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本質(zhì)安全防爆技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1  引言
 　　在許多化工工業(yè)過程中，需要處理一些易燃易爆的工藝介質(zhì)。為確保人員生命和生產(chǎn)裝置的財產(chǎn)安全，防爆技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個行業(yè)及相關(guān)專業(yè)，形成一系列的行業(yè)、國家和標(biāo)準(zhǔn)，并隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。對于自動化儀表，zui常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展和低功耗電子器件的不斷誕生，本安防爆技術(shù)的得到了更為廣闊的推廣和應(yīng)用。特別是由于本質(zhì)安全型（簡稱本安型）防爆形式與其他防爆形式相比，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此這種通過抑制點(diǎn)火源能量為防爆手段的本安型防爆儀表已被制造商和用戶接受。
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 2.1  本質(zhì)安全防爆技術(shù)的原理
 　　本安防爆技術(shù)實(shí)際上是一種低功率設(shè)計技術(shù)。例如對于氫氣（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(shù)能很好的適用于工業(yè)自動化儀表。
　　 針對電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要引爆源，本質(zhì)安全技術(shù)通過限制電火花和熱效應(yīng)這兩個可能的引爆源來實(shí)現(xiàn)防爆。在正常工作和故障狀態(tài)下，當(dāng)儀表產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于一定程度時，低度表不可能點(diǎn)燃爆炸性危險氣體而產(chǎn)生爆炸。它實(shí)際上是一種低功率設(shè)計技術(shù)。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(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產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不致于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。通常對于氫氣環(huán)境，也就是危險程度zui高、zui易爆的環(huán)境，必須將功率限制在1.3W以下。電工委員會（IEC）規(guī)定，在危險程度zui高的危險場所0區(qū)，只能采用Ex ia等級的本安防爆技術(shù)。因此，本質(zhì)安全防爆技術(shù)是一種zui安全、zui可靠、適用范圍zui廣的防爆技術(shù)。本質(zhì)安全型儀表設(shè)備按安全程度和使用場所不同，可分為Ex ia和Ex ib。Ex ia的防爆級別高于Ex ib。
　　 Ex ia級本質(zhì)安全儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在兩起故障時，電路元件不會發(fā)生燃爆。在ia型電路中，工作電流被限制在100mA以下，適用于0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。
　　 Ex ib級本質(zhì)安全儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在一起故障時，電路元件不發(fā)生燃爆炸。在ib型電路中，工作電流被限制在150mA以下，適用于1區(qū)和2區(qū)。
 2.2  本質(zhì)安全防爆技術(shù)的特點(diǎn)
 （1） 不需要設(shè)計制造工藝復(fù)雜、體積龐大且又笨重的隔爆外殼，因此，本安儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和造價低等特點(diǎn)。據(jù)資料，建立一個本安型和隔爆型開關(guān)傳輸回路的費(fèi)用之比約為1:4。
 （2） 可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)、標(biāo)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?yàn)榫o固螺栓的丟失或外殼結(jié)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(shù)是一種“弱電”技術(shù)，因此，本安儀表的使用可以避免現(xiàn)場工程技術(shù)人員的觸電傷亡事故的發(fā)生。
 （5） 適用范圍廣。本安技術(shù)是*可適用于0區(qū)危險場所的防爆系統(tǒng)。
 （6） 對于像熱電偶等簡單設(shè)備，不需特別認(rèn)證即可接入本安防爆系統(tǒng)。
 可見，與其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技術(shù)可給工業(yè)自動化儀表帶來技術(shù)上的突出特點(diǎn)。
3  本安防爆技術(shù)在過程自動化工程中的應(yīng)用
 　　本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由三部分組成:現(xiàn)場本質(zhì)安全儀表、本質(zhì)安全電纜及本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設(shè)備?，F(xiàn)場儀表包括各種安裝在危險場所的一次檢測儀表，以兩線制變送器為代表的本質(zhì)安全點(diǎn)電纜帶有接地線，以耐久性的純藍(lán)色與其它電纜相區(qū)別;關(guān)聯(lián)設(shè)備包括齊納式安全柵、隔離式安全柵、其他形式的具有限流、限壓功能的保護(hù)裝置。能將竄入到現(xiàn)場本安設(shè)備的能量限制在安全值內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。

4  本質(zhì)安全的防爆認(rèn)證
4.1  本安防爆是整體防爆的概念
 　　對構(gòu)成系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備、安全柵必須經(jīng)過國家*認(rèn)證機(jī)構(gòu)防爆認(rèn)證，同時需要認(rèn)證機(jī)構(gòu)簽發(fā)的本安儀表和安全柵的聯(lián)合取證確認(rèn)該本安回路的安全性。現(xiàn)場設(shè)備為簡單設(shè)備時無需本安認(rèn)證，即可與已取得本安認(rèn)證的安全柵配合構(gòu)成本安防爆回路。簡單設(shè)備是指觸點(diǎn)開關(guān)、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設(shè)備中不含儲能元件。
 4.2  本質(zhì)安全回路防爆認(rèn)證的原則

5  本質(zhì)安全儀表及回路的特殊要求
 5.1  對接地的要求
　　 本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨(dú)立接地。整個自動化儀表系統(tǒng)有四種類型的接地:本質(zhì)安全型儀表系統(tǒng)接地、信號回路接地、屏蔽接地和保護(hù)接地。信號回路接地與屏蔽接地可共用一個單獨(dú)的接地極，本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)需獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，與其它接地網(wǎng)相距5m以上，一般要求本質(zhì)安全地的接地電阻小于1Q。其它兩種接地電阻按設(shè)計或規(guī)范要求一般在4Q以下。保護(hù)接地可接到電氣工程低壓電氣設(shè)備的保護(hù)接地網(wǎng)上。
 5.2  對連接電纜的要求
　　 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(dāng)線路出現(xiàn)開路或短路時，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)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(yīng)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(yàn)機(jī)構(gòu)主要采取以集中參數(shù)的方式考慮電纜分布參數(shù)的方法。
 連接電纜本安性能的基本參數(shù)如下:
 電纜zui大允許分布電容（Ci）:
 （Cc）=（Ck）×L
 電纜zui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(shí)際配線長度。
 　　本質(zhì)安全電纜是一種低電容、低電感的電纜、與其它電纜相比具有優(yōu)異的屏蔽性能和抗干擾性能，適用于爆炸危險場所及其它防爆安全要求較高的場合。在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
 （1） 本安線路內(nèi)的接地線與屏蔽連接線要可靠絕緣。
 （2） 信號回路的接地點(diǎn)應(yīng)在控制室側(cè)，當(dāng)采用接地型熱電偶和檢測部分已接地的儀表時，控制室側(cè)不再接地。
 （3） 屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應(yīng)在同一側(cè)接信號回路地。
 5.3  設(shè)備溫度等級
 　　設(shè)備溫度等級規(guī)定了設(shè)備表面的zui高允許溫度值，見表2。這主要基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的考慮。在絕大部分情況下，有較低溫度等級的設(shè)備購買和安全方面費(fèi)用較高。通過比較，選用本安設(shè)備將更加有效和經(jīng)濟(jì)。直接安裝在危險場所的本安設(shè)備需要考慮設(shè)備溫度等級，而關(guān)聯(lián)設(shè)備不需要進(jìn)行設(shè)備溫度等級的部分。設(shè)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(zhì)的點(diǎn)燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。

 5.4  本安電氣設(shè)備的選用原則
 （1） 簡單設(shè)備。按照GB3836.4-2000防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A，其功率不超過25mW的電器設(shè)備可視為簡單設(shè)備，他們的典型特點(diǎn)是儀表設(shè)備的內(nèi)部等效電感Li=0,內(nèi)部等效電容Ci=0。此類設(shè)備可直接應(yīng)用在現(xiàn)場。
 （2） 本安電氣設(shè)備。安裝于危險場所的現(xiàn)場設(shè)備、必須明確以下問題:
 ●是否已按照DB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設(shè)計并已被國家防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的本安電氣設(shè)備。
 ●防爆標(biāo)志規(guī)定的等級是否適用于使用的危險場所的安全要求。
 ●本安電路是否接地或接地部分的本按電路是否與安全柵接口部分的有電路加以有效隔離。
 ● 信號傳輸?shù)姆绞郊氨景搽姎庠O(shè)備的zui低工作電壓和回路正常工作電流。
 在明確以上問題的基礎(chǔ)上，選擇相對應(yīng)的安全柵。
 （3） 安全柵的選用原則
 ● 安全柵的防爆標(biāo)志等級必須不低于本安現(xiàn)場設(shè)備的防爆標(biāo)志等級。
 ●確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場設(shè)備的zui低工作電壓。
 ●安全柵的本安端安全參數(shù)能夠滿足Uoc≤Ui、Isc≤Ii、Ca≥Ci+Cc、La≥Li+Lc的要求。
 ●安全柵要與本安現(xiàn)場儀表的安全極性及信號傳輸方式相匹配。
 ●做好相應(yīng)的保護(hù)工作，避免安全柵的漏電電流影響本安現(xiàn)場設(shè)備的正常工作。 
6  結(jié)束語
　　 雖然本安型儀表在儀表匹配、電纜的使用和接地等方面有許多特殊的要求，但隨著微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化儀表已趨于低功耗、電子化、小型化發(fā)展，更加容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，綜上所述，對于自動化儀表而言，本安防爆技術(shù)是一種比較理想的防爆技術(shù)，它也必將被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。