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本安仪表有关的几点防爆知识
2021-01-14
由于火灾爆炸直接威胁人身和财产安全，为杜绝火灾爆炸事故的发生，人们对于仪器的防爆格外重视。目前，防爆技术已经取得了显著的进步，并在各行各业有着广泛的应用。而在自动化仪表的防爆形式中，以本安型、隔爆型和增安型最为常见。相比其他防爆形式，本安防爆技术，即本质安全型（简称本安型）防爆形式，不仅结构简单，应用广泛，而且操作维护方便，颇受欢迎。目前，这种通过抑制点火源能量为防爆手段的本安型防爆仪表已被制造商和用户普遍接受，并得到了更为广阔的推广和应用。为便于用户更好地应用本安仪表，本文就本安仪表有关的几点防爆知识介绍如下。
一、本安防爆技术的工作原理
本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。例如对于氢气（IIC）环境，必须将电路功率限制在1.3W左右。由此可见，本安技术能很好的适用于工业自动化仪表。
由于引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源是电火花和热效应，本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来防止爆炸的发生。在正常工作和故障状态下，当仪表产生的电火花或热效应的能量小于一定程度时，低度表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸。本质安全防爆技术本质上是一种低功率设计技术，其原理是从限制能量入手，将电路中的电压和电流限制在一个允许的可靠范围内，本安仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。
对于氢气环境，也就是危险程度最高、最易爆的环境，通常须将功率限制在1.3W以下。国际电工委员会（IEC）规定，在危险程度最高的危险场所0区，只能采用Exia等级的本安防爆技术。可见，本质安全防爆技术是一种最安全、最可靠、适用范围也最为广泛的防爆技术。
本质仪表设备按安全程度和使用场所的不同，可分为Ex ia和Ex ib。而Ex ia的防爆级别要高于Ex ib。具体说来：
Ex ia级本安仪表在正常工作状态下以及电路中存在两起故障时，电路元件不会发生燃爆。在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下，适用于0区、1区和2区。
Ex ib级本安仪表在正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，电路元件不发生燃爆炸。在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下，适用于1区和2区。
二、本安防爆技术的主要特点
1．安全可靠性高。本安仪表不因紧固螺栓的丢失或外壳结合面锈蚀、划伤等人为原因使仪表的安全可靠性降低。
2．应用范围广。本安技术是目前唯一可适用于0区危险场所的防爆技术。
3．本安防爆技术作为一种“弱电”技术，能够有效避免现场工程技术人员使用本安仪表时发生触电伤亡事故。
4．还可在带电情况下维护、标定和更换仪表的部分零件等。
5．不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又笨重的隔爆外壳，因此，本安仪表具有结构简单、体积小、重量轻和造价低等特点。据资料，建立一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为1:4。
6．对于像热电偶等简单设备，无需特别认证即可接入本安防爆系统。
可见，相比其他防爆型式类型，采用本安防爆技术具有较为明显的优势。
三、本安防爆技术在过程自动化工程中的应用
本安防爆系统由现场本安仪表、本质安全电缆及本质安全关联设备三部分组成。具体是指：
1．现场仪表包括各种安装在危险场所的一次检测仪表。
2．二线制变送器为代表的本质安全电缆带有专用接地线，以耐久性的纯蓝色与其它电缆相区别。
3．本质安全关联设备包括齐纳式安全栅、隔离式安全栅（分为操作端隔离式安全栅和检测端隔离式安全栅）、其他形式的具有限流、限压功能的保护装置。
本安防爆技术能够将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。
四、本安的防爆认证
1．本安防爆是一种整体防爆，对构成系统的现场设备、安全栅必须经过国家授权认证机构防爆认证，同时需要认证机构签发的本安仪表和安全栅的联合取证确认该本安回路的安全性。现场设备为简单设备时无需本安认证，即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。简单设备是指触点开关、热电偶、热电阻、发光二极管以及桥路等，设备中不含储能元件。
2．本质安全回路防爆认证的原则。
五、本安仪表及本安仪表回路的特殊要求
1．对接地的特殊要求
本质安全型仪表系统必须具有可靠的独立接地。整个自动化仪表系统有本安仪表保护接地、系统接地、信号回路接地、屏蔽接地四种类型的接地。其中，保护接地可接到电气工程低压电气设备的保护接地网上。信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极，本安仪表系统需独立设置接地系统，与其它接地网相距5m以上，一般要求本质安全地的接地电阻小于1Ω。其它两种接地电阻按设计或规范要求一般在4Ω以下。
2．对连接电缆的特殊要求
从系统布线工程角度考虑，由于连接电缆存在分布电容和分布电感，使连接电缆成为储能元件。它们在信号传输过程不可避免地存储能量，一旦线路出现开路或短路时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响系统的本安性能。因此既要连接传输电缆不会受到外界电磁场干扰影响及与其他回路混触，又要限制布线长度和感应电动势所带来的附加非本安能量，依此来确定电缆的允许分布电容和允许分布电感，世界各防爆检验机构主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布参数的方法。
本质安全电缆是一种低电容、低电感的电缆、与其它电缆相比具有优异的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于爆炸危险场所及其它防爆安全要求较高的场合。在使用中应注意以下几点：
①本安线路内的接地线与屏蔽连接线应可靠绝缘。
②屏蔽电缆的备用芯线与电缆的屏蔽层，应在同一侧接信号回路地。
③信号回路的接地点应在控制室侧，当采用接地型热电偶和检测部分已接地的仪表时，控制室侧不再接地。
3．设备温度等级
基于技术和经济上的考虑，设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。在多数情况下，有较低温度等级的设备购买和安全方面费用较高。比较而言，本安设备将更为经济和有效。直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而关联设备则不需要进行设备温度等级的部分。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，以免引起燃烧爆炸。
4．本安电气设备的选用原则
①简单设备
按照GB3836.4-2000防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，其功率不超过25mW的电器设备可视为简单设备，其典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0，内部等效电容Ci=0。此类设备可在现场直接应用。
②本安电气设备。安装于危险场所的现场设备、必须明确以下问题：
◆防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求。
◆本安电路是否接地或接地部分的本按电路是否与安全栅接口部分的有电路加以有效隔离。
◆信号传输的方式及本安电气设备的最低工作电压和回路正常工作电流。
◆是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家防爆检验机构认可的本安电气设备。
在明确以上问题的基础上，选择相对应的安全栅。
③安全栅的选用原则
◆安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。
◆确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的最低工作电压。
◆安全栅的本安端安全参数能够满足Uoc≤Ui、Isc≤Ii、Ca≥Ci+Cc、La≥Li+Lc的要求。
◆安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。
◆做好相应的保护工作，避免安全栅的漏电电流影响本安现场设备的正常工作。
尽管本安仪表在仪表匹配、电缆的使用和接地等方面的要求较为特殊，但随着微电子技术、微处理器技术的迅速发展，工业自动化仪表已趋于低功耗、电子化、小型化发展，更容易实现本质安全。
可见，本安防爆技术是自动化仪表比较理想的一种防爆技术，其所具有的特点和优点使其在现场总线智能化仪表及现代工业自动化控制系统中有着较好的应用前景。
为满足用户在爆炸环境中进行物位测量的需要，计为自动化的音叉液位开关、音叉料位开关、阻旋料位开关、振棒料位开关等仪表均通过了本安隔爆双重防爆认证，个别仪表通过了粉尘隔爆、粉尘本安、气体隔爆、气体本安防爆认证，以便使用户安全可靠放心的使用。
一、本安防爆技术的工作原理
本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。例如对于氢气（IIC）环境，必须将电路功率限制在1.3W左右。由此可见，本安技术能很好的适用于工业自动化仪表。
由于引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源是电火花和热效应，本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来防止爆炸的发生。在正常工作和故障状态下，当仪表产生的电火花或热效应的能量小于一定程度时，低度表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸。本质安全防爆技术本质上是一种低功率设计技术，其原理是从限制能量入手，将电路中的电压和电流限制在一个允许的可靠范围内，本安仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。
对于氢气环境，也就是危险程度最高、最易爆的环境，通常须将功率限制在1.3W以下。国际电工委员会（IEC）规定，在危险程度最高的危险场所0区，只能采用Exia等级的本安防爆技术。可见，本质安全防爆技术是一种最安全、最可靠、适用范围也最为广泛的防爆技术。
本质仪表设备按安全程度和使用场所的不同，可分为Ex ia和Ex ib。而Ex ia的防爆级别要高于Ex ib。具体说来：
Ex ia级本安仪表在正常工作状态下以及电路中存在两起故障时，电路元件不会发生燃爆。在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下，适用于0区、1区和2区。
Ex ib级本安仪表在正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，电路元件不发生燃爆炸。在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下，适用于1区和2区。
二、本安防爆技术的主要特点
1．安全可靠性高。本安仪表不因紧固螺栓的丢失或外壳结合面锈蚀、划伤等人为原因使仪表的安全可靠性降低。
2．应用范围广。本安技术是目前唯一可适用于0区危险场所的防爆技术。
3．本安防爆技术作为一种“弱电”技术，能够有效避免现场工程技术人员使用本安仪表时发生触电伤亡事故。
4．还可在带电情况下维护、标定和更换仪表的部分零件等。
5．不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又笨重的隔爆外壳，因此，本安仪表具有结构简单、体积小、重量轻和造价低等特点。据资料，建立一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为1:4。
6．对于像热电偶等简单设备，无需特别认证即可接入本安防爆系统。
可见，相比其他防爆型式类型，采用本安防爆技术具有较为明显的优势。
三、本安防爆技术在过程自动化工程中的应用
本安防爆系统由现场本安仪表、本质安全电缆及本质安全关联设备三部分组成。具体是指：
1．现场仪表包括各种安装在危险场所的一次检测仪表。
2．二线制变送器为代表的本质安全电缆带有专用接地线，以耐久性的纯蓝色与其它电缆相区别。
3．本质安全关联设备包括齐纳式安全栅、隔离式安全栅（分为操作端隔离式安全栅和检测端隔离式安全栅）、其他形式的具有限流、限压功能的保护装置。
本安防爆技术能够将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。
四、本安的防爆认证
1．本安防爆是一种整体防爆，对构成系统的现场设备、安全栅必须经过国家授权认证机构防爆认证，同时需要认证机构签发的本安仪表和安全栅的联合取证确认该本安回路的安全性。现场设备为简单设备时无需本安认证，即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。简单设备是指触点开关、热电偶、热电阻、发光二极管以及桥路等，设备中不含储能元件。
2．本质安全回路防爆认证的原则。
五、本安仪表及本安仪表回路的特殊要求
1．对接地的特殊要求
本质安全型仪表系统必须具有可靠的独立接地。整个自动化仪表系统有本安仪表保护接地、系统接地、信号回路接地、屏蔽接地四种类型的接地。其中，保护接地可接到电气工程低压电气设备的保护接地网上。信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极，本安仪表系统需独立设置接地系统，与其它接地网相距5m以上，一般要求本质安全地的接地电阻小于1Ω。其它两种接地电阻按设计或规范要求一般在4Ω以下。
2．对连接电缆的特殊要求
从系统布线工程角度考虑，由于连接电缆存在分布电容和分布电感，使连接电缆成为储能元件。它们在信号传输过程不可避免地存储能量，一旦线路出现开路或短路时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响系统的本安性能。因此既要连接传输电缆不会受到外界电磁场干扰影响及与其他回路混触，又要限制布线长度和感应电动势所带来的附加非本安能量，依此来确定电缆的允许分布电容和允许分布电感，世界各防爆检验机构主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布参数的方法。
本质安全电缆是一种低电容、低电感的电缆、与其它电缆相比具有优异的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于爆炸危险场所及其它防爆安全要求较高的场合。在使用中应注意以下几点：
①本安线路内的接地线与屏蔽连接线应可靠绝缘。
②屏蔽电缆的备用芯线与电缆的屏蔽层，应在同一侧接信号回路地。
③信号回路的接地点应在控制室侧，当采用接地型热电偶和检测部分已接地的仪表时，控制室侧不再接地。
3．设备温度等级
基于技术和经济上的考虑，设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。在多数情况下，有较低温度等级的设备购买和安全方面费用较高。比较而言，本安设备将更为经济和有效。直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而关联设备则不需要进行设备温度等级的部分。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，以免引起燃烧爆炸。
4．本安电气设备的选用原则
①简单设备
按照GB3836.4-2000防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，其功率不超过25mW的电器设备可视为简单设备，其典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0，内部等效电容Ci=0。此类设备可在现场直接应用。
②本安电气设备。安装于危险场所的现场设备、必须明确以下问题：
◆防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求。
◆本安电路是否接地或接地部分的本按电路是否与安全栅接口部分的有电路加以有效隔离。
◆信号传输的方式及本安电气设备的最低工作电压和回路正常工作电流。
◆是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家防爆检验机构认可的本安电气设备。
在明确以上问题的基础上，选择相对应的安全栅。
③安全栅的选用原则
◆安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。
◆确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的最低工作电压。
◆安全栅的本安端安全参数能够满足Uoc≤Ui、Isc≤Ii、Ca≥Ci+Cc、La≥Li+Lc的要求。
◆安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。
◆做好相应的保护工作，避免安全栅的漏电电流影响本安现场设备的正常工作。
尽管本安仪表在仪表匹配、电缆的使用和接地等方面的要求较为特殊，但随着微电子技术、微处理器技术的迅速发展，工业自动化仪表已趋于低功耗、电子化、小型化发展，更容易实现本质安全。
可见，本安防爆技术是自动化仪表比较理想的一种防爆技术，其所具有的特点和优点使其在现场总线智能化仪表及现代工业自动化控制系统中有着较好的应用前景。
为满足用户在爆炸环境中进行物位测量的需要，计为自动化的音叉液位开关、音叉料位开关、阻旋料位开关、振棒料位开关等仪表均通过了本安隔爆双重防爆认证，个别仪表通过了粉尘隔爆、粉尘本安、气体隔爆、气体本安防爆认证，以便使用户安全可靠放心的使用。
以上就是“本安仪表有关的几点防爆知识”的相关介绍，如欲了解更多物位开关（料位开关、液位开关）、物位计（料位计、液位计）等物位测量仪表方面的知识，欢迎关注微信公众号：Jiweimeter。
（深圳计为自动化技术有限公司市场部2021年1月14日发布）
TAGS : 防爆
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