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本安儀表有關的幾點防爆知識
2021-01-14
由于火災爆炸直接威脅人身和財產安全，為杜絕火災爆炸事故的發(fā)生，人們對于儀器的防爆格外重視。目前，防爆技術已經取得了顯著的進步，并在各行各業(yè)有著廣泛的應用。而在自動化儀表的防爆形式中，以本安型、隔爆型和增安型最為常見。相比其他防爆形式，本安防爆技術，即本質安全型（簡稱本安型）防爆形式，不僅結構簡單，應用廣泛，而且操作維護方便，頗受歡迎。目前，這種通過抑制點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普遍接受，并得到了更為廣闊的推廣和應用。為便于用戶更好地應用本安儀表，本文就本安儀表有關的幾點防爆知識介紹如下。
一、本安防爆技術的工作原理
本安防爆技術實際上是一種低功率設計技術。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，本安技術能很好的適用于工業(yè)自動化儀表。
由于引起爆炸性危險氣體爆炸的主要引爆源是電火花和熱效應，本質安全技術通過限制電火花和熱效應這兩個可能的引爆源來防止爆炸的發(fā)生。在正常工作和故障狀態(tài)下，當儀表產生的電火花或熱效應的能量小于一定程度時，低度表不可能點燃爆炸性危險氣體而產生爆炸。本質安全防爆技術本質上是一種低功率設計技術，其原理是從限制能量入手，將電路中的電壓和電流限制在一個允許的可靠范圍內，本安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。
對于氫氣環(huán)境，也就是危險程度最高、最易爆的環(huán)境，通常須將功率限制在1.3W以下。國際電工委員會（IEC）規(guī)定，在危險程度最高的危險場所0區(qū)，只能采用Exia等級的本安防爆技術。可見，本質安全防爆技術是一種最安全、最可靠、適用范圍也最為廣泛的防爆技術。
本質儀表設備按安全程度和使用場所的不同，可分為Ex ia和Ex ib。而Ex ia的防爆級別要高于Ex ib。具體說來：
Ex ia級本安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級本安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)。
二、本安防爆技術的主要特點
1．安全可靠性高。本安儀表不因緊固螺栓的丟失或外殼結合面銹蝕、劃傷等人為原因使儀表的安全可靠性降低。
2．應用范圍廣。本安技術是目前唯一可適用于0區(qū)危險場所的防爆技術。
3．本安防爆技術作為一種“弱電”技術，能夠有效避免現(xiàn)場工程技術人員使用本安儀表時發(fā)生觸電傷亡事故。
4．還可在帶電情況下維護、標定和更換儀表的部分零件等。
5．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、重量輕和造價低等特點。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。
6．對于像熱電偶等簡單設備，無需特別認證即可接入本安防爆系統(tǒng)。
可見，相比其他防爆型式類型，采用本安防爆技術具有較為明顯的優(yōu)勢。
三、本安防爆技術在過程自動化工程中的應用
本安防爆系統(tǒng)由現(xiàn)場本安儀表、本質安全電纜及本質安全關聯(lián)設備三部分組成。具體是指：
1．現(xiàn)場儀表包括各種安裝在危險場所的一次檢測儀表。
2．二線制變送器為代表的本質安全電纜帶有專用接地線，以耐久性的純藍色與其它電纜相區(qū)別。
3．本質安全關聯(lián)設備包括齊納式安全柵、隔離式安全柵（分為操作端隔離式安全柵和檢測端隔離式安全柵）、其他形式的具有限流、限壓功能的保護裝置。
本安防爆技術能夠將竄入到現(xiàn)場本安設備的能量限制在安全值內，從而確?，F(xiàn)場設備、人員和生產的安全。
四、本安的防爆認證
1．本安防爆是一種整體防爆，對構成系統(tǒng)的現(xiàn)場設備、安全柵必須經過國家授權認證機構防爆認證，同時需要認證機構簽發(fā)的本安儀表和安全柵的聯(lián)合取證確認該本安回路的安全性。現(xiàn)場設備為簡單設備時無需本安認證，即可與已取得本安認證的安全柵配合構成本安防爆回路。簡單設備是指觸點開關、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設備中不含儲能元件。
2．本質安全回路防爆認證的原則。
五、本安儀表及本安儀表回路的特殊要求
1．對接地的特殊要求
本質安全型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨立接地。整個自動化儀表系統(tǒng)有本安儀表保護接地、系統(tǒng)接地、信號回路接地、屏蔽接地四種類型的接地。其中，保護接地可接到電氣工程低壓電氣設備的保護接地網上。信號回路接地與屏蔽接地可共用一個單獨的接地極，本安儀表系統(tǒng)需獨立設置接地系統(tǒng)，與其它接地網相距5m以上，一般要求本質安全地的接地電阻小于1Ω。其它兩種接地電阻按設計或規(guī)范要求一般在4Ω以下。
2．對連接電纜的特殊要求
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的形式釋放出來，影響系統(tǒng)的本安性能。因此既要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。
本質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。在使用中應注意以下幾點：
①本安線路內的接地線與屏蔽連接線應可靠絕緣。
②屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應在同一側接信號回路地。
?、坌盘柣芈返慕拥攸c應在控制室側，當采用接地型熱電偶和檢測部分已接地的儀表時，控制室側不再接地。
3．設備溫度等級
基于技術和經濟上的考慮，設備溫度等級規(guī)定了設備表面的最高允許溫度值。在多數情況下，有較低溫度等級的設備購買和安全方面費用較高。比較而言，本安設備將更為經濟和有效。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(lián)設備則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，以免引起燃燒爆炸。
4．本安電氣設備的選用原則
①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，其功率不超過25mW的電器設備可視為簡單設備，其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。此類設備可在現(xiàn)場直接應用。
?、诒景搽姎庠O備。安裝于危險場所的現(xiàn)場設備、必須明確以下問題：
◆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。
◆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。
◆信號傳輸的方式及本安電氣設備的最低工作電壓和回路正常工作電流。
◆是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計并已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備。
在明確以上問題的基礎上，選擇相對應的安全柵。
?、郯踩珫诺倪x用原則
◆安全柵的防爆標志等級必須不低于本安現(xiàn)場設備的防爆標志等級。
◆確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場設備的最低工作電壓。
◆安全柵的本安端安全參數能夠滿足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。
◆做好相應的保護工作，避免安全柵的漏電電流影響本安現(xiàn)場設備的正常工作。
盡管本安儀表在儀表匹配、電纜的使用和接地等方面的要求較為特殊，但隨著微電子技術、微處理器技術的迅速發(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，更容易實現(xiàn)本質安全。
可見，本安防爆技術是自動化儀表比較理想的一種防爆技術，其所具有的特點和優(yōu)點使其在現(xiàn)場總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中有著較好的應用前景。
為滿足用戶在爆炸環(huán)境中進行物位測量的需要，計為自動化的音叉液位開關、音叉料位開關、阻旋料位開關、振棒料位開關等儀表均通過了本安隔爆雙重防爆認證，個別儀表通過了粉塵隔爆、粉塵本安、氣體隔爆、氣體本安防爆認證，以便使用戶安全可靠放心的使用。
一、本安防爆技術的工作原理
本安防爆技術實際上是一種低功率設計技術。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，本安技術能很好的適用于工業(yè)自動化儀表。
由于引起爆炸性危險氣體爆炸的主要引爆源是電火花和熱效應，本質安全技術通過限制電火花和熱效應這兩個可能的引爆源來防止爆炸的發(fā)生。在正常工作和故障狀態(tài)下，當儀表產生的電火花或熱效應的能量小于一定程度時，低度表不可能點燃爆炸性危險氣體而產生爆炸。本質安全防爆技術本質上是一種低功率設計技術，其原理是從限制能量入手，將電路中的電壓和電流限制在一個允許的可靠范圍內，本安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。
對于氫氣環(huán)境，也就是危險程度最高、最易爆的環(huán)境，通常須將功率限制在1.3W以下。國際電工委員會（IEC）規(guī)定，在危險程度最高的危險場所0區(qū)，只能采用Exia等級的本安防爆技術。可見，本質安全防爆技術是一種最安全、最可靠、適用范圍也最為廣泛的防爆技術。
本質儀表設備按安全程度和使用場所的不同，可分為Ex ia和Ex ib。而Ex ia的防爆級別要高于Ex ib。具體說來：
Ex ia級本安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級本安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)。
二、本安防爆技術的主要特點
1．安全可靠性高。本安儀表不因緊固螺栓的丟失或外殼結合面銹蝕、劃傷等人為原因使儀表的安全可靠性降低。
2．應用范圍廣。本安技術是目前唯一可適用于0區(qū)危險場所的防爆技術。
3．本安防爆技術作為一種“弱電”技術，能夠有效避免現(xiàn)場工程技術人員使用本安儀表時發(fā)生觸電傷亡事故。
4．還可在帶電情況下維護、標定和更換儀表的部分零件等。
5．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、重量輕和造價低等特點。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。
6．對于像熱電偶等簡單設備，無需特別認證即可接入本安防爆系統(tǒng)。
可見，相比其他防爆型式類型，采用本安防爆技術具有較為明顯的優(yōu)勢。
三、本安防爆技術在過程自動化工程中的應用
本安防爆系統(tǒng)由現(xiàn)場本安儀表、本質安全電纜及本質安全關聯(lián)設備三部分組成。具體是指：
1．現(xiàn)場儀表包括各種安裝在危險場所的一次檢測儀表。
2．二線制變送器為代表的本質安全電纜帶有專用接地線，以耐久性的純藍色與其它電纜相區(qū)別。
3．本質安全關聯(lián)設備包括齊納式安全柵、隔離式安全柵（分為操作端隔離式安全柵和檢測端隔離式安全柵）、其他形式的具有限流、限壓功能的保護裝置。
本安防爆技術能夠將竄入到現(xiàn)場本安設備的能量限制在安全值內，從而確?，F(xiàn)場設備、人員和生產的安全。
四、本安的防爆認證
1．本安防爆是一種整體防爆，對構成系統(tǒng)的現(xiàn)場設備、安全柵必須經過國家授權認證機構防爆認證，同時需要認證機構簽發(fā)的本安儀表和安全柵的聯(lián)合取證確認該本安回路的安全性。現(xiàn)場設備為簡單設備時無需本安認證，即可與已取得本安認證的安全柵配合構成本安防爆回路。簡單設備是指觸點開關、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設備中不含儲能元件。
2．本質安全回路防爆認證的原則。
五、本安儀表及本安儀表回路的特殊要求
1．對接地的特殊要求
本質安全型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨立接地。整個自動化儀表系統(tǒng)有本安儀表保護接地、系統(tǒng)接地、信號回路接地、屏蔽接地四種類型的接地。其中，保護接地可接到電氣工程低壓電氣設備的保護接地網上。信號回路接地與屏蔽接地可共用一個單獨的接地極，本安儀表系統(tǒng)需獨立設置接地系統(tǒng)，與其它接地網相距5m以上，一般要求本質安全地的接地電阻小于1Ω。其它兩種接地電阻按設計或規(guī)范要求一般在4Ω以下。
2．對連接電纜的特殊要求
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的形式釋放出來，影響系統(tǒng)的本安性能。因此既要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。
本質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。在使用中應注意以下幾點：
①本安線路內的接地線與屏蔽連接線應可靠絕緣。
②屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應在同一側接信號回路地。
?、坌盘柣芈返慕拥攸c應在控制室側，當采用接地型熱電偶和檢測部分已接地的儀表時，控制室側不再接地。
3．設備溫度等級
基于技術和經濟上的考慮，設備溫度等級規(guī)定了設備表面的最高允許溫度值。在多數情況下，有較低溫度等級的設備購買和安全方面費用較高。比較而言，本安設備將更為經濟和有效。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(lián)設備則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，以免引起燃燒爆炸。
4．本安電氣設備的選用原則
①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，其功率不超過25mW的電器設備可視為簡單設備，其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。此類設備可在現(xiàn)場直接應用。
?、诒景搽姎庠O備。安裝于危險場所的現(xiàn)場設備、必須明確以下問題：
◆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。
◆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。
◆信號傳輸的方式及本安電氣設備的最低工作電壓和回路正常工作電流。
◆是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計并已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備。
在明確以上問題的基礎上，選擇相對應的安全柵。
?、郯踩珫诺倪x用原則
◆安全柵的防爆標志等級必須不低于本安現(xiàn)場設備的防爆標志等級。
◆確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場設備的最低工作電壓。
◆安全柵的本安端安全參數能夠滿足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。
◆做好相應的保護工作，避免安全柵的漏電電流影響本安現(xiàn)場設備的正常工作。
盡管本安儀表在儀表匹配、電纜的使用和接地等方面的要求較為特殊，但隨著微電子技術、微處理器技術的迅速發(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，更容易實現(xiàn)本質安全。
可見，本安防爆技術是自動化儀表比較理想的一種防爆技術，其所具有的特點和優(yōu)點使其在現(xiàn)場總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中有著較好的應用前景。
為滿足用戶在爆炸環(huán)境中進行物位測量的需要，計為自動化的音叉液位開關、音叉料位開關、阻旋料位開關、振棒料位開關等儀表均通過了本安隔爆雙重防爆認證，個別儀表通過了粉塵隔爆、粉塵本安、氣體隔爆、氣體本安防爆認證，以便使用戶安全可靠放心的使用。
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（深圳計為自動化技術有限公司市場部2021年1月14日發(fā)布）
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