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浅谈本安仪表系统的设计

何 林


序  言

      在炼油、化工、石化等行业, 经常具有爆炸危险性环境, 其生产过程的测量与控制设必须采取合适的防爆措施。自控仪表设备采用的防爆技术主要有:本安(Ex i)、隔爆(Exd)、增安(Exe)、正压(Exp)、浇封(Exm)型等。在众多的防爆技术中, 本安防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测试和带电维护等优点, 它是目前唯一适用于0 区的技术, 因而广泛地应用于过程控制领域。由于本安防爆实质上是系统防爆, 其防爆性能不仅与现场本安仪表有关, 还与关联设备(安全栅)有关, 而且也与系统的电气连接有关。为此, 我们结合多年工程设计的经验, 就本安仪表系统的设计进行概要介绍。


一、本安仪表系统的构成

       本安仪表系统由本安仪表、安全栅及二者之间的连接电缆组成, 如图1 所示。


本安仪表系统构成.png

二、(1)本安仪表

       在国家标准所规定的正常工作和故障条件下, 产生的任何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气仪表。这类仪表需要国家指定的权威机构进行认证, 才可以应用在爆炸危险场所。典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。除此之外, 既不会产生、也不会存储超过1.2V ,0.1A , 25mW 和20μJ 的电气仪表认定为简单仪表。这类仪表不需要认证, 只要与合格的安全栅配合, 就可以应用在爆炸危险场所。主要包括简单触点、热电偶、RTD 、LED 和电阻性元件等。

二、(2)安全栅

       安全栅作为本安仪表的关联设备, 安装在安全场所, 连接本安仪表与非本安仪表, 限制到达危险场所中本安仪表的能量在安全值之内。它是本安防爆系统的重要设备, 必需经过强制检定合格, 方能使用。

二、(3)连接电缆

       连接电缆存在分布电容和分布电感, 在正常的信号传输过程贮存的能量, 或受到外界电磁干扰及与其他回路混触产生感应电动势, 必对本安系统的防爆性能造成影响。因此, 本安系统的连接电缆的分布电容和分布电感必须加以限制。


三、安全栅简介

       在本安仪表系统中, 安全栅起到限制流入到现场仪表的能量的作用, 是系统设计和使用中的关键设备。常用的安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。图2 、图3 所示分别为基本的齐纳式安全栅和隔离式安全栅原理图。


齐纳式安全栅原理图.png


隔离式安全栅原理图.png

三、1、齐纳式安全栅采用在电气回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压齐纳二极管实现能量的限制, 并通过可靠接地来保证危险区仪表的安全性能。由于齐纳式安全栅采用器件非常少、体积小、价格低, 曾有过广泛应用。但正是因为它的简单, 自身原理上存在不少的缺陷:

(1)必须要有专门的本安接地系统, 且接地电阻严格要求≤1Ω

(2)对供电电源要求高, 电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏, 从而引起信号的误差,严重时会使快速保险丝烧断而永久损坏(可更换保险丝型除外);

(3)信号有严格的极性要求, 根据不同的应用,分别选用正极性、负极性、交流极性;

(4)现场本安仪表必须为隔离型的, 非隔离型的仪表不能采用;

(5)信号的一极要接至本安地, 大大降低仪表系统抗干扰能力, 影响系统的可靠性。

因此, 齐纳式安全栅应用范围受到较大的限制。特别是DCS 广泛使用以后, 对仪表信号的隔离要求较高, 这类安全栅使用的越来越少。

三、2、隔离式安全栅

       隔离式安全栅是通过隔离、限压、限流等措施来限制流入危险场所的能量, 从而保证本质安全性能。主要由回路限能单元、信号、电源隔离单元和信号处理单元组成。

隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比, 虽然线路复杂, 价格较高, 但它许多优点:

(1)现场回路信号和安全区回路信号有效隔离,隔离式本安仪表系统不需要专门的本安接地, 工程施工方便;

(2)输入、输出、电源三隔离型, 大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力, 提高系统可靠性;

(3)现场仪表信号回路可以接地, 也可以是非隔离型的, 应用范围广;

(4)保护功能完善, 意外损坏的可能性较小, 允许现场仪表带电检修, 这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间;

(5)有较强的信号处理能力, 不同类型的输入可以变换成统一的标准信号输出, 给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便;

(6)能扩大检测和控制回路的带负载能力。

(7)可选用一进多出的安全栅, 灵活的把信号送至互相独立的多个系统, 避免系统之间互相影响。

(8)供电方式灵活, 可以选用回路供电, 也可以选用外供电, 满足不同用户需要。鉴于以上特点, 目前工程设计中越来越多地选用隔离式安全栅


四、本安系统工程设计

       本安防爆是系统防爆。以前我国的本安仪表与安全栅是采用“系统认证”的方式来规定其使用, 未经过系统认证的本安仪表与安全栅不允许配套使用。自从2001 年6 月实施GB3836.4 -2000《爆炸性气体环境用电气设备第4 部分:本质安全型“i”》以后, 已经采纳了“参量认证”方式, 使得安全栅的选择范围更广, 应用更加灵活。为保证设备的安全正常使用, 本安系统的本安仪表、安全栅、连接电缆的参数必须满足以下条件:

Uo ≤Ui ;Io ≤Ii ;Po ≤Pi ;Co ≥Ci +Cc ;Lo ≥Li +Lc

其中:Uo 、Io 、Po 、Co 、Lo 分别为安全栅的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感

Ui 、Ii 、Pi 、Ci 、Li 分别为本安仪表的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感

Cc 、Lc 分别为连接电缆的最大允许电容、最大允许电感。


四、1、现场本安仪表选型

       现场仪表防爆系统类型设计主要是按照爆炸危险分区、爆炸性气体混合物的分级分组、仪表控制系统信号隔离要求、系统投资等方面进行。工程设计中, 一般由工艺、电气专业根据设备管道布置、工艺操作特点等把爆炸危险区域划分为0区、1 区、2 区。自控专业根据爆炸危险分区及生产过程中可能产生的爆炸性气体混合物的分级、分组情况, 按照GB50058 -1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》规定, 选择合适的防爆仪表类型:

0 区:(EX ia)

1 区:本安ia 、ib 型(Ex ia ,Ex ib)、隔爆型(Ex d)、正压型(Ex p);

2 区:可用于1 区的类型、增安型(Ex e)

从上可以看出, 本安仪表的适用范围广, 在爆炸危险0 区, 只有本安ia 型可以使用。而且, 有的仪表其隔爆型产品的防爆级别达不到要求, 只能选用本安型产品。


通常, 选用本安仪表的选型要注意以下问题:

(1) 所选仪表是否按照GB3836.1 -2000 和GB3836.4 -2000 要求设计, 并已被国家防爆检验机构认可;通常防爆仪表的认证机构是国家仪器仪表防爆监督检验站NEPSI 。

(2)防爆标志规定的等级是否适用于所在危险场所的安全要求;

(3)本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离;

(4)信号传输是以何种方式进行;

(5)明确Ui 、Ii 、Pi 、Ci 、和Li 参数;

(6)本安仪表的最低工作电压及回路正常工作电流。

       值得一提的是, 并非要不加区别的全部采用本安仪表系统。从现场仪表安装、维护和投资的角度考虑, 采用本安仪表确有优势, 但绝大多数工业现场的危险区域划分为1 区或2 区, 应考虑整体仪表系统的性能和投资。比如, 大部分电子仪表如变送器流量计的本安型与隔爆型外壳实际上是一致的, 其售价也相同, 但本安型要增加安全栅, 选用隔爆型仪表反而能节省投资。

       即使在同一个装置内, 考虑节省投资或是因为部分其它仪表无本安型产品, 仪表系统常常采用混合防爆系统。如变送器采用本安型、热电阻热电偶采用隔爆型、电磁流量计隔爆浇注本安混合型, 同样能满足规范要求。


四、2、安全栅的选用

(1)选用安全栅必须要遵守以下原则:

a.安全栅的防爆等级必须不低于现场本安仪表的防爆等级。

b.安全栅的本安端认证参数能够满足Uo ≤Ui 、Io ≤Ii 、Po ≤Pi 、Co ≥Ci +Cc 、Lo ≥Li +Lc 的要求。

注意, 安全栅的最大负载参数Co 、Lo 是其防爆级别对应的参数, 当实际使用现场仪表的防爆级别较低时, 安全栅的最大负载参数可以按照现场仪表的防爆级别来计算。

(2)应根据现场仪表的情况、检测控制系统的要求、投资情况、用户的维护能力等因素, 确定选用隔离式安全栅还是齐纳式安全栅

(3)按照DCS 或二次仪表的要求, 确定采用回路供电或是独立供电。

(4)选用隔离式安全栅时, 处理后的模拟信号传输采用1 ~ 5V 电压还是4 ~ 20mA 电流、开关量信号是采用干接点还是有源接点等, 以便于减少模块类型。

(5)选用齐纳式安全栅时, 应根据控制室仪表的对现场的供电电压确定安全栅的最高工作电压, 检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压, 确定安全栅最高允许电压。

(6)选用齐纳式安全栅, 应根据现场仪表的信号、电源对地的极性, 确定安全栅的极性;一般同一装置内尽量选用同极性或交流极性的安全栅, 否则容易引起配电和接地的混乱。

(7)根据现场本安仪表的最低工作电压和回路正常工作电流, 确定齐纳安全栅的端电阻及回路电阻。回路阻抗不匹配, 可能导致回路不能正常工作,应引起重视。

a.安全栅端电阻:若端电阻较大, 在现场仪表最大正常工作电流附近, 可能由于压降太大, 而使现场仪表供电不足, 系统无法正常工作;但若端电阻较小, 则安全栅Io 较大, 可能使Io ≥Ii , 从而不满足安全性能。

b.回路电阻:安全栅的两个端电阻之和Ri 加上控制室仪表的转换电阻Rc 。一般来说, 控制室仪表转换电阻是固定的, 只有通过选择安全栅的端电阻来实现阻抗匹配。

c.端电阻Ri 的确定:Umax /Ii ≤Ri +Rc ≤(Us -Vmin)/Imax

Us :安全栅正常供电电压;

Umax :安全栅最高供电电压;

Vmin :现场仪表最小工作电压;

Imax :现场仪表最大工作电流。

        如某变送器的最小工作电压为10.5V , 最大工作电流为23mA , 最大输入电流为100mA , 二次仪表的转换电阻为250Ω, 安全栅的供电电压为24V , 最高工作电压是26.4V 则安全栅的端电阻必须满足:14Ω≤Ri ≤337Ω。

(8)确定回路供电的二次仪表或DCS 卡件没有限流电阻, 若有则改选电子限流的产品, 否则可能影响现场仪表的正常工作。

(9)避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作, 尽量选用齐纳电压接近最高工作电压的产品。

(10)一台安全栅连接一个检测点, 避免一个安全栅串入两个回路, 同样, 也要避免一个检测回路涉及两台安全栅


四、3、连接电缆

       用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的连接电缆, 其分布参数在一定程度上决定了本安系统的合理性及使用范围, 按规范规定:

(1)连接电缆为铜芯绞线, 且每根芯线的截面积不小于0.5mm2 , 导线绝缘的耐压强度应为2 倍额定电压, 最低为500V 。

(2)连接电缆的长度的确定:

a.根据Cc ≥Co -Ci 和Lc ≤Lo -Li 计算电缆的最大外部分布参数

b.按照L=Cc/Ck 和L=Lc/Lk 公式分别计算电缆长度, 取两者中的小值作为实际配线长度L 。(式中:Ck 、Lk 分别为电缆的单位长度电容、单位长度电感)。

按照设计规范, 本安仪表系统的连接电缆宜采用本安电缆。这是因为非本安电缆的分布电感分布电容值较大的原因。只要非本安电缆能满足分布参数满足系统要求, 同样是可以使用的。下表列出常用仪表电缆的典型分布参数, 以备参考。


常用仪表线缆分布参数.png

四、4、本安系统配线设计

       本安系统配线相对于隔爆系统来说要求较低。规范对本安防爆系统的规定也不多, 但配线是否规范, 对防爆性能的影响不容忽视, 主要注意如下:

(1)慎防本安回路与非本安回路混触。为此, 本安回路与非本安回路不得共用一根电缆;本安电缆与非本安电缆不得共用一根保护管敷设;本安电缆与非本安电缆在同一个线槽内敷设时, 中间应有金属隔板隔开;

(2)原则上本安电缆和非本安电缆不共用同一个现场接线盒。

(3)本安线路与非本安线路通过同一个控制柜与仪表线路连接时, 本安电路采用专用的端子板, 与其它电路之间的距离应大于50mm , 必要时应采用绝缘隔板隔离。

(4)本安回路的连接电缆及其钢管、端子板应有蓝色标志或缠上蓝色胶带, 以便识别。

(5)多个单元的本安回路采用同一根电缆时, 应采用分组屏蔽的电缆, 以防各单元之间的电磁干扰。

(6)桥架外的非铠装和无屏蔽电缆应穿镀锌钢管敷设, 以防机械损伤, 并减小电磁干扰。

(7)本安电缆屏蔽层应该在安全侧接地, 严禁两侧同时接地。


隔离式安全栅.jpg

五、结语

       随着本安防爆技术在我国石油、化工等危险产业中的广泛应用, 本安防爆系统已得到普遍重视。自控设计人员应该从爆炸危险性环境入手, 了解现场的情况, 严格按照有关规范的要求, 认真选择好防爆仪表和安全栅, 作好系统配线设计, 以保证本安防爆系统正常工作, 确保生产现场设备和人身安全。


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