梁達(dá)

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

本質(zhì)安全防爆(以下簡(jiǎn)稱本安防爆)是石油化工裝置儀表設(shè)計(jì)中常用的防爆方式之一，該防爆方式是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)，從限制能量入手，通過將暴露于爆炸性環(huán)境中的儀表設(shè)備及連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)，以保證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不會(huì)引起周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。

本安儀表回路由處于危險(xiǎn)區(qū)域的本安電路和處于安全區(qū)域的非本安電路組成，而本安電路由現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備、本安連接電纜及安全柵構(gòu)成，本安儀表回路構(gòu)成如圖1所示。

圖1 本安儀表回路的構(gòu)成示意

本安設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備均需取得檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，并出具認(rèn)證證書。檢驗(yàn)認(rèn)證方法通常有3種： 系統(tǒng)認(rèn)可、參量認(rèn)可和FISCO認(rèn)可。工程設(shè)計(jì)中，主要采用后兩種認(rèn)可檢驗(yàn)認(rèn)證方法，在設(shè)計(jì)、采購(gòu)時(shí)只需選用經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品，并依據(jù)參量認(rèn)可的電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算便可[1]。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)本安儀表及相關(guān)設(shè)備的選型、線路設(shè)計(jì)等都有了具體的規(guī)范和要求，本文不再贅述，而是就設(shè)計(jì)中一些容易忽略的問題進(jìn)行探討。

1 安全柵的電氣參數(shù)

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(shè)備，用于限制本安電路的能量。

1)安全柵通過以下參數(shù)來(lái)限制本安電路的功率，這些參數(shù)可以從認(rèn)證證書或產(chǎn)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(guān)聯(lián)設(shè)備非本安連接裝置上，而不會(huì)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(dá)到最高電壓時(shí)，可能出現(xiàn)在電氣設(shè)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)?？蓮碾姎庠O(shè)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)?？蓮碾姎庠O(shè)備獲得的最大功率。

e)最大外部電容(Co)?？蛇B接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)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(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本安性能失效的最大電感。

g)最高輸入電壓(Ui)?？墒┘拥诫姎庠O(shè)備連接裝置上，而不會(huì)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)?？墒┘拥诫姎庠O(shè)備連接裝置上，而不會(huì)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(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本安性能失效的最大功率。

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

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

2)作為傳輸介質(zhì)的連接電纜，從系統(tǒng)獲得能量后，由于存在電感和電容儲(chǔ)能，也可能成為危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)燃源，因此電纜的電感和電容也是本安電路的安全參數(shù)之一。電纜的電氣參數(shù)可從產(chǎn)品樣本或說(shuō)明書中獲得：

a)最大電纜電容(Cc)?？梢赃B接到本安電路上，而不會(huì)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(huì)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(shè)備和電纜的電氣參數(shù)必須滿足表1所列的安全參數(shù)匹配條件不等式。

表1 安全參數(shù)匹配條件不等式

然而，不同檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所遵循的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一樣，最后得到的認(rèn)證參數(shù)也是不一致的，不同的認(rèn)證參數(shù)進(jìn)而會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成影響。

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

(Ci+∑Cc)≤Co

Cc=LCk

(1)

式中：L——電纜長(zhǎng)度；Ck——電纜單位長(zhǎng)度分布電容。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的最大內(nèi)部電容Ci=0，電纜從現(xiàn)場(chǎng)儀表直接接至安全柵。根據(jù)某品牌某型號(hào)安全柵的不同認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證參數(shù)所計(jì)算得到的允許敷設(shè)最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度見表2所列。

表2 允許電纜長(zhǎng)度計(jì)算書

由表1可知，同一安全柵采用不同的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，即使采用同樣的本安電纜，允許敷設(shè)的電纜長(zhǎng)度也不相同。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先確定所遵循的標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)，所有本安設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備采用同一認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可的電氣參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 本安設(shè)備供電

本安回路中現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的供電有兩種方式： 第一種是采用本安電源對(duì)電氣設(shè)備供電；第二種為供電電源經(jīng)過安全柵限能后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備供電，如兩線制變送器、電磁閥等，如圖2所示[2]。因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)查驗(yàn)安全柵的輸出特性圖和最大輸出電流，保障電氣設(shè)備能正常工作。

圖2 本安儀表供電示意

某工程項(xiàng)目選用某品牌的安全柵，出現(xiàn)了無(wú)法驅(qū)動(dòng)本安電磁閥現(xiàn)象。該項(xiàng)目由控制閥成套提供的直動(dòng)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(guān)量輸出安全柵1認(rèn)證參數(shù)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(shí)電壓U開路為21.4 V。該安全柵樣本上提供了信號(hào)輸出內(nèi)部等效電路圖和信號(hào)輸出特性，安全柵1的等效電路圖及信號(hào)輸出特征如圖3所示。

圖3 安全柵1等效電路圖及信號(hào)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(wú)法驅(qū)動(dòng)該電磁閥動(dòng)作。

安全柵1已是該項(xiàng)目中輸出電流最大的產(chǎn)品，仍無(wú)法使電磁閥可靠工作。后來(lái)控制閥供貨商推薦了其他品牌的安全柵2，其技術(shù)參數(shù)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(shí)電壓16.2 V。信號(hào)輸出內(nèi)部等效電路圖和信號(hào)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(hào)特征曲線示意

3 接線箱的選型

接線箱由外殼、端子、安裝導(dǎo)軌、電纜引入裝置(電纜密封接頭)等無(wú)源元件組成，屬于簡(jiǎn)單設(shè)備，當(dāng)用于本安電路時(shí)，可以不經(jīng)過認(rèn)證。

在設(shè)計(jì)本安回路的接線箱時(shí)，往往存在兩種傾向： 認(rèn)為在本安電路中，接線箱為簡(jiǎn)單設(shè)備，可以任意采用各種接線箱；認(rèn)為接線箱處于爆炸環(huán)境中，應(yīng)采用防爆接線箱。筆者認(rèn)為兩種觀念都有些偏頗。

按照規(guī)范GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分： 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》第5章第7節(jié)“簡(jiǎn)單設(shè)備”的要求，放置在爆炸環(huán)境本安電路中的簡(jiǎn)單設(shè)備雖然無(wú)需本安認(rèn)證，但是也有一些必須考慮的要點(diǎn)。對(duì)于接線箱而言，用于危險(xiǎn)場(chǎng)所的非金屬外殼和含有輕金屬的外殼應(yīng)符合GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分： 設(shè)備 通用要求》中7.4和8.1的規(guī)定。

為了防止靜電電荷在非金屬材料外殼積聚，從而引起點(diǎn)燃危險(xiǎn)，GB 3836.1—2010中7.4節(jié)對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備的非金屬外殼的表面積及厚度等參數(shù)作了限制，應(yīng)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(duì)于非金屬接線箱，表面積一定會(huì)突破規(guī)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(guī)范要求。

GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分： 設(shè)備 通用要求》中8.1針對(duì)不同保護(hù)級(jí)別(EPL)的電氣設(shè)備金屬外殼，對(duì)鋁、鎂、鈦、鋯等金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)提出了要求。對(duì)于石油化工裝置常用的Ⅱ類電氣設(shè)備外殼材料，上述金屬材質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)符合下列要求：

1)對(duì)于EPL Ga。鋁、鎂、鈦和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%；鎂、鈦和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%。

2)對(duì)于EPL Gb。鎂和鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%。

3)對(duì)于EPL Gc，除風(fēng)扇、風(fēng)扇罩和通風(fēng)孔擋板應(yīng)符合EPL Gb的要求外，無(wú)其他要求。

雖然按照相關(guān)規(guī)范，本安電路中的接線箱可以無(wú)需認(rèn)證，但相關(guān)規(guī)范對(duì)用于危險(xiǎn)場(chǎng)所的接線箱外殼材料、表面絕緣電阻等都有具體的規(guī)定，在工程實(shí)踐中，為了避免繁瑣的試驗(yàn)、查證等工作，可以直接采用經(jīng)過認(rèn)證的防爆產(chǎn)品。從成本、維護(hù)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(nèi)又未按要求做好隔離措施，本安接線箱應(yīng)有顏色、文字等明顯標(biāo)識(shí)。

4 本安電纜選型

從結(jié)構(gòu)上看，本安電纜與普通屏蔽電纜差不多，只是護(hù)套顏色不同而已，因此有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)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(shè)應(yīng)使本安性能不受外界電場(chǎng)或磁場(chǎng)的干擾。GB/T 3836.18—2017《爆炸性環(huán)境 第18部分： 本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)》第9章對(duì)用于本安電路的電纜結(jié)構(gòu)、所能承受的介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(guī)范9.1節(jié)要求本質(zhì)安全電路應(yīng)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(yàn)的絕緣電纜。

2)該規(guī)范9.3節(jié)對(duì)本安多芯電纜提出了要求。對(duì)于多芯電纜，每根芯線絕緣層的厚度應(yīng)與導(dǎo)線直徑和絕緣要求相適應(yīng)，至少為0.2 mm。多芯電纜應(yīng)能承受下列介電強(qiáng)度試驗(yàn)：

a)鎧裝護(hù)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(guī)范9.4節(jié)要求本安電纜屏蔽的覆蓋率至少應(yīng)為表面積的60%。

同時(shí)，為了限制電纜本身的儲(chǔ)能，滿足表1所列安全參數(shù)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(yīng)盡量低。美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)(NFPA)對(duì)用于1區(qū)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(duì)于注明本安電纜的電纜產(chǎn)品，均應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)和制造，并以低分布電容和低分布電感作為產(chǎn)品特點(diǎn)。因此，在工程中對(duì)于本安信號(hào)的傳輸，應(yīng)采用專用的本安電纜。本安電纜應(yīng)按照規(guī)范要求采用淺藍(lán)色外護(hù)套，以與非本安電路區(qū)分。

5 本安電纜敷設(shè)

本安電纜的敷設(shè)和安裝應(yīng)確保本安電路不會(huì)因?yàn)槿藶槭韬龌螂娎|的破損而連接到非本安電路中。為此，規(guī)范一般都要求本安電纜與非本安電纜分開敷設(shè)。具體要求：

1)本安電路與非本安電路不應(yīng)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(shè)在不同的電纜橋架內(nèi)或在同一橋架內(nèi)宜采用牢固接地的金屬隔板加以隔離。

但是，對(duì)于鎧裝電纜而言，當(dāng)鎧裝層接地后，一方面鎧裝層對(duì)電纜提供了機(jī)械保護(hù)，同時(shí)也起到了良好的隔離作用，這時(shí)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(shè)在同一電纜橋架內(nèi)。

HG/T 20512—2014《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》8.3.3在要求本安信號(hào)和非本安信號(hào)線及其他各種需隔離信號(hào)線應(yīng)分開敷設(shè)的同時(shí)，也指出： 鎧裝電纜、光纜可以不分開敷設(shè)。

GB/T 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境 第15部分： 電氣裝置的設(shè)計(jì)、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(yīng)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(hù)套或屏蔽電纜(例如，所有非本質(zhì)安全電路使用鎧裝電纜，或所有本質(zhì)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(shè)時(shí)應(yīng)隔離的同時(shí)，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(hù)套或金屬外層，金屬護(hù)套或外層接地以便將有害電流導(dǎo)入地下。

另外，如果采用保護(hù)管敷設(shè)電纜，應(yīng)注意如果保護(hù)管跨越危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)，保護(hù)管在危險(xiǎn)區(qū)的端口應(yīng)封閉，以防止危險(xiǎn)氣體經(jīng)過穿線管進(jìn)入非危險(xiǎn)區(qū)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本安防爆設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是限制爆炸環(huán)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(hù)措施來(lái)達(dá)到防爆的目的。設(shè)計(jì)和安裝中的一些疏忽或一些細(xì)節(jié)的把握失當(dāng)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(jiān)控性能，造成安全隱患。

因此，在本安儀表回路的設(shè)計(jì)和安裝中應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范行事，注重每一個(gè)環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)裝置提供更可靠的安全保障。