本安回路參數匹配驗證

朱東利

(中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210000)

本安回路參數匹配驗證

朱東利

(中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210000)

本安回路的設計理念在石化裝置中已被廣泛接受，但對本安回路匹配性進行驗證的工程比較少，針對目前一些建設單位提出的本安回路計算要求，介紹了本安回路驗算的參考標準(IEC 60079-14和GB 3836.15)、概念及基本方法。介紹了本安回路的組成及現(xiàn)場本安儀表、本安電纜和安全柵的作用，提出了本安回路參數匹配性驗證的方法；給出了常見品牌變送器、安全柵的本安認證參數，并對其構成的簡單本安回路進行匹配性驗證；對比了回路內引入不同組合方式的電涌防護器對本安回路匹配性驗證結果的影響。通過案例分析得出本安回路設計時的注意事項，以及需要重點注意本安回路匹配性驗證的場合，供石化工程設計過程中快速判斷本安回路的匹配性，減少本安回路匹配性驗證工作的工作量。

本安回路； 本安電纜； 認證參數； 匹配性； 驗證； 浪涌保護器； 儀表設計； 電容； 電感

0 引言

儀表本安回路廣泛應用在石化裝置中，部分外資建設項目對本安回路參數匹配性有計算的要求，而目前國內大部分建設項目未重視此項工作。隨著國內業(yè)主方安全管理意識、專業(yè)水平的提高，以及國內工程公司業(yè)務國際化轉移的趨勢，本安回路計算將成為設計工作中必不可少的組成部分。

本安回路的驗證方法由《Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design,selection and erection》(IEC 60079-14)提出，國內對應的標準為《爆炸性環(huán)境 第15部分：危險場所電氣安裝(煤礦除外)》(GB 3836.15)。

1 本安回路構成

本安回路一般由現(xiàn)場本安儀表、本安電纜、安全柵組成。

①現(xiàn)場本安儀表：在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產生的任何火花或任何熱效應應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路構成的電氣設備。本安儀表本身產生的能量不足以引起爆炸，但如果外加能量超過其最大值時，將破壞其本質安全性。

②本安電纜：電纜的相鄰導線、導線與屏蔽層之間都具有一定的電容，它對電路的影響等于給電路并聯(lián)了一個電容器[1]；當導線內電流發(fā)生變化時，在導線周圍產生磁場，變化的磁場又會在導線上產生電動勢，相當于給電路串聯(lián)了一個電感器。當線路發(fā)生開路或短路時，電纜中的分布電容、分布電感存儲的能量會以電火花或熱效應的形式釋放。相對于普通電纜，本安電纜有更小的分布電容和分布電感，能夠防止因電纜中存儲的能量而影響系統(tǒng)的本安性能。

③安全柵：能夠將安全場所的非本安回路傳到危險場所的本安設備的能量，抑制在最小點燃能量以下。

2 本安回路計算方法

目前，本安回路驗證方法有系統(tǒng)認可和參量認可。由于系統(tǒng)認可需對現(xiàn)場設備、電纜、安全柵進行聯(lián)合認證，組合靈活性差，因此，參量認可的方式[2]更為適用。

本安回路參量認可方式中，安全柵、本安電纜、本安儀表需滿足以下5個條件[3]：

(1)

式中：Uo為安全柵可輸出的最大電壓，V；Io為安全柵可輸出的最大電流，mA；Po為安全柵可輸出的最大功率，W；Co為安全柵允許外接的最大電容，μF；Lo為安全柵允許外接的最大電感，mH；Ui為本安儀表最大可接收的電壓，V；Ii為本安儀表最大可接收的電流，mA；Pi為本安儀表最大可接收的功率，W；Ci為本安儀表內部總等效電容，μF；Li為本安儀表內部總等效電感，mH；∑Cc為本安電纜分布電容，μF；∑Lc為本安電纜分布電感，mH。

上述參數可從本安設備的防爆認證證書上獲取。值得注意的是，IEC 60079-14規(guī)定：當本安回路現(xiàn)場有多個本安設備時，Ui和Li分別為所有本安設備等效電容和等效電感之和；當∑Ui>1%Uo且∑Li>1%Lo時，安全柵的Uo和Lo應除以2后再代入式(1)中進行本安回路驗算[4]。

3 常見本安回路驗證

本文選取常見的儀表本安回路，并以知名品牌為例，選擇爆炸危險組別為IIC，進行本安回路參數匹配認證。部分知名型號現(xiàn)場儀表本安參數如表1所示。

表1 現(xiàn)場儀表本安參數

部分知名型號安全柵(一進一出模擬量輸入/輸出隔離安全柵)本安參數如表2所示。

表2 安全柵本安參數(IIC組別)

通過比較電壓、電流和功率，可以看出百特FB8326雷達液位計Ui為26.4 V，能和辰竹的模擬量安全柵(Uo=25.4 V)配套使用，而和其他幾種品牌安全柵配套使用則無法構成本安回路；ASCO 630先導式本安電磁閥(Pi=0.9 W)與MTL5521 DO安全柵(Po=0.919 W)配套使用，無法構成本安回路。

以安徽長通電纜IA-DJYVPR橫截面積1.5 mm2的本安型計算機控制電纜為例，電纜分布電容Cc≤80×10-6μF/m，分布電感Lc≤0.6×10-3mH/m。由分布電容和分布電感分別計算出的本安電纜最大長度為：

(2)

(3)

取SC和SL的較小值為本安電纜的最小長度。

假設Rosement 3051與辰竹模擬量隔離式安全柵構成本安回路，將Ci=10 nF、Li=0.01 mH、Co=0.083 μF、Lo=4.2 mH代入式(2)、式(3)，得出本安電纜長度SC≤912 m、SL≤6 983 m，取二者較小值，則該本安回路電纜最長為912 m，超過此長度則本安回路驗證不通過。

當采用接線箱將分支電纜匯成主干電纜時，應確定分支電纜長度后，再根據多芯電纜的Cc、Lc進行主干電纜的長度計算。

4 內含電涌防護器的本安回路驗證

《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計規(guī)范》(SH/T3164-2012)5.1.2條規(guī)定：“防雷等級為一級的區(qū)域和控制室應實施儀表系統(tǒng)防雷工程”。圖1給出了電涌防護器的本安回路?，F(xiàn)場儀表可選擇含“簡單設備”的串聯(lián)(或并聯(lián))型現(xiàn)場安裝式電涌防護器，如圖1(a)所示；也可選擇非“簡單設備”的電涌防護器，如圖1(b)所示。

圖1 電涌防護器的本安回路示意圖

SH3164-2012 10.1.1.3規(guī)定：“同一本安線路中的現(xiàn)場儀表電涌防護器和控制室端電涌防護器，如果不是‘簡單設備’，則應將兩者的本安參數綜合考慮”。而10.1.2.1條文解釋：“現(xiàn)場儀表的電涌防護器應為本安設備，控制室的電涌防護器不是本安設備而是本安電路的關聯(lián)設備”[5]。

圖1(a)中的現(xiàn)場串聯(lián)安裝的CZLBX-48-S型電涌防護器，是由氣體放電管、電阻和二極管組成的“簡單設備”，具有不存儲也不產生點火能量的特性。非簡單設備的T-24-EX-L的本安認證參數為：Ui=28 V，Ii=100 mA，Pi=0.7 W，Ci=0 μF，Li=0 mH。因電涌防護器串聯(lián)在本安回路內，電涌防護器的輸出電氣參數Uo、Io、Po、Co、Lo與配套使用的隔離安全柵認證參數一致。

圖1(a)在一般本安回路內增加“簡單設備”的現(xiàn)場安裝型電涌防護器，以控制室設置的電涌防護器作為關聯(lián)設備，不影響回路本安驗算結果。

圖1(b)的方案相當于本安回路危險區(qū)有2個本安設備，在進行本安回路驗證時，需取2個本安設備的Ui、Ii、Pi中的最小值以及Ci與Li之和參與式(1)的運算。經過運算可知，圖1(b)中增加2個非“簡單設備”的電涌防護器不影響本安回路驗算結果。

5 結束語

雖然工程實踐中絕大部分本安回路參數匹配驗證是可以通過的，但在本安回路設計時，應注意以下事項。

①在選用Ui<28 V現(xiàn)場本安設備或本安型電磁閥時，需重點驗證其本安回路參數匹配性。

②當單根電纜長度超過500 m時，宜進行本安回路計算。

③應避免現(xiàn)場本安設備輸出2路本安信號的設計，此類本安回路驗算比較復雜[6]。

④對于熱電阻、熱電偶、開關等“簡單設備”組成的本安回路，可不對其回路進行驗證。

⑤多芯本安電纜應采用總屏加分屏對絞的計算機控制電纜，避免多芯電纜之間的疊加影響。敷設儀表線路時，應嚴格遵循規(guī)范要求，與強電線路保持一定的距離，以防止因產生感應電流而破壞本安回路的性能[7]。

[1] 杜建華,王長水.控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J].自動化技術與應用，2010，28(9)：120-122.

[2] 李勝利.本安防爆系統(tǒng)設計中安全柵的選用[J].石油化工自動化，2000(1):6-7.

[3] 國家機械局.GB 3836.15 爆炸性環(huán)境 第15部分：危險場所電氣安裝(煤礦除外)[S].北京： 中國標準出版社,2000:26-28.

[4] IEC/SC 31J.IEC60079-14-2013 Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design，selection and erection[S].瑞士：國際電工委員會，2013：56-57.

[5] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.SH3164-2012石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2013：15.

[6] 王珍.本質安全儀表回路設計方法探討[J].石油化工自動化，2009(4)：65-70.

[7] 范紅衛(wèi)，常新宏，洪強,等.本安系統(tǒng)設計問題探討[J].礦冶，2006，15(2)：74-77.

Parameter Matching Verification of the Intrinsically Safe Loop

ZHU Dongli

(China Construction Installation Engineering Co.,Ltd.，Nanjing 210000，China)

The design concept of intrinsically safe (IS) loop has been widely accepted in petrochemical plants,but there are few of projects to validate the matching performance of intrinsically safe loop.In accordance with the calculation requirements of some construction organizations,the reference standards IEC 60079-14 and GB 3836.15,the concept and calculation methods of IS loop are introduced.The composition of IS loop and the functions of field IS instruments,IS cables and safety barriers are presented,and the verification method of the parameter matching of IS loop is proposed; commonly seen brands of transmitters,barriers and IS verification parameters,the matching verification of the simple IS loops are conducted; and the influence of introducing different combination of surge protection devices into IS loop on the results of matching verification is given.Through analyzing certain cases,the cautions in designing the IS loops,and in which occasions the matching verification shall be emphasized are obtained. These make rapid judgement of the matching performance in design procedures and reduce the workload in matching verification of IS loop.

Intrinsically safe loop； Intrinsically safe cable； Authentication parameter ； Matching； Verification； SPD； Instrument design； Capacitance; Inductance

朱東利(1987—)，男，學士，工程師，主要從事石油化工儲運醫(yī)藥的自控設計方向的研究。E-mail：515914681@qq.com。

TH811;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706021

修改稿收到日期:2016-11-07