）安全栅类型
①齐纳式安全栅
齐纳式安全栅必须安装在安全区，并可靠接地，用来防止在危险区存在过高的对地电势和产生过大的地电流。

②隔离式安全栅
隔离式安全栅的基本限能原理与齐纳栅相似。

二者的区别在于隔离栅运用可靠的变压器隔离技术，在采用快速切断、限流、限压等措施基础上，实现了在现场危险区一侧电路（含基本限能电路）与系统安全区一侧电路之间电流的完全隔离,包括电源、输入信号与输出信号的完全隔离。

增强了系统的抗干扰能力，提高了系统正常运行的可靠性。

由于隔离作用使现场危险区与控制室安全区之间没有地电流通路，所以隔离栅无须接地。

③总线制隔离栅
总线制隔离栅是为适应控制系统向总线制方向发展近年来开发出来的安全栅新品种。

其最主要的应用特性是在完成常规隔离栅功能的同时将非总线制的现场仪表挂上系统总线。

（5）本安防爆认证
本质安全防爆回路，总是由一个本安现场仪表和作为回路限能关联设备的安全栅配合组成。

当现场仪表所产生或储存的电能量不超过1.2V 、0.1mA 、20 J和25mW时，被称为简单仪表。

简单仪表无须本安认证即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。

常见的简单仪表有：
①温度信号输入：热电偶和热电阻；
②开关信号输入：干接点，如压力开关、行程开关、按钮等；
③开关信号输出：LED等。

若非简单仪表而采用本安防爆法，则必须取得本安防爆认证，并与同样取得本安防爆认证的安全栅配合构成本安防爆回路。

本安防爆认证分“系统认证”及“参量认证”两种。

“系统认证”为我国现阶段推行的本安防爆认证技术，是指对本安现场设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认证。

这种组合一经认定，其本安设备就不能用未经检验机构按这种组合认证过的其他型号规格的设备替代。

很显然，“系统认证”有局限性。

“参量认证”技术是一个系统概念，是基于“系统认证”的实践经验提出的，国际上经常使用“参量认证”。

其基本思想是：对本安系统中的关联设备及其本安现场设备分别给出一组安全参数，并允许专业人员通过合适的方法对系统的配臵进行合理性分析和安全性判定。

这种认证技术的重要特点是：用户可根据一定的规则自由地将不同制造厂生产的本安设备构成本安防爆系统。

“参量认证”技术可以给本安系统的配臵赋予极大的灵活性。

本安仪表或安全栅在认证时，除确认其防爆标志外，通常还须确认具体的安全参数。

工程设计和施工人员可依据表五确认本安仪表和安全栅的安全参数是否匹配：
Pi为本安仪表允许输入的最大功率；
Ci和Li为本安仪表的等效电容和电感；
Cc和Lc为电缆分布电容和电感；
Uo和Io为安全栅可能输出的最大电压和电流；
Po为安全栅可能输出的最大功率；
Co和Lo安全栅允许的最大回路电容和电感。

（6）本安型仪表设备的安装与维护
①本安关联设备的安装位臵应在安全场所的一侧，一般可集中安装在控制室的仪表架装盘内,不同类型的安全栅不得互相代用。

②对连接电缆的要求：
根据本安技术要求，连接电缆也是本安系统的一部分，从安全栅到一次仪表存在几十、几百米电缆，电缆间存在的分布电感和电容，同样储存能量，在电路开闭时释放。

因此，在安装时，应将连接电缆的分布电感Lc和电容Cc与安全栅允许的Lo、Co值一起进行计算考虑。

连接电缆的Lc和Cc如制造商没有提供，则电缆的分布电容Cc和电感Lc可按照以下经验数据进行测算，一般很少有电缆超过这两个数据：
Cc＜197 pF/m
Lc＜0.66 μH/m
根据以上两个经验数据即可进行长度验算，长度为1000m的信号电缆，其总的分布电容值和电感值分别为：
Cc=197×1000 pF =0.197 μF
Lc=0.66×1000 μH =0.66 mH
根据上面的测算结果，最终可确定连接电缆。

③在仪表系统调试时应检查危险场所中是否有爆炸危险物质，一般仪表系统调试只限于调零及调量程，不得更改本安电路线路、参数。

④本质安全电路和非本质安全电路不能相混，在线路敷设和仪表盘盘后配线时应该分开或隔离，这样可以防止本质安全电路不会受到其它非本质安全电路之静电电磁感应。

⑤构成本质安全电路必须应用安全栅，只有这样才能将本质安全电路和非本质安全电路分隔开来，避免在非危险场合如控制室内一旦发生故障波及到现场仪表而发生危险。

⑥本安仪表系统必须可靠接地，以确保仪表系统正常工作。

本安仪表系统接地有齐纳栅本安地；架装、盘装及现场仪表保护地以及24VDC 电源负端、仪表信号回路工作地等三种接地方式。

本安地需独立设臵接地系统，与其它接地网相距5m以上，一般要求本安地的地电阻小于1Ω。

其它两种接地电阻按设计或规范要求一般在4Ω以下。

5 爆炸性气体环境的仪表电气线路
现场防爆仪表系统的配线，在国家有关防爆规范中已就配线敷设的走向、配线的电气和机械性能的要求以及配线的方法作了明确规定。

仪表导线、电缆的配线方法有：镀锌钢管配线工程、电缆桥架（电
缆沟）配线工程和本质安全仪表配线工程等三种。

5.1 爆炸危险场所的配线方式
爆炸危险场所的配线方式按表六选定：
5.2爆炸危险场所电缆敷设要求
为了加强电缆在爆炸性气体环境1区、2区内（本质安全系统电路除外）连接的机械强度，国家电气防爆设计规范规定了最小截面积的技术要求，详见表七及表八：
仪表系统中的信号线不同于电力系统，仪表信号线通过的是弱电信号，一般根据仪表导线或电缆的机械强度和仪表阻抗匹配的要求来决定信号线截面积的大小。

按照对导线或电缆机械强度的要求，本安仪表系统可使用以下一些经验数据：
从现场仪表至控制室的导线截面积宜采用 1.0～1.5mm2。

电缆的机械强度比电线好,从现场仪表至控制室的电缆其线芯截面积可采用0.75～1 mm2。

热电偶、热电阻及报警联锁信号线一般采用不小于1.5 mm2。

在实际使用中比较保守，一般不采用导线，较多采用屏蔽控制软电缆，截面积多选用铜芯1.5mm2（距离较远）及铜芯1.0mm2（距离较近）。

5.3 镀锌钢管配线工程（适用在1区和2区）
在爆炸危险场所不准明敷设塑料电缆和绝缘导线，应采用镀锌钢管配线。

钢管之间、钢管与钢管附件、钢管与仪表引入装臵的连接应采用螺纹连接，螺纹连接要求应符合表八，在1区内应有锁紧螺母压紧。

钢管配线必须做好下面几种连接装臵之间的隔离密封：
（1）当仪表及电气装臵本身的接头部件有隔离密封件时，电缆引向仪表及其附件接头的密封方法见图四：
图四仪表引入装臵带有橡胶隔离密封时的连接方法
（2）当仪表及电气装臵本身的接头部件无隔离密封件时，电缆引向仪
图五仪表引入装臵无橡胶隔离密封时的连接方法需要说明的是上面的Y型防爆隔离密封接头从可靠性来讲，应安装
在仪表与防爆挠性软管之间，若防爆隔离密封接头安装在防爆挠性软管之后，则不太合理。

另外，在仪表引入装臵内无橡胶密封圈时必须采取钢管上加防爆隔离密封接头措施。

而有的设计人员从安全角度考虑习惯于在所有地方都加防爆隔离密封接头。

可行的办法是，在设计阶段设计人员可向仪表制造厂了解情况，按电缆外径来选用合适可靠的密封部件，这样不需要在钢管上再增加防爆隔离密封接头。

（3）钢管在引入防爆接线箱时，应加Y型防爆隔离密封接头，防爆挠性软管则可加可不加，视配管的方便性。

多余的引出线口则用防爆丝堵塞上。

见图六
镀锌钢管
图六防爆接线箱进线口的隔离密封
（4）相邻的爆炸性气体环境1区和2区之间，1区、2区与相邻的其他危险环境或非危险区之间，应加Y型防爆隔离密封接头。

见图七
:隔爆仪表 :应加Y型防爆隔离密封接头处
:电缆保护管
图七爆炸危险场所钢管配线隔离密封位臵示意图
5.4 电缆桥架（电缆沟）配线工程
电缆桥架在进入控制室及穿越不同等级危险区域时，均应在电缆桥
架分界处进行充砂密封或填充阻火密封材料。

同样，对穿越不同区域的电缆沟也应采取充砂封堵，电缆沟内所充的沙应干净、无化学反应，不会对电缆造成机械损伤。

电缆沟及电缆桥架在考虑排水措施时，应注意防止破坏区域分界处的阻火密封材料。

5.5 本质安全仪表的配线工程
在爆炸危险场所采用本安型仪表时，由于电路上某种原因而产生火花、电弧或过热并不会构成点火源而引起燃烧或爆炸，因此原则上本安型仪表可适用于最高级别的爆炸危险场所。

大部分本安仪表均通过安全栅和非危险区的电源、检测、控制装臵相连组成一个“本安电路系统”。

由前所述，我国目前采用的检验方法是“系统认证”，经防爆检验单位认证后，一般不能随意调换其他型号的防爆仪表配接，在设计及施工中应引起注意。

（1）本安电路与非本安电路配线应防止发生混触、静电感应及电磁感应。

在多个单元的本安电路共用同一电缆时，应采用电缆芯线分别屏蔽的方法。

本安电缆、本安关联电路和其他电路不得共用同一根电缆或保护管。

（2）非铠装和无屏蔽层的电缆敷设时，应用镀锌钢管加以保护。

（3）本安电路外部配线不得在防爆区相互连接和分路，必须在1区和2区连接时要用相应的接线盒加以保护。

（4）本安电路与非本安电路通过同一接线端子箱与仪表引线相连时，本安电路应用专用的端子板，并在两种电路之间应有大于50mm的安全距离，或采用绝缘隔板隔离。

在同一电缆桥架敷设的本安电缆和非本安电缆之间应有金属隔板。

6仪表工程在爆炸性气体环境中的实施及存在的问题
6.1仪表防爆型式应用实例
在炼化公司工程项目建设中，仪表系统采用的防爆型式可以说也不外乎隔爆型、本安型及正压型等三种。

尽管隔爆型仪表结构单一、费用低廉，但隔爆型仪表防爆等级相对较低，其防爆性能与现场施工安装质量有很大的关系。

随着技术的进步，观念的转变，现在已逐渐减少对隔爆型仪表的选用。

特殊的部位、防爆要求不高的地方还在经常使用以下一些隔爆型仪表设备：热电阻（偶）、仪表接线箱、控讯箱、限位开关、电磁阀、电动调节阀、伺服及雷达液位计、质量流量计、分析仪表等等。

目前自控专业采用DCS、PLC及其它等系统是一种大趋势，越来越多的仪表工程选用本质安全回路。

在公司新建装臵或老装臵仪表系统改造项目中，无一例外采用了DCS等系统，由于安全栅既起到限能作用，又能。