本質(zhì)安全防爆（以下簡稱本安防爆）是石油化工裝置儀表設(shè)計(jì)中常用的防爆方式之一，該防爆方式是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)，從限制能量入手，通過將暴露于爆炸性環(huán)境中的儀表設(shè)備及連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)，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不會引起周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。

 

本安儀表回路由處于危險(xiǎn)區(qū)域的本安電路和處于安全區(qū)域的非本安電路組成，而本安電路由現(xiàn)場本安設(shè)備、本安連接電纜及安全柵構(gòu)成，本安儀表回路構(gòu)成如圖１所示。

本安設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備均需取得檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，并出具認(rèn)證證書。檢驗(yàn)認(rèn)證方法通常有３種：系統(tǒng)認(rèn)可、參量認(rèn)可和ＦＩＳＣＯ認(rèn)可。工程設(shè)計(jì)中，主要采用后兩種認(rèn)可檢驗(yàn)認(rèn)證方法，在設(shè)計(jì)、采購時(shí)只需選用經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品，并依據(jù)參量認(rèn)可的電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算便可［１］。

 

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范對本安儀表及相關(guān)設(shè)備的選型、線路設(shè)計(jì)等都有了具體的規(guī)范和要求，本文不再贅述，而是就設(shè)計(jì)中一些容易忽略的問題進(jìn)行探討。

 

１安全柵的電氣參數(shù)

安全柵是本安電路與非本安電路之間的隔離元件和接口設(shè)備，用于限制本安電路的能量。

１）安全柵通過以下參數(shù)來限制本安電路的功率，這些參數(shù)可以從認(rèn)證證書或產(chǎn)品樣本中獲得：

ａ）非常高電壓（交流有效值或直流值）Ｕｍ。施加到關(guān)聯(lián)設(shè)備非本安連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常高電壓。

ｂ）非常高輸出電壓（Ｕｏ）。施加電壓達(dá)到非常高電壓時(shí)，可能出現(xiàn)在電氣設(shè)備連接裝置上的非常高輸出電壓（交流或直流峰值）。

ｃ）非常大輸出電流（Ｉｏ）。可從電氣設(shè)備連接裝置上獲得的非常大電流（交流或直流峰值）。

ｄ）非常大輸出功率（Ｐｏ）。可從電氣設(shè)備獲得的非常大功率。

ｅ）非常大外部電容（Ｃｏ）。可連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常大電容。

ｆ）非常大外部電感（Ｌｏ）。可連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常大電感。

ｇ）非常高輸入電壓（Ｕｉ）。可施加到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常高電壓（交流或直流峰值）。

ｈ）非常大輸入電流（Ｉｉ）。可施加到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常高電流（交流或直流峰值）。

ｉ）非常大輸入功率（Ｐｉ）。可施加到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本安性能失效的非常大功率。

ｊ）非常大內(nèi)部電容（Ｃｉ）。呈現(xiàn)在電氣設(shè)備連接裝置上的電氣設(shè)備非常大等效內(nèi)部電容。

ｋ）非常大內(nèi)部電感（Ｌｉ）。呈現(xiàn)在電氣設(shè)備連接裝置上的電氣設(shè)備非常大等效內(nèi)部電感。

 

２）作為傳輸介質(zhì)的連接電纜，從系統(tǒng)獲得能量后，由于存在電感和電容儲能，也可能成為危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)燃源，因此電纜的電感和電容也是本安電路的安全參數(shù)之一。電纜的電氣參數(shù)可從產(chǎn)品樣本或說明書中獲得：

ａ）非常大電纜電容（Ｃｃ）。可以連接到本安電路上，而不會使本安性能失效的互連電纜的非常大電容。

ｂ）非常大電纜電感（Ｌｃ）。可以連接到本安電路上，而不會使本安性能失效的互連電纜的非常大電感。本安電路中，電氣設(shè)備和電纜的電氣參數(shù)必須滿足表１所列的安全參數(shù)匹配條件不等式。

　然而，不同檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所遵循的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一樣，非常后得到的認(rèn)證參數(shù)也是不一致的，不同的認(rèn)證參數(shù)進(jìn)而會對設(shè)計(jì)造成影響。

 

由于電纜的非常大電纜電感Ｌｃ遠(yuǎn)小于非常大外部電感Ｌｏ，因此在計(jì)算本安電纜長度時(shí)通常以滿足本安電路的電容匹配條件不等式作為計(jì)算依據(jù)，如式（１）所示：

式中：Ｌ———電纜長度；Ｃｋ———電纜單位長度分布電容。

 

為了簡化計(jì)算，假設(shè)現(xiàn)場儀表的非常大內(nèi)部電容Ｃｉ＝０，電纜從現(xiàn)場儀表直接接至安全柵。根據(jù)某品牌某型號安全柵的不同認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證參數(shù)所計(jì)算得到的允許敷設(shè)非常長電纜長度見表２所列。

由表１可知，同一安全柵采用不同的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，即使采用同樣的本安電纜，允許敷設(shè)的電纜長度也不相同。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先確定所遵循的標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)，所有本安設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備采用同一認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可的電氣參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

２本安設(shè)備供電

本安回路中現(xiàn)場本安設(shè)備的供電有兩種方式：非常好種是采用本安電源對電氣設(shè)備供電；第二種為供電電源經(jīng)過安全柵限能后對現(xiàn)場電氣設(shè)備供電，如兩線制變送器、電磁閥等，如圖２所示［２］。因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)查驗(yàn)安全柵的輸出特性圖和非常大輸出電流，保障電氣設(shè)備能正常工作。

某工程項(xiàng)目選用某品牌的安全柵，出現(xiàn)了無法驅(qū)動(dòng)本安電磁閥現(xiàn)象。該項(xiàng)目由控制閥成套提供的直動(dòng)式本安電磁閥非常小工作電流為８０ｍＡ，本安回路中所選用的開關(guān)量輸出安全柵１認(rèn)證參數(shù)為Ｕｏ＝２５Ｖ，Ｉｏ＝１８５ｍＡ。安全柵１限制輸出電流Ｉ限制６０ｍＡ，開路時(shí)電壓Ｕ開路為２１．４Ｖ。該安全柵樣本上提供了信號輸出內(nèi)部等效電路圖和信號輸出特性，安全柵１的等效電路圖及信號輸出特征如圖３所示。

由圖３可見，電源的輸出電流被限制在６０ｍＡ，小于電磁閥所需要的非常小工作電流８０ｍＡ，因此無法驅(qū)動(dòng)該電磁閥動(dòng)作。安全柵１已是該項(xiàng)目中輸出電流非常大的產(chǎn)品，仍無法使電磁閥可靠工作。后來控制閥供貨商推薦了其他品牌的安全柵２，其技術(shù)參數(shù)如下：Ｕｏ＝１７Ｖ，Ｉｏ＝２７１ｍＡ，Ｐｏ＝１．１５２Ｗ。安全柵２非常大輸出電流１００ｍＡ，輸出電壓不小于１０Ｖ，開路時(shí)電壓１６．２Ｖ。信號輸出內(nèi)部等效電路圖和信號輸出特性如圖４所示。更換該安全柵后，電磁閥工作正常。

３接線箱的選型

接線箱由外殼、端子、安裝導(dǎo)軌、電纜引入裝置（電纜密封接頭）等無源元件組成，屬于簡單設(shè)備，當(dāng)用于本安電路時(shí)，可以不經(jīng)過認(rèn)證。在設(shè)計(jì)本安回路的接線箱時(shí)，往往存在兩種傾向：認(rèn)為在本安電路中，接線箱為簡單設(shè)備，可以任意采用各種接線箱；認(rèn)為接線箱處于爆炸環(huán)境中，應(yīng)采用防爆接線箱。筆者認(rèn)為兩種觀念都有些偏頗。

 

按照規(guī)范ＧＢ３８３６．４—２０１０《爆炸性環(huán)境第４部分：由本質(zhì)安全型“ｉ”保護(hù)的設(shè)備》第５章第７節(jié)“簡單設(shè)備”的要求，放置在爆炸環(huán)境本安電路中的簡單設(shè)備雖然無需本安認(rèn)證，但是也有一些必須考慮的要點(diǎn)。對于接線箱而言，用于危險(xiǎn)場所的非金屬外殼和含有輕金屬的外殼應(yīng)符合ＧＢ３８３６．１—２０１０《爆炸性環(huán)境第１部分：設(shè)備通用要求》中７．４和８．１的規(guī)定。

 

為了防止靜電電荷在非金屬材料外殼積聚，從而引起點(diǎn)燃危險(xiǎn)，ＧＢ３８３６．１—２０１０中７．４節(jié)對危險(xiǎn)場所的電氣設(shè)備的非金屬外殼的表面積及厚度等參數(shù)作了限制，應(yīng)滿足下列要求之一：表面絕緣電阻不大于１ＭΩ；限定外殼非金屬部件的表面積。

 

對于非金屬接線箱，表面積一定會突破規(guī)范限制的，因此唯一的途徑是通過合理選材，使表面絕緣電阻滿足規(guī)范要求。

 

ＧＢ３８３６．１—２０１０《爆炸性環(huán)境第１部分：設(shè)備通用要求》中８．１針對不同保護(hù)級別（ＥＰＬ）的電氣設(shè)備金屬外殼，對鋁、鎂、鈦、鋯等金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)提出了要求。對于石油化工裝置常用的Ⅱ類電氣設(shè)備外殼材料，上述金屬材質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)符合下列要求：１）對于ＥＰＬＧａ。鋁、鎂、鈦和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１０％；鎂、鈦和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７．５％。２）對于ＥＰＬＧｂ。鎂和鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７．５％。３）對于ＥＰＬＧｃ，除風(fēng)扇、風(fēng)扇罩和通風(fēng)孔擋板應(yīng)符合ＥＰＬＧｂ的要求外，無其他要求。

 

雖然按照相關(guān)規(guī)范，本安電路中的接線箱可以無需認(rèn)證，但相關(guān)規(guī)范對用于危險(xiǎn)場所的接線箱外殼材料、表面絕緣電阻等都有具體的規(guī)定，在工程實(shí)踐中，為了避免繁瑣的試驗(yàn)、查證等工作，可以直接采用經(jīng)過認(rèn)證的防爆產(chǎn)品。從成本、維護(hù)等多方面考慮，建議采用增安型接線箱。為避免非本安電路接入本安電路接線箱，而接線箱內(nèi)又未按要求做好隔離措施，本安接線箱應(yīng)有顏色、文字等明顯標(biāo)識。

 

４本安電纜選型

從結(jié)構(gòu)上看，本安電纜與普通屏蔽電纜差不多，只是護(hù)套顏色不同而已，因此有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在工程中可以用普通電纜替代本安電纜。

 

本安電路中電纜的選擇和敷設(shè)應(yīng)使本安性能不受外界電場或磁場的干擾。ＧＢ／Ｔ３８３６．１８—２０１７《爆炸性環(huán)境第１８部分：本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)》第９章對用于本安電路的電纜結(jié)構(gòu)、所能承受的介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和屏蔽有具體要求，不滿足要求的電纜不允許使用在本安電路中。

 

１）該規(guī)范９．１節(jié)要求本質(zhì)安全電路應(yīng)采用絕緣能夠承受至少５００Ｖ交流電壓或７５０Ｖ直流電壓的耐壓試驗(yàn)的絕緣電纜。

２）該規(guī)范９．３節(jié)對本安多芯電纜提出了要求。對于多芯電纜，每根芯線絕緣層的厚度應(yīng)與導(dǎo)線直徑和絕緣要求相適應(yīng)，至少為０．２ｍｍ。多芯電纜應(yīng)能承受下列介電強(qiáng)度試驗(yàn)：

 

ａ）鎧裝護(hù)套和／或屏蔽連接在一起，所有芯線

連接在一起，二者之間施加５００Ｖ交流電壓或７５０Ｖ直流電壓。

 

ｂ）５０％電纜芯線捆扎在一起，另外５０％電纜芯線綁扎在一起，二者之間施加１ｋＶ交流電壓值或１．５ｋＶ直流電壓。

 

３）該規(guī)范９．４節(jié)要求本安電纜屏蔽的覆蓋率至少應(yīng)為表面積的６０％。

 

同時(shí)，為了限制電纜本身的儲能，滿足表１所列安全參數(shù)匹配條件不等式，本安回路連接電纜的分布電感和分布電容應(yīng)盡量低。美國國家防火協(xié)會（ＮＦＰＡ）對用于１區(qū)的本安回路的連接電纜的非常大分布電容和分布電纜曾有過要求，即［３］：Ｌｃ≤０．６６μＨ／ｍ，Ｃｃ≤１９７ｐＦ／ｍ。對于注明本安電纜的電纜產(chǎn)品，均應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)和制造，并以低分布電容和低分布電感作為產(chǎn)品特點(diǎn)。因此，在工程中對于本安信號的傳輸，應(yīng)采用專用的本安電纜。本安電纜應(yīng)按照規(guī)范要求采用淺藍(lán)色外護(hù)套，以與非本安電路區(qū)分。

 

５本安電纜敷設(shè)

本安電纜的敷設(shè)和安裝應(yīng)確保本安電路不會因?yàn)槿藶槭韬龌螂娎|的破損而連接到非本安電路中。為此，規(guī)范一般都要求本安電纜與非本安電纜分開敷設(shè)。具體要求：１）本安電路與非本安電路不應(yīng)使用同一根多芯電纜。

 

２）本安電路電纜與非本安電路電纜敷設(shè)在不同的電纜橋架內(nèi)或在同一橋架內(nèi)宜采用牢固接地的金屬隔板加以隔離。

 

但是，對于鎧裝電纜而言，當(dāng)鎧裝層接地后，一方面鎧裝層對電纜提供了機(jī)械保護(hù)，同時(shí)也起到了良好的隔離作用，這時(shí)可不要求本安電纜與非本安電纜采取其他隔離措施，即兩種電纜可以敷設(shè)在同一電纜橋架內(nèi)。

 

ＨＧ／Ｔ２０５１２—２０１４《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》８．３．３在要求本安信號和非本安信號線及其他各種需隔離信號線應(yīng)分開敷設(shè)的同時(shí)，也指出：鎧裝電纜、光纜可以不分開敷設(shè)。

 

ＧＢ／Ｔ３８３６．１５—２０１７《爆炸性環(huán)境第１５部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》１２．２．２．５．１在提出的防止本安電路電纜不能因疏忽而連接到非本安電路電纜上的措施中，除第ａ）條要求不同類型的電路應(yīng)隔離外，還可采用其他措施，第ｃ）條為：特定類型的電路使用鎧裝、金屬護(hù)套或屏蔽電纜（例如，所有非本質(zhì)安全電路使用鎧裝電纜，或所有本質(zhì)安全電路使用鎧裝電纜）。ＮＦＰＡ７０ＮａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｄｅ５０４．３０在要求本安電纜與非本安電纜在橋架敷設(shè)時(shí)應(yīng)隔離的同時(shí)，也提出了４種例外，其中之一便是：所有本安電纜或所有非本安電纜帶金屬護(hù)套或金屬外層，金屬護(hù)套或外層接地以便將有害電流導(dǎo)入地下。

 

另外，如果采用保護(hù)管敷設(shè)電纜，應(yīng)注意如果保護(hù)管跨越危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)，保護(hù)管在危險(xiǎn)區(qū)的端口應(yīng)封閉，以防止危險(xiǎn)氣體經(jīng)過穿線管進(jìn)入非危險(xiǎn)區(qū)。

 

６結(jié)束語

本安防爆設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是限制爆炸環(huán)境中能量水平和阻止外界能量的竄入，而不是通過其他額外的防護(hù)措施來達(dá)到防爆的目的。設(shè)計(jì)和安裝中的一些疏忽或一些細(xì)節(jié)的把握失當(dāng)就有可能影響本安回路的防爆性能，也有可能影響儀表回路的監(jiān)控性能，造成安全隱患。

 

因此，在本安儀表回路的設(shè)計(jì)和安裝中應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范行事，注重每一個(gè)環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)裝置提供更可靠的安全保障。