隔爆和本安系統防爆原理和選用原則

付奇

摘 要：本文介紹了自動化儀表系統在爆炸危險場所安全應用的防爆技術，并重點講述了自動化儀表產品最為常用的隔爆型和本質安全型防爆技術的特點，最后闡述了冶金行業設計中對于這兩者的選用原則。

關鍵詞：本安 隔爆 安全柵

中圖分類號：TD53 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）0084-01

在現代化工業生產中，儀表已經不僅僅是用于正常的生產過程測量與控制，同時儀表本身還應具有安全檢測和防爆功能。所以如果在設計時遇到有爆炸性氣體或粉塵的場所，就必須考慮自動化儀表及其系統自身的電氣防爆問題。

1 爆炸的產生條件

不論是何種形式的爆炸都必須具備3個條件才能發生。

（1）爆炸性物質：能與氧氣發生化學反應的物質。包括氫氣，酒精，粉塵等。（2）氧氣：空氣。（3）點燃源：使爆炸性物質與氧氣的混合物發生化學反映的物質。包括明火、電氣火花、高溫、光能等。

若想防止爆炸，就要設法避免上述3個條件同時出現。但實際上許多工業現場滿足爆炸條件：濃度到達爆炸極限范圍內的爆炸性物質與氧氣的混合物，只要出現爆炸源，就將引發爆炸。因此就必須采取必要的防爆措施。最直截了當的方法就是在生產現場避免出現可能成為點燃源的電氣設備，而將其安裝在安全場所，但有些實際生產現場并不具備這樣的條件，必須要求儀表安裝在現場使用，那么就要把儀表成為點燃源的可能性消除掉，此時，就必須采用必要的防爆措施，以避免事故的發生。

2 危險場所區域等級的劃分

危險場所區域的含義，是對該地區實際存在危險可能性的量度，由此規定其可適用的防爆型式。

國際電工委員會/歐洲電工委員會劃分的危險區域的等級分類：

0區（Zone 0）：連續出現或長期出現爆炸性混合物的環境。

1區（Zone 1）：正常運行時可能出現爆炸性混合物的環境；

2區（Zone 2）：正常運行時不可能出現爆炸形混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性混合物的環境。

3 儀表防爆的主要類型

防爆原理有三種：（1）間隙防爆。（2）控制點燃源能量。（3）阻止點燃源與爆炸形混合物相接處。根據不同的防爆原理，電氣設備防爆形式也多種多樣。在冶金行業中，自動化儀表最常用的防爆形式是本質安全型（Ex i）和隔爆型（Ex d）。下面詳細說下這兩種防爆類型的防爆原理和在設計中需要注意的問題。

3.1 本質安全型

本安就是通過限制點燃源的能量來實現的。這種點燃源一般是電火花和熱效應。在正常工作和故障狀態下，儀表產生的點燃源的能量小于這個能量時，就不可能點燃爆炸性混合物而產生爆炸。

本安防爆的原理是從限制能量入手，將電路中的電壓和電流嚴格的限制在一個允許的范圍內，并且能保證儀表在正常工作或發生短路和元器件損壞等故障情況下產生的電火花和熱效應不超過引爆周圍的爆炸性氣體的閥值。由于氫氣環境的危險程度最高，最容易被引爆，所以規定必須將電路功率限制在1.3 W以下—— 即無法引爆氫氧混合物的功率以下。

本質安全型儀表設備按電路設計和使用危險區域不同，分為Ex ia和Ex ib。

Ex ia級本質安全儀表適用于0區、l區和2區，工作電流低于100 mA。

Ex ib級本質安全儀表僅適用于l區和2區。工作電流低于150 mA。

本質安全防爆系統由三部分組成：本質安全關聯設備，本質安全電纜和現場的本質安全儀表。

關聯設備是一種安裝在沒有爆炸性氣體的安全場所，一般安裝主控室的PLC柜或者儀表盤中，它是本安電氣設備與非本安電氣設備之間相連的電氣設備，可以將傳至現場本安設備（即危險場所）的能量限制在閥值內，從而確保現場不會出現可以引起爆炸的點燃源。通常包括齊納式安全柵、隔離式安全柵和其他限制傳輸功率的保護裝置。

本質安全電纜是一種低電容、低電感的電纜。具有更好的屏蔽性能和抗干擾性能，使信號在傳輸過程中不會由于電磁干擾使電路功率高于閥值。

現場本質安全儀表是指各種電路功率小于1.3W的一次檢測本安儀表，通常用于危險場所。通常此類儀表是兩線制儀表。

典型本安系統回路如圖1所示。

3.2 隔爆型

隔爆型儀表主要是依靠物理防爆—— 即用其儀表外部的機械外殼可以承受殼內發生爆炸產生的壓力，并完全阻止其內部發生的爆炸向殼外傳播。其防爆原理是基于間隙防爆原理。一般情況下，在正常工作中或者故障條件下，儀表可能會產生電火花或危險高溫，因此，儀表設計中通常在一個或多個滿足“間隙隔爆”原理要求的機械外殼中放置相關的電氣零件或者電子線路，以避免這些電氣因素引起的點燃源泄漏到機械外殼外，引爆爆炸性混合物。因此，隔爆外殼的設計必須滿足兩個基本條件。

（1）外殼要能承受內部的爆炸壓力且不被損壞。（2）接合面不傳爆。即制作過程中使接合面的間隙或嚙合長度必須滿足一定要求，在結構上保證內部的爆炸產物不會竄出外殼成為殼外爆炸性混合物的點燃源。

國際電工委員會（IEC）規定隔爆型儀表適用于l區和2區，不能在0區使用。

在選擇哪種類型的防爆儀表的時候，判斷的最根本依據就是危險區域的等級，如果是0區，則必須采用本安防爆系統；如果是1區或者2區的時候，本安和隔爆系統均可滿足，此時就要考慮建設成本，一般情況下，隔爆型儀表的隔爆外殼制作成本高于本安型儀表的本安電路成本，故隔爆型儀表價格遠高于本安型儀表。例如在鋼廠的煤氣柜區，屬于2區，所以選用本安和隔爆均可，但從生產成本角度來看，選用成本較低的儀表，故選用本安型儀表加安全柵的較多。

需要要注意的是選用隔爆型儀表，不需要再選用安全柵；選用本安型儀表，必須加配安全柵，否則無法構成本安回路，起不到本安效果。

4 結語

防爆技術的發展，再基礎硬件設施上降低了爆炸的可能性，提高了生產安全性。隨著工業自動化程度日益提高，生產規模擴大，在設計的儀表選型中，要將安全性與生產成本綜合考慮，在達到安全標準的同時盡可能的減少成本，提高整個系統的安全性。從硬件上實現安全生產的目的。

參考文獻

[1] 吳勤勤.控制儀表及裝置[M].化學工業出版社.

[2]工業自動化儀表與系統手冊[M].北京：中國電力出版社，2008（8）.