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一、本安防爆技術

本安防爆技術是目前唯一被標準化適合于0區(qū)的技術。對于自動化儀表，最常用的防爆形式依次是本安型、隔爆型和增安型。然而由于電子技術的飛速發(fā)展和低功耗電子器件的不斷誕生，使本安防爆技術的推廣和應用了更為廣闊的空間。特別是由于本質安全型(也稱“本安型”)防爆形式與其他防爆形式相比，不僅具有結構簡單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護方便等特點，因此這種抑制點火源能量為防爆手段的本安防爆已為儀表制造商和用戶接受。

1、本安防爆技術的基本原理

電火花和熱效應是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要點燃源。本安就是通過限制電火花和熱效應兩個可能的點燃源的能量來實現的。在正常工作和故障狀態(tài)下當儀表可能產生的電火花或熱效應的能量小于這個能量時，低度表不可能點燃爆炸性危險氣體而產生爆炸。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，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。

2、本安防爆技術的特點

本安防爆技術實際上是一種低功率設計技術。通常對于氫氣(ⅡC)環(huán)境，必須將電路功率限制在1.3W左右。由此可見，本安技術能很好的適用于工業(yè)自動化儀表。

與其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技術可給工業(yè)自動化儀表帶來以下技術和商務上的特點。

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，本安儀表具有結構簡單、體積小、重量輕和造價低的特點。據資料，建立一個本安型和隔爆型開關傳輸回路的費用之比約為1：4.

2)、可在帶電工況下進行維護、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)、由于本安防爆技術是一種“弱電”技術，因此，本安儀表的使用可以避免現場工程技術人員的觸電傷亡事故的發(fā)生。

5)、適用范圍廣。本安技術是唯一可適用于0區(qū)危險場所的防爆系統(tǒng)。

6)對于象熱電偶等簡單設備，不需特別認證即可接入本安防爆系統(tǒng)。

綜上所述，對于自動化儀表而言，本安防爆技術是一種比較理想的防爆技術，它也必將被廣泛應用于現場總線智能化儀表及其系統(tǒng)的設計。

3、本質安全設備及關聯設備

兩種：本安電氣設備和關聯設備。

1)、本安電氣設備

在國家標準所規(guī)定的條件下(包括正常工作和規(guī)定故障條件)，產生的任何電火花和熱效應尚不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電氣設備。它可用于危險場所。

它可分為一般本安電氣設備和簡單電氣設備。

一般本安電氣設備：具有儲能元件，是需要防爆認證的本安電氣設備，如變送器、接近開關等。

簡單電氣設備：根據制造商的技術條件，電氣參數值均不超過1.2V，

<0.1A,<25mW，<20uJ的電氣設備，它們無需防爆認證?？梢宰杂傻嘏渲迷诒景不芈分小Ｈ纾弘娮?包括可變電阻)、發(fā)光二極管、開關、熱電偶、熱電阻、應變儀。

2)、關聯設備(安全柵)

一種安裝在安全場所，本安電氣設備與非本安電氣設備之間相連的電氣設備。

安全柵能將竄入到現場本安設備的能量限制在安全值內，從而確保現場設備、人員和生產的安全。本安系統(tǒng)回路的示意圖如下：

4、本安電氣設備的分類

1)、類別

基于國家標準GS3836.1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第1部分通用要求》規(guī)定的電氣設備分類原則，

本安儀表可分為兩類：

I類：煤礦用本安儀表(mining industry)

Ⅱ類：工廠用本安儀表(surface industry)

Ⅱ類工廠用本安儀表，跟氣體分組一樣，可進一步分為A、B、C三級。

2)、級別

5、防爆標志

本安儀表的防爆標志跟其他防爆型式的防爆標志一樣，它實質上是儀表所適用的爆炸性危險場所的代號。

通常一個爆炸性危險場所需用三個參量來定義。

1)、危險場所區(qū)域

反映可能出現危險氣體的頻率或持續(xù)時間，亦即產生爆炸的危險程度。

2)、危險性氣體的種類，即氣體組別考慮可能出現的危險氣體的點燃能量。

3)、危險氣體的引燃溫度，即氣體溫度組別考慮可能出現的危險氣體的點燃溫度。

相應地，本安儀表的防爆標志也必須在“Ex”防爆標記后，依次表達出儀表可適用的區(qū)域、氣體組別和溫度組別三個參量。

二、本安電氣設備防爆標志

現場本安設備具有本安性能的主要參數：

最高輸入電壓(Ui)

施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的最高電壓(交流峰值或直流)。

最大輸入電流(Ii)

施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的最高電流(交流峰值或直流)。

最大輸入功率(Pi)

當電氣設備與外電源連接不使本質安全性能失效時，可能在電氣設備內部消耗的本質安全電路的最大輸入功率。

最大內部等效電容(Ci)

通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電容。

最大內部等效電感(Li)

通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電感。

2、連接電纜

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主要采取以集中參數的方式考慮電纜分布參數的方法。

連接電纜本安性能的基本參數如下：

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

3、關聯設備-安全柵

從控制室設備配置角度考慮，該部分電氣回路必須具備無論系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)還是故障狀態(tài)，均能夠將從安全場所的非本安回路傳到危險場所的本安設備的能量抑制在點火極限(最小點燃能量)以下的保護功能。

安全柵本安性能的基本參數：

最高電壓(交流有效值或直流Um)

施加到關聯設備非本質安全連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的最高電壓。

最高輸出電壓(Uo)

在開路條件下，在設備連接裝置施加電達到最高電壓(包括Um和Ui)時，可能出現的本質安全電路的最高輸出電壓(交流峰值或直流)。

最大輸入電流(Io)

來自電氣設備連接裝置的本質安全電路的最大電流(交流峰值或直流)。

最大輸入功率(Po)

能從電氣設備獲得的本質安全電路最大功率。

最大外部電容(Co)

可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的最大電容。

最大外部電感(Lo)

可能連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的最大電感。

4、本安系統(tǒng)組合條件

為保證設備的安全正常使用，本安系統(tǒng)各配置間必須滿足以下條件。

a)、現場本安設備的防爆標志級別不能高于安全柵的防爆標志級別。

b)、關聯設備、現場本安設備與連接電纜參數之間要符合以下不等式。

本安儀表及關聯設備，按其使用場所或相連場所的安全程度可分為ia和ib二個級別。

ia級是指在正常工作、一個計數故障和兩個計數故障情況下均不能點燃爆炸性氣體混合物。即ia級儀表在最大考慮二個計數故障情況下也不致于產生安全失效。

ib級是指在正常工作和一個計數故障情況下不能點燃爆炸性氣體混合物。顯然，ia級儀表的安全程度要比ib級儀表高，ib 級儀表僅考慮儀表產生一個故障時不會產生安全失效，但若儀表出現第二次計數故障時，就可能會產生安全失效。

因此，ib級本安儀表的安全程度要比ia級儀表差，它跟隔爆和增安等防爆型式的儀表一樣只適用于1區(qū)和2區(qū)危險場所。相應的，ib級本安關聯設備可與1區(qū)和2區(qū)危險場所的本安儀表或設備相連接。而ia級本安儀表可以用于危險等級最高的0區(qū)危險場所;ia級本安關聯設備可與0區(qū)危險場所的本安儀表或設備相連接。ia級本安設備是所有防爆型式中安全程度最高的一種。

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。這主要基于技術和經濟上的考慮。在絕大部分情況下，工作時是有較低溫度等級的設備購買和安全費用較高。通過比較，選用本安設備將更加有效和經濟。直接安裝在危險場所的本安設備需要考慮設備溫度等級，而關聯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)境中可燃物質的點燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。

三、本安系統(tǒng)設計一般要求

1、本安系統(tǒng)配置設備選用原則

本安系統(tǒng)由本安現場設備、關聯設備(也稱安全柵)和連接電纜三部分組成，就本安防爆性能而言，它們必須滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四個條件。這些設備配置的選用原則是：

1)、本安電氣設備的選用原則

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，且其能量不超過20μJ或功率不超過25mW的電氣設備可視為簡單設備，其中最常見的儀表設備有熱電偶、熱電阻、pH電極、應變片和開關等，它們的典型特點是儀表設備的內部等效電感Li=0，內部等效電容Ci=0。

本安電氣設備：安裝于危險場所的現場設備，必須明確以下問題：

a)、是否已按照GB3836.1-2021和GB3836.4-2021要求設計并已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備;

b)、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;

c)、明確Ui、Ii、Pi、Ci、和Li參數;

d)、本安電路是否接地或接地部分的本安電路是否與安全柵接口部分的電路加以有效隔離。

e)、信號傳輸是以何種方式進行;

f)、本安電氣設備的最低工作電壓及回路正常工作電流。

在上述問題明確的基礎上，選擇與之對應的安全柵。

2)、安全柵的選用原則

a)、安全柵的防爆標志等必須不低于本安現場設備的防爆標志的等級。

b)、確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現場設備的最低工作電壓。c)、安全柵的本安端安全參數能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo≥Lc的要求。

d)、根據本安現場儀表的電源極性及信號傳輸方式選擇與之相匹配的安全柵。e)、避免安全柵的漏電流影響本安現場設備的正常工作。

f)、安全柵有兩大類，一類為齊納式安全柵，另一類為隔離式安全柵。

3)、連接電纜的選用原則

用于本安系統(tǒng)中連接本安現場設備與安全柵的連接電纜，其分布參數在一定程度上決定了本安系統(tǒng)的合理性及使用范圍，因此必須符合以下條件。

a)、連接電纜規(guī)格

連接電纜為銅芯絞線，且每根芯線的截面積不小于0.5mm2。

介質強度應能承受2倍本安電路的額定電壓，但不低于500V的耐壓試驗。

b)、連接電纜長度的限制

在本安系統(tǒng)中，現場本安儀表和連接電纜同為安全柵的負載，當安全柵與現場本安儀表選定后，也就決定了連接電纜的長度。其具體方法如下。

根據Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式計算電纜的最大外部分布參數;

按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分別計算電纜長度，取兩者中的小值作為實際配線長度L，但多芯電纜，應考慮相互疊加影響。

目前國內已有多家電纜生產廠生產專為本安系統(tǒng)設計的本安用特殊電纜，為方便比較選用，下面表1給出了典型普通連接電纜的分布參數，表2給出了典型國產本安用特殊電纜分布參數，以供參考。

對安裝在危險場所的本安設備，給出下列安全參數有Ui、Ii、Pi、Ci和Li。

對安裝在安全場所的關聯設備，給出下列安全全參數有Uo、Io、Po、Co和Lo。然后對本安設備和關聯設備分別設想兩個獨立的故障進行。所謂安全參數額定值是儀表保持安全性能的最大額定值，以此額定值為基礎，來評價本安設備的本安性能。當上述安全參數認可后，電纜分布參數可根據下列公式得出 Cc≤Co-Ci Lc≤Lo-Li

在參量認可方式中，通常應對本安設備和關聯設備分別進行認可，標上各自編號的合格標簽，以此構成的系統(tǒng)，兩者的合格證編號是不同的。

參量認可的最大優(yōu)點是使用者可以自由選配實現本安系統(tǒng)的組合，使用者只要掌握各自的安全參數的額定值，按照確保安全性能的選配條件，便可自行構成本安系統(tǒng)(見本安系統(tǒng)的組合條件)。

本安系統(tǒng)的認證無論采取上述何種方式，除考慮檢成系統(tǒng)的三要素：本安現場儀表、連接電纜和關聯設備之外，還應結合其結構特征、是否接地、二次儀表的阻抗等綜合考慮。目前，我國防爆檢驗機構主要采取的認可方式實質上仍為“系統(tǒng)認可”方式，即“聯合取證”方式，并逐步向“參數認可”方向推進。在進行關聯設備檢定認可時，在認可文件中給出了最高開路電壓Uo、最大短路電流Io、最大允許外接電容Co和最大允許外接電感Lo四個參數。而在進行本安設備檢定認可時，在認可文件中又規(guī)定配套使用的關聯設備的型號規(guī)格(可以是一個或多個)以及系統(tǒng)允許的電纜分布參數值，它在考核確認各自安全性能的基礎上，加以考慮相互間的系統(tǒng)匹配而確定的本安系統(tǒng)配備，確保了整個系統(tǒng)的防爆安全性能。

該方式比較適合我國目前的國情，既限制了本安系統(tǒng)各組成部分的型號，又在一定范圍內給出多種選擇，但總的發(fā)展趨勢是走“參量認可”道路。