本质安全

第八届工业仪表与自动化学术会议1本质安全系统组成及安装要点ConfigurationofIntrinsicallySafeSystemandRequirementsforInstallation赵宏（上海工业自动化仪表研究所，上海200233）摘要：介绍了本质安全系统的组成及安装要点，初步引入FISCO概念，重点介绍关联设备在危险区域的应用以及本质安全系统现场安装注意事项。关键词：本质安全系统关联设备FISCOAbstract:ThispaperillustratestheconfigurationofISsystem,requirementsforsafeuseandFISCO.ItemphasizestheapplicationoftheassociatedapparatususedinhazardousareasandconditionsofISsysteminstalledinsite.Keywords:IntrinsicallysafesystemAssociatedapparatusFISCO0引言本质安全系统（以下简称本安系统）是指通过限制电气能量及热点燃源而实现电气防爆的电气系统，因具有高度的安全可靠性、经济性、制造简单、可带电维护及适用范围广等特点，在自动控制系统中得到日益广泛的应用，本文将从系统组成及安装方面加以阐述。1本安系统组成图1所示为典型的本安系统，由现场设备、连接电缆及关联设备组成。图1本安系统的组成1.1现场设备现场设备是由本质安全型电路构成的本质安全型电气设备，符合国家标准GB3836.1-2000和GB3836.4-2000规定的要求，并持有防爆检验机构颁发的防爆合格证，可直接用于爆炸性气体危险场所。本质安全型电气设备从结构及电路上均应按照上述国家标准的要求设计制造，以保证不论是在正常运行状态还是标准规定的故障状态下，均不会产生因电火花或热效应所引发的爆炸事故。这种设备的电路中通常含有储能元件，如各种变送器、接近开关等。此类设备的电气参数采用如下本质安全参数表述，这些参数须经防爆检验机构认可：最高输入电压Ui；最大输入电流Ii；第八届工业仪表与自动化学术会议2最大输入功率Pi；最大内部电容Ci；最大内部电感Li。简单设备是本质安全型电气设备的一个特例，无需防爆检验机构的专业审核即可确定内部等效参数Li和Ci近似为0。按照国家标准GB3836.4-2000的规定，对于电压不超过1.5V，电流不超过100mA，且其功率不超过25mW的电气设备可视为简单设备，简单设备不应用限压和/或限流和/或抑止器件获得本质安全性能。其中最常见的仪表设备有热电偶、热电阻、pH电极，应变片、电阻、发光二极管和开关等。1.2连接电缆用于连接现场设备和关联设备的连接电缆存在分布电容和分布电感，如果把现场本安设备和控制电缆的电容和电感视为一个储能元件的话，它们的储能不应高于相应类、级别的爆炸性气体混合物的最小点燃能量，显而易见这限定了电缆的选择。可见，本安系统设计中连接电缆的选用是一个不容忽视的问题。因此既要在安装上保证连接传输电缆避免受到诸如外界电磁场干扰、与其他回路混触等因素的影响，又要在长度及缆芯结构上限制自身分布电容及电感所带来的附加能量，因此电缆的选择是本安系统构成的一个重要环节，不容忽视。与本安系统有关的连接电缆电气参数使用以下符号表述：Cc：电缆最大允许分布电容；Lc：电缆最大允许分布电感。其中，Cc=Ck×LCk：电缆单位长度分布电容L：实际配线长度Lc=Lk×LLk：电缆单位长度分布电感L：实际配线长度1.3关联设备（安全栅）1.3.1关联设备的作用及基本参数关联设备（安全栅）是介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的电路，用来限制控制室供给现场设备的电气能量，使出现在现场设备输入端子上的能量不能产生足以引爆危险气体的火花，从而消除了引燃源。表述影响现场设备本安性能的最大输出参数主要包括：最高允许电压Um；最高输出电压Uo；最大输出电流Io；最大输出功率Po；最大外部电容Co；最大外部电感Lo。1.3.2齐纳式安全栅与隔离式安全栅比较齐纳式安全栅与隔离式安全栅是关联设备最主要的体现形式，基本的方法是采用齐纳二极管作为可靠限压元件控制输出电压，用电阻作为限流元件（防爆标志通常为[Exia]）或电子限流器件，如晶闸管作为限流元件（防爆标志通常为[Exib]）。由于隔离式安全栅采用符合GB3836.4-2000标准规定的可靠隔离元件（如变压器、光耦等）保证了与危险场所连接的电路同与控制室连接的电路有效隔离，因此在连接现场设备一端不需要可靠接地，这是它比齐纳式安全栅优越的地方。第八届工业仪表与自动化学术会议31.3.3安装在危险场所的关联设备通常关联设备的安装位置有两种：第一种是位于非危险场所，通常是控制室内，如图1所示；第二种位于危险场所，如图2所示。我们知道，关联设备本身并不具有本质安全防爆性能，那么它为何可置于危险场所呢？这就需要有另外一种或多种防爆型式来保护。这种防爆型式通常为符合国家防爆标准GB3836.1-2000规定的外壳。常见的有如下几种情况：图2关联设备置于危险场所其一，将关联设备置于隔爆外壳内保护。这种产品的防爆标志为Exd[ia/ib]。一直以来隔爆外壳被认为是最容易理解的，简单地说，取一个坚固的盒子，它能经受内部爆炸压力而不会引燃外部气体，那么无论放什么东西进去都可以做到防爆。隔爆外壳的设计须符合国家标准GB3836.1-2000和GB3836.2-2000的要求。通常隔爆外壳内放置的不仅包括关联设备，还有其他非本安电路，这时需要严防本安回路与非本安回路混触。其二，将关联电路按照国家标准GB3836.9-2000的要求整体浇封，置于符合国家标准GB3836.3-2000要求的增安型外壳之内，与外电路连接的接线端子的爬电距离、电气间隙必须符合GB3836.3-2000表2的要求，但本安端子与非本安端子的间距必须符合GB3836.4-2000表4的要求,在这种情况下关联设备可以置于危险场所，产品的防爆标志为Exem[ia/ib]。其三，将关联设备置于依据国家标准GB3836.5-2004设计的正压小屋或正压控制柜之中，在置换气体结束、联锁保护功能起作用后，关联设备方可通电使用。其四，近来，随着防爆电气设备趋于多样化、智能化，一些过去不常使用的防爆型式如油浸型Exo、充砂型Exq也被用来保护关联设备。如P＋F等公司研制的防爆电脑操作站，其关联电路置于电脑显示器内，显示器内部采用符合国家标准GB3836.7-2004要求的石英砂填充保护，隔绝关联设备可能产生的电火花或热效应进入爆炸性气体环境，从而达到切断点燃源的目的。目前，该电脑操作站业已经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站认可并出具了防爆合格证书。2本安系统的认可及系统防爆标志确定2.1基于“参数认证”的本安系统认可参量认证是评价本安系统的安全快捷的国际通用认可方式，以设备自身安全额定值作为检验认可基础。只须对认可的本安设备和关联设备，以及明确分布参数的连接电缆,根据其各自规定的安全参数,依据下列参数匹配的原则即可构成本质安全防爆系统：Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc。本安系统的防爆类别、级别和组别的确定，取决于组成系统的现场设备(总线系统还应包括终端器)和供电电源等的防爆类别、级别和组别。如这些设备的类别、级别和组别不尽相同，本安系统的防爆标志应按这些设备中的最低类别、级别和组别确定。2.2基于FISCO技术的本安系统的认可目前在系统控制中最受工程技术人员欢迎的本安系统技术是FISCO技术。第八届工业仪表与自动化学术会议4近年来，总线防爆技术一直处于发展和完善之中，以本质安全防爆技术为核心的FISCO(FieldbusIntrinsicallySafeConcept现场总线本质安全概念)技术同样基于参量认可的本安系统配置原理，其最大优点是当电缆参数和长度符合相关要求时可不考虑电缆分布参数对本安系统附加能量的影响，使系统的组成方便、快捷和安全，成为现场总线防爆技术的首选，进而得到不断改进并日益成熟。2005年版IEC60079-27对FISCO组成制定了明确要求。图3所示为符合IEC60079-27要求的现场总线典型结构，由一个供电电源、最多32台现场设备、分处于主干线两端的终端器、干线电缆和其它附属设备组成。UU非危险场所1-终端器2-供电电源3-数据4-手操器5-现场设备6-主干线7-分支线危险场所1751462Ⅰ3图3FISCO典型结构FISCO技术的成立原则是组成部分中所涉及的供电电源、现场设备、终端器等均应各自符合本安防爆标准要求并持有防爆合格证。与此同时，IEC60079-27对各自本安参数规定如下：①供电电源最高输出电压Uo：14V～17.5V最大输出电流Io：不大于380mA最大输出功率Po：不高于5.32W未被保护的最大内部电容Ci：不大于5nF未被保护的最大内部电感Li：不大于10μH②现场设备最高输入电压Ui：不低于17.5V最大输入电流Ii：不低于380mA最大输入功率Pi：不低于5.32W未保护的最大内部电容Ci：不大于5nF未保护的最大内部电感Li：不大于10μH③终端器最高输入电压Ui：不低于17.5V最大输入电流Ii：不低于380mA最大输入功率Pi：不低于5.32W未保护的最大内部电感Li：不大于10μH内部等效电容Ci：应由防爆检验机构确认电容容量不会对本安防爆性能产生影响④现场总线电缆现场总线电缆包括主干线和分支线两部分，均应符合下列参数要求：第八届工业仪表与自动化学术会议5回路电阻Rc15Ω/km～150Ω/km回路电感Lc0.4mH/km～1mH/km电容Cc45nF/km～200nF/km电缆参数的测量应根据IEC60079-14“Electricalapparatusforexplosivegasatmospheres–Part14:Electricalinstallationsinhazardousareas(otherthanmines)”附录C实施。使用在ⅡC和ⅡB气体组别的危险场所时，每一条分支线允许的最大电缆长度为60m。包括主干线和所有分支线在内的电缆长度总和，在使用于ⅡC气体组别环境时最长不得超过1km；在使用于ⅡB气体组别时最长不得超过5km。主干线长度不得超过30m，将电源连接到主干线上的分支线长度小于30m。3本安系统安装要点本安系统应用到爆炸性危险场所时，除了需要注意参数匹配、电缆选型之外，还要注意安装的具体要求。国家级仪器仪表防爆安全监督检验站（国家安全生产上海防爆电气检测检验中心）近年来承接了化工、医药、冶金、物流等行业的几百家企业爆炸性危险区域电气设备选型及安装评估工作。在此将实践中总结的本安系统现场安装要点作如下归纳。3.1安装前的设备检查①设备的型号、规格应与相应的防爆合格证书中的描述一致。②设备铭牌及警告牌应正确、清晰。铭牌中的防爆合格证号、防爆标志及相关本质安全参数应与防爆合格证书中的描述一致，且防爆标志的等级不低于现场危险介质等级。③外壳应无裂纹、损伤，如果塑料外壳或外壳的塑料部件设置有防止静电引燃危险的警告牌，则必须依据警告牌内容采取相应的安全措施。④电气设备所有零件、元器件及线路应连接可靠、性能良好。⑤独立供电的本质安全型电气设备的电池牌号、型号应符合其电气设备相应防爆合格证书中的规定，严禁换用其它牌号、型号的电池。⑥本质安全型电气设备、关联设备及二者之间的连接电缆应符合防爆合格证书中的参数匹配的原则。3.2现场安装要求①系统接线必须按检验机构认可的系统配置及接线图进行连接。②本安电路与一般电路的配线不得共用同一电缆或钢管。③两个及以上的本安电路或本安关联电路的配线也不应共用同一电缆或钢管。④本安电路连接端子与非本安电路连接端子通过同一专用接线箱与电气设备连接时，端子箱内本安电路与非本安电路的端子之间的间距不应小于50mm；当间距不满足要求时，两个不同电路的端子板之间应装设绝缘隔板或接地金属隔板隔离