本質安全儀表回路設計相關問題的探討

梁達

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

本質安全防爆(以下簡稱本安防爆)是石油化工裝置儀表設計中常用的防爆方式之一，該防爆方式是一種低功率設計技術，從限制能量入手，通過將暴露于爆炸性環境中的儀表設備及連接導線可能產生的電火花或熱效應限制在允許的范圍內，以保證儀表在正常工作或發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氣體的爆炸。

本安儀表回路由處于危險區域的本安電路和處于安全區域的非本安電路組成，而本安電路由現場本安設備、本安連接電纜及安全柵構成，本安儀表回路構成如圖1所示。

圖1 本安儀表回路的構成示意

本安設備及關聯設備均需取得檢驗機構的認證，并出具認證證書。檢驗認證方法通常有3種： 系統認可、參量認可和FISCO認可。工程設計中，主要采用后兩種認可檢驗認證方法，在設計、采購時只需選用經過認證的產品，并依據參量認可的電氣參數進行計算便可[1]。

現有的設計規范對本安儀表及相關設備的選型、線路設計等都有了具體的規范和要求，本文不再贅述，而是就設計中一些容易忽略的問題進行探討。

1 安全柵的電氣參數

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備，用于限制本安電路的能量。

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

a)最高電壓(交流有效值或直流值)Um。施加到關聯設備非本安連接裝置上，而不會使本安性能失效的最高電壓。

b)最高輸出電壓(Uo)。施加電壓達到最高電壓時，可能出現在電氣設備連接裝置上的最高輸出電壓(交流或直流峰值)。

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

d)最大輸出功率(Po)。可從電氣設備獲得的最大功率。

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

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

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

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

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

j)最大內部電容(Ci)。呈現在電氣設備連接裝置上的電氣設備最大等效內部電容。

k)最大內部電感(Li)。呈現在電氣設備連接裝置上的電氣設備最大等效內部電感。

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

a)最大電纜電容(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最大電容。

b)最大電纜電感(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最大電感。

本安電路中，電氣設備和電纜的電氣參數必須滿足表1所列的安全參數匹配條件不等式。

表1 安全參數匹配條件不等式

然而，不同檢驗機構所遵循的認證標準不一樣，最后得到的認證參數也是不一致的，不同的認證參數進而會對設計造成影響。

由于電纜的最大電纜電感Lc遠小于最大外部電感Lo，因此在計算本安電纜長度時通常以滿足本安電路的電容匹配條件不等式作為計算依據，如式(1)所示：

(Ci+∑Cc)≤Co

Cc=LCk

(1)

式中：L——電纜長度；Ck——電纜單位長度分布電容。

為了簡化計算，假設現場儀表的最大內部電容Ci=0，電纜從現場儀表直接接至安全柵。根據某品牌某型號安全柵的不同認證機構認證參數所計算得到的允許敷設最長電纜長度見表2所列。

表2 允許電纜長度計算書

由表1可知，同一安全柵采用不同的標準認證，即使采用同樣的本安電纜，允許敷設的電纜長度也不相同。因此，在設計時應先確定所遵循的標準及認證機構，所有本安設備及關聯設備采用同一認證機構認可的電氣參數，并據此進行設計。

2 本安設備供電

本安回路中現場本安設備的供電有兩種方式： 第一種是采用本安電源對電氣設備供電；第二種為供電電源經過安全柵限能后對現場電氣設備供電，如兩線制變送器、電磁閥等，如圖2所示[2]。因此，在設計選型時應查驗安全柵的輸出特性圖和最大輸出電流，保障電氣設備能正常工作。

圖2 本安儀表供電示意

某工程項目選用某品牌的安全柵，出現了無法驅動本安電磁閥現象。該項目由控制閥成套提供的直動式本安電磁閥最小工作電流為80 mA，本安回路中所選用的開關量輸出安全柵1認證參數為Uo=25 V，Io=185 mA。安全柵1限制輸出電流I限制60 mA，開路時電壓U開路為21.4 V。該安全柵樣本上提供了信號輸出內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。

圖3 安全柵1等效電路圖及信號輸出特征示意

由圖3可見，電源的輸出電流被限制在60 mA，小于電磁閥所需要的最小工作電流80 mA，因此無法驅動該電磁閥動作。

安全柵1已是該項目中輸出電流最大的產品，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，其技術參數如下：Uo=17 V，Io=271 mA，Po=1.152 W。

安全柵2最大輸出電流100 mA，輸出電壓不小于10 V，開路時電壓16.2 V。信號輸出內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。

圖4 安全柵2等效電路及輸出信號特征曲線示意

3 接線箱的選型

接線箱由外殼、端子、安裝導軌、電纜引入裝置(電纜密封接頭)等無源元件組成，屬于簡單設備，當用于本安電路時，可以不經過認證。

在設計本安回路的接線箱時，往往存在兩種傾向： 認為在本安電路中，接線箱為簡單設備，可以任意采用各種接線箱；認為接線箱處于爆炸環境中，應采用防爆接線箱。筆者認為兩種觀念都有些偏頗。

按照規范GB 3836.4—2010《爆炸性環境 第4部分： 由本質安全型“i”保護的設備》第5章第7節“簡單設備”的要求，放置在爆炸環境本安電路中的簡單設備雖然無需本安認證，但是也有一些必須考慮的要點。對于接線箱而言，用于危險場所的非金屬外殼和含有輕金屬的外殼應符合GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分： 設備 通用要求》中7.4和8.1的規定。

為了防止靜電電荷在非金屬材料外殼積聚，從而引起點燃危險，GB 3836.1—2010中7.4節對危險場所的電氣設備的非金屬外殼的表面積及厚度等參數作了限制，應滿足下列要求之一： 表面絕緣電阻不大于1 MΩ；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范要求。

GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分： 設備 通用要求》中8.1針對不同保護級別(EPL)的電氣設備金屬外殼，對鋁、鎂、鈦、鋯等金屬質量分數提出了要求。對于石油化工裝置常用的Ⅱ類電氣設備外殼材料，上述金屬材質的質量分數應符合下列要求：

1)對于EPL Ga。鋁、鎂、鈦和鋯的質量分數為10%；鎂、鈦和鋯的質量分數為7.5%。

2)對于EPL Gb。鎂和鈦的質量分數為7.5%。

3)對于EPL Gc，除風扇、風扇罩和通風孔擋板應符合EPL Gb的要求外，無其他要求。

雖然按照相關規范，本安電路中的接線箱可以無需認證，但相關規范對用于危險場所的接線箱外殼材料、表面絕緣電阻等都有具體的規定，在工程實踐中，為了避免繁瑣的試驗、查證等工作，可以直接采用經過認證的防爆產品。從成本、維護等多方面考慮，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，而接線箱內又未按要求做好隔離措施，本安接線箱應有顏色、文字等明顯標識。

4 本安電纜選型

從結構上看，本安電纜與普通屏蔽電纜差不多，只是護套顏色不同而已，因此有些設計人員認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應使本安性能不受外界電場或磁場的干擾。GB/T 3836.18—2017《爆炸性環境 第18部分： 本質安全電氣系統》第9章對用于本安電路的電纜結構、所能承受的介電強度實驗和屏蔽有具體要求，不滿足要求的電纜不允許使用在本安電路中。

1)該規范9.1節要求本質安全電路應采用絕緣能夠承受至少500 V交流電壓或750 V直流電壓的耐壓試驗的絕緣電纜。

2)該規范9.3節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與導線直徑和絕緣要求相適應，至少為0.2 mm。多芯電纜應能承受下列介電強度試驗：

a)鎧裝護套和/或屏蔽連接在一起，所有芯線連接在一起，二者之間施加500 V交流電壓或750 V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1 kV交流電壓值或1.5 kV直流電壓。

3)該規范9.4節要求本安電纜屏蔽的覆蓋率至少應為表面積的60%。

同時，為了限制電纜本身的儲能，滿足表1所列安全參數匹配條件不等式，本安回路連接電纜的分布電感和分布電容應盡量低。美國國家防火協會(NFPA)對用于1區的本安回路的連接電纜的最大分布電容和分布電纜曾有過要求，即[3]：Lc≤0.66 μH/m，Cc≤197 pF/m。

對于注明本安電纜的電纜產品，均應嚴格按照規范要求設計和制造，并以低分布電容和低分布電感作為產品特點。因此，在工程中對于本安信號的傳輸，應采用專用的本安電纜。本安電纜應按照規范要求采用淺藍色外護套，以與非本安電路區分。

5 本安電纜敷設

本安電纜的敷設和安裝應確保本安電路不會因為人為疏忽或電纜的破損而連接到非本安電路中。為此，規范一般都要求本安電纜與非本安電纜分開敷設。具體要求：

1)本安電路與非本安電路不應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在不同的電纜橋架內或在同一橋架內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，當鎧裝層接地后，一方面鎧裝層對電纜提供了機械保護，同時也起到了良好的隔離作用，這時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在同一電纜橋架內。

HG/T 20512—2014《儀表配管配線設計規范》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分開敷設的同時，也指出： 鎧裝電纜、光纜可以不分開敷設。

GB/T 3836.15—2017《爆炸性環境 第15部分： 電氣裝置的設計、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、金屬護套或屏蔽電纜(例如，所有非本質安全電路使用鎧裝電纜，或所有本質安全電路使用鎧裝電纜)。

NFPA 70NationalElectricalCode504.30在要求本安電纜與非本安電纜在橋架敷設時應隔離的同時，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套或金屬外層，金屬護套或外層接地以便將有害電流導入地下。

另外，如果采用保護管敷設電纜，應注意如果保護管跨越危險區和非危險區，保護管在危險區的端口應封閉，以防止危險氣體經過穿線管進入非危險區。

6 結束語

本安防爆設計的要點是限制爆炸環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措施來達到防爆的目的。設計和安裝中的一些疏忽或一些細節的把握失當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控性能，造成安全隱患。

因此，在本安儀表回路的設計和安裝中應嚴格按規范行事，注重每一個環節，為生產裝置提供更可靠的安全保障。