本安系统防爆概述.pdf

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1、安全与可靠性本安防爆系统概述 霍青湖北荆门炼化工程设计有限公司摘 要:本文着重介绍了本安防爆技术及其系统，阐述了安全栅的类型，特点和选取原则，并对国内 外本安防爆系统的评定方法进行了 简要介绍。关健词:电气设备防爆技术本质安全防爆技术现场设备关联设备齐纳安全栅回路认证参量认证 在化工和石化行业，从生产到储运过程中所处理的原料，中间产品和成品，大多数都是属于易燃易爆物质。在对它们的生产过程进行测量与自 动化控制系统中，随时都有可能出现潜在的爆炸性环境，这就要求必须对系统中的现场设备及其相关设备采取相应的防爆措施。随着电 气设备防爆技术的不断进步和发展，在全球范围内已 被广泛接受的电 气设备防爆技

2、术有:隔爆(E x d)、增安(E x e)、本质安全(E x i)、正压(E x p)、浇封(E x m)和无火花(E x n)型等。而在低压低功率电 气设备，仪器仪表等领域里的防爆通常首选本质安全(以下简称本安)防爆技术。本安防爆技术是一种以 抑制点火源能量为防爆手段的安全技术，它的显著特征是仪表设备及其连接的电缆所能释放出的电能和热能不可能导致爆炸性混合物的点燃。它实际上是一种低功率设计技术，通常对于氢气(1 1 C)环境(最易爆环境)，可将电 路功率限制在1.3 W 左右，因此它是最安全，最可靠的防爆技术。尤其是近几年来，微电子、微处理器技术发展迅速，工业自 动化仪表已趋向于低功耗、电

3、子化、小型化的 模式，更加容易实现本质安全。本安防爆技术与其它防爆技术相比，有下列一些特点:1)适用范围广:本安技术是唯一可以 在0 区危险场所使用的防爆技术;2)操作方便:可以带电 对现场仪表进行操作，与安全场所的操作一样;3)造价低:不需要设计工艺复杂，体积庞大且又笨重的隔爆外壳，本安仪表具有体积小，结构简 单，重量轻和造价低的特点。据资料介绍，制造一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比 为 1:4;4)安全可靠性高:本安仪表不会因紧固螺栓丢失或外壳结合面腐蚀，划伤等人为因素而降低仪表 的安全可靠性;5)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。1、本安防爆系

4、统概况 本安防爆系统一般由 本安型现场设备，本安关联设备和外部配线(包括本安电路和非本安电 路)三者构成，如图1所示。由图1 中可以看出，本安防爆实质上是系统防爆，其防爆性能不仅与关联设备有关，而且也与相应设备及连接电路有关。1.1 本安型现场设备 现场设备主要分为简单设备和非简单设备。简单设备是指既 不 会 产生 也 不 会储存能 量 超过1.2 V,O.I A,2 5 m W 和2 0u J 的电 气设备，主要包括简单触点、热电 偶、R T D S,L E D S关 联 设 备(安 全 橱)本 安 电 路 耽 本安 设 备危 险 场 所图 1本 安 联 爆 系 统 示 意 图和电阻性元件等

5、;而非简单设备则是指可能产生或储存的能量超过上述数值的电气设备，典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。2 4 0第四届全国石油和化学工业仪表及自 动化技术交流研讨会论文集 在实践应用中本安防爆系统的现场设备除简单设备无需认证而直接用于爆炸危险场所外，其余的非简单设备均选用本安型。本安型现场设备其本身所有的电路都是本质安全型电路，电路参数(包括电感、电容、电 流、电 压值)都在允许的安全范围内，不会因电 路中元件的损坏或电 路的开路、短路、接地等情况产生能够点燃爆炸性混合物的危险火花。通常国际上认证这些本安型设备时均给出一组相应的安全参数(亦称为整体参数):V m a x 在故障条件下，

6、本安设备最大可接受的电压;I m a x 在故障条件下，本安设备最大可接受的电流;C i 本安设备内部未被保护的电 容;L i 本安设备内部未被保护的电 感。1.2 关联设备 关联设备是与本安型防爆仪表紧密相关的一种设备，其设备本身电 路并不一定是本质安全的，但是作为限能设备它能影响本安电路中的能量，有效地保护危险场所的现场设备，在正常工作条件下能使系统完好地工作，而在故障条件下能限制到达危险场所的电 压，电流。比如一个测量压力的变送器是本安型设备，用在危险场所，我们称为一次仪表。向 变送器提供电 源及接收变送器压力信号的设备用于安全场所，称为二次仪表。这个二次仪表由 于放在安全场所，按规范可

7、以不必做成防爆类型，但它通过导线向 危险场所中的本安型压力变送器输送电 源，为了防爆，输送的电 源必须为本安型的。这时便可通过关联设备把输送电源的电路的制成本安型，而其余电路可以为非本安型。关联设备虽然不使用在危险场所，但它通过电 路与危险场所的本安型设备相连接，是否能确保危险场所本安型设备的安全运行，它起到关键性的作用。因此对其输往危险场所中的电气参数(电压、电 流以 及输出电感、电容，包括输送导线的电感电容在内)应严格控制。其整体参数包括:V o c开路电 压，即在故障条件下，可能传送到危险场所的最大电 压;工 s c短路电 流，即在故障条件下。可能传送到危险场所的最大电 流;C a关联设

8、备允许外接的最大电容(包括连接电缆电容);L a关联设备允许外接的最大电感(包括连接电缆电感)。注:在实际的工程应用中关联设备主要是指安全栅。1.3 连接电 缆 由于现场仪表与控制室之间距离较远，现场信号需要用连接电缆传输。而连接电缆存在一定数量的分布电 容和分布电 感。分布电容和分布电 感都是储能的，在电 缆发生故障时将放出能量，不同程度上有增加点燃的危险性，影响系统的本安性能。因此在设计时应考虑电缆的分布参数和限制配线长度。通常电缆分布参数按集中参数考虑，其参数主要包括:C c本安系统最大允许电容;L c本安系统最大允许电 感。2.关联设备(安全栅)的类型，特点及选取原则 安全栅总体分为二

9、大类，一类为齐纳安全栅，一类为隔离式安全栅。2.1 齐纳式安全栅2.1.1 工作原理 齐纳式安全栅是通过快速熔断丝和限压，限流电路实现能量限制作用，其基本结构如图2。如上图 所示，当齐纳二极管两端的电 压(回路电 压)低于齐纳式安全栅安全限压值时，齐纳二极管截止，漏电流I l e a k 为零;而当回路危 险 侧 凡s e一任三卜一 十1 leak U安 全 侧图 Z齐 纳 安 全 栅 基 本 限 能 结 构安全与可靠性电压高于安全限压值时，齐纳二极管瞬时导通，漏电流瞬间跳升至足够大，使回路电压永不超过安全限压值。从而将能量限制在安全值以内，确保了现场人员，设备和生产的安全。电阻R 用于限制电

10、 流，当电 压被限制后，适当的电阻值即可将回路电 流限制在安全限流值以下。保险丝F U S E 的作用是防止齐纳二极管被长时间流过的大电流烧坏而导致电 路限压失败。当超过安全限压值的电压加在回路上时，齐纳二极管导通，如果没有保险丝，流过齐纳二极管的电流会无限制上升，最终烧坏齐纳二极管，使回路失去限压功能。为确保回路限压功能，保险丝必须选用高速熔断型，其熔断速度应比齐纳二极管可能被烧断的速度快十倍。2.1.2 特点 齐纳安全栅的优点:价格低，体积小。齐纳安全栅的缺点:1)要求有可靠的等电 位接地系统。因为接地系统能够将来自 于非危险区域仪表的危险能量进行释放，接地电阻 应小于1 5 2;2)要求

11、危险侧的仪表必须是隔离的;3)由于必须加限能电阻和智能变送器的采样电阻，往往会导致供电 不足，使得变送器或转换器不能 正常工作;4)不能防止短路电 流;S)齐纳二极管的漏电流可能会导致错误的检测信号，所以要求漏电流足够小，才能大大提高检测精 度。2.1.3 接地 为了能够使用齐纳安全栅，必须要有与工厂接地隔离的等电位接地系统，因为接地系统能够将来自 于非危险区域仪表的危险能量进行释放。安全栅应通过单点接到等电 位接地系统。齐纳安全栅的接地如图3 所示接 线 端 子 非 危 险 区 齐 纳 安 全 栅 目/主 系 统分 长 态国非 防 爆s 一 仪 表仪 表 盯二只刃了 火叮丫安 全 栅 接 地

12、 1 a 保 护 接 地系 统 接 地图 3典 型 的 本 安 回 路 接 线 图 本安系统接地应满足:1)安全栅接地电阻必须小于 1 S 2;2)接地导线截面积不小于4 m m 2(铜芯)或6 m m 2(钢芯);3)为接地可靠应采用冗余设计，即在同一接地极上用双根导线并联接地。2.2 隔离式安全栅 隔离式安全栅是通过在本安回路与非本安回路之间用变压祸合实现电 源、信号输入、信号输出的隔离，并在本安端加类似于齐纳式安全栅的快速熔断丝和限流、限压电路实现能量的限制，保证本安防爆系统的第四届全国石油和化学工业仪表及自 动化技术交流研讨会论文集安全。其与齐纳安全栅相比，具有以下突出优点:1)使用方

13、便，隔离式安全栅由于输入/输出的电源隔离，不要求使用等电位接地系统;2)隔离式安全栅的输入、输出、电 源间均隔离，使安全栅的工作对本安防爆系统来说更加可靠，允 许使用非隔离型的现场元件;3)隔离式安全栅由 于信号完全浮空，大大增强了信号的抗干扰能力，提高了自 动控制系统的运行可 靠性(对于D C S自 动控制系统来说，这一点特别重要)。其缺点为:价格昂贵，体积大，可能与某些智能变送器不相兼容，这些限制了隔离式安全栅的广泛 应用。2.3 关联设备的选取原则 以 齐纳安全栅为例，简要说明其选用原则:1)据现场防爆要求，确定所需安全栅的防爆等级;2)根据控制室仪表可能存在或产生最高电 压来确定安全栅

14、最高允许电 压;3)据现场设备的信号，电 源对地的极性，确定安全栅的极性;4)考虑安全栅端电阻压降的影响，确定系统能否正常工作;5)漏电 流的影响对信号响应的精度;6)安全栅允许的分布参数是否合乎要求。下面以应用较广泛的变送器本安系统的安全栅选用来进行实例分析。由变送器构成的防爆系统在选取安全栅时，应从电 路工作性能和安全性能两个角度出发。在选用齐纳式安全栅之前必须知道变送器的最低工作电压及二次仪表的供电电压大小(一般2 4 V)，然后选用一个内阻合适的安全栅以保证变送器可正常工作。1)安全栅内部电阻R i(端电阻)的选用:若 R i 较大，其在 2 0 m A 信号附近可能由于压降太大而使

15、系统无法正常工作;但若R i 较小，则安全栅工 s c 较大，可能使I s c)工 m a x 从而不满足安全性能。因此必须通过计算其允许的压降来确定R i 值。2)提高系统的性能:要提高变送器的工作电 压，仅有通过减少转换电阻R e(2 5 0 0)和安全栅端电 阻R i 来实现。若R e 减小到 1 0 0 Q，则4-2 0 m A 信号将变成0.4 饱.O V，这对D C S 的安装和应用均 提出了更高的要求，显然是不切实际的。因此最好的办法是选用低内阻的安全栅。3.本安系统安全评定 目 前，本安系统有两种认证方法:回路认证和参量认证。回路认证除了对本安仪表，安全栅，本安电缆分别认证外，

16、还对本安设备和关联设备按特定组合进行认证。这种组合方式一经认证，其本安设备和关联设备就不能用未经检验机构认证过的其它型号规格的设备替代。这正是我国现阶段推行的本安防爆认证技术。而国际上大多数工业发达国家均采用“参量认证”的方式，即对关联设备与现场设备分别给出一组安全参数，并可由 用户自由地将不同生产厂商的电 气设备进行组合，从安全性角度出发只须满足如下关系:V m a x-,-:V o c I m a x)I s c (C c+C i)3 C a (L c+L i)L a 按“回路认证”的要求去做在工程上十分不便，因此现在在工程设计中几乎全是按“参量认证”的方式构成本安系统的。由于没有相应的标准，使得实际做法并不统一和规范，这样是否会造成安全隐患，并不可知。参量认证较回路认证有较高的先进性和实用性。我国应尽快用法规或标准将本安防爆参量认证技术确定下来，以便指导工程实践。