电气设备防爆基本知识

电气设备防爆基本知识电气设备防爆基本知识•在石油、化工、冶金、制药、天然气等生产过程中，经常会出现具有爆炸性物质存在的危险场所，这些场所使用的电气设备必须遵循有关爆炸性环境用的国家标准，并取得国家授权机构的认证。针对于集团相关工厂而言，主要是浸出车间、生物柴油车间、氢化车间、脂肪酸车间、脂肪醇车间、制氢车间。电气爆炸性物质的分类、分级、分组设备防爆基本知识代表性物质物质分组体系点燃特性中国/IEC/欧洲国家GB3836.1/IEC60079-0/EN50014北美（美国、加拿大）NEC500乙炔ⅡC级Ⅰ级A组易难氢气ⅡC级Ⅰ级B组乙烯ⅡB级Ⅰ级C组丙烷ⅡA级Ⅰ级D组甲烷Ⅰ(煤矿)（无分组）金属粉尘待定（Ⅲ）Ⅱ级E组煤尘Ⅱ级F组农业粉尘Ⅱ级G组纤维（毛、棉屑）Ⅲ电气设备的最高表面温度组别按照我国国家防爆标准GB3836.1-2000的有关规定,电气设备的温度组别与设备允许最高表面温度和适用气体引燃温度的关系如下：温度组别最高表面温度适用危险气体引燃温度T（℃）电气安全性能T1≤450℃450℃≤T低高T2≤300℃300℃≤TT3≤200℃200℃≤TT4≤135℃135℃≤TT5≤100℃100℃≤TT6≤85℃85℃≤T危险场所的区域划分中国、欧洲、IEC及北美对危险场所分类进行区域划分描述。具体表示如下：中国的描述爆炸性气体环境连续出现或长时间存在在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在参考标准（文献）欧洲的量化描述＞1000小时/年10－1000小时/＜10小时/年中国/欧洲/IEC气体Zone0Zone1Zone2GB3836.14-2000IEC60079-10:2002EN1127-1中国/欧洲/IEC粉尘Zone20Zone21Zone22IEC61241-3:1997北美的描述在正常运行条件下，连续地、间断地或周期性地存在易燃气体或蒸汽并达到危险浓度危险气体、蒸汽仅在其容器或系统偶然破裂或发生故障时，或设备异常运行时才能释放形成危险北美气体或固体Division1Division2NECArticle500-3(c)电气设备的防爆型式目前我国可以接受的防爆型式如下:防爆技术防爆型式防爆标准及符号技术措施典型应用隔离措施充油型o(GB3836.6)隔离存在的点火源变压器、开关装置正压型p(GB3836.5)设法防止产生点火源控制室、仪表盘、马达、分析仪器充砂型q(GB3836.7)限制点火源的能量仪表装置浇封型m(GB3836.9)把危险物质与点火源隔开仪表、控制装置特定的结构设计增安型e(GB3836.3)把危险物质与点火源隔开马达、照明灯具、接线盒n型n(GB3836.8)把危险物质与点火源隔开马达、灯具本质安全型ia/ib(GB3836.4)限制点火源的能量仪表、控制装置防爆保护外壳隔爆型d(GB3836.2)隔离存在的点火源开关装置、马达、泵、阀、仪表、控制装置特殊设计气密型h(GB3836.10)用外壳保护和限制表面温度气体探测器本安防爆技术工业领域自动化控制的电气设备防爆最常用型式是：本质安全型、隔爆型和增安型。本质安全型是唯一可适用于0区的防爆技术。本安防爆技术的基本原理本安防爆技术的基本原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证电气设备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。这类电气设备称为本安电气设备。本安电气设备结构简单、体积小、重量轻；可带电维护、标定和更换零件；不会因为外结构件损坏等原因降低电气设备的安全可靠性；它是一种“弱电”技术，现场的应用不会引起触电伤亡等事故的发生；是唯一可适用于0区危险场所的防爆技术；简单设备（如热电阻、热电偶等）不需特别认证即可接入本安防爆回路系统。本安防爆技术的特点本安电气设备的安全等级本安电气设备及关联设备，按其使用场所或相连场所的安全程度可分为ia和ib二个安全等级。ia级是指在正常工作、一个计数故障和两个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。ia级的本安电气设备可用在0区、1区、2区危险场所。ib级是指在正常工作和一个计数故障情况下不能点燃爆炸性气体混合物。ib级的本安电气设备可用在1区、2区危险场所。本安电气设备温度等级设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。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，否则会引起燃烧爆炸。温度组别对照表电气设备最高表面温度(℃)45030020013510085温度组别T1T2T3T4T5T6本安电气设备防爆标志本安电气设备防爆标志关联设备（安全栅）防爆标志认证标准和认证机构认证标准：国家标准GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求（eqvIEC60079-0：1998）》和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”（eqvIEC60079-11：1999）》国家标准是等效采用IEC60079标准，该标准于2000-10-17发布，2001-06-01实施，替代原来的GB3836-1983标准。认证机构和认证标志：国家级仪器仪表防爆安全监督检验站（NEPSI）。她是行使国内及进口仪器仪表防爆产品安全监督和检验认可工作的归口单位。并分别与美国工厂联研会（FMRC）、德国联邦物理技术研究院(PTB)等国外机构取得防爆认证技术互认（参见网址NEPSI）。国外认证机构的认证标志：欧洲国家：美国：加拿大本安回路系统的基本构成本质安全防爆系统简称为本安回路系统简单设备根据制造商的技术条件，电气参数值均不超过1.2V,0.1A,25mW,20μJ的电气设备，它们无需防爆认证。可以自由地配置在本安回路中。如：电阻（包括可变电阻）、发光二极管、开关、热电偶、热电阻、应变仪。现场本安电气设备简单设备和一般本安设备。一般本安设备具有储能元件，是需要防爆认证的本安电气设备，如变送器、接近开关等。本安设备本安性能认证参数本安设备本安性能参数在防爆认证给出,参数含义如下：最高输入电压(Ui):施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最高电压(交流峰值或直流)。最大输入电流(Ii):施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最大电流(交流峰值或直流)。最大输入功率(Pi):当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时,可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入功率。最大内部等效电容(Ci):通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。最大内部等效电感(Li):通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。关联设备（安全栅）•装有本质安全电路和非本质安全电路,且结构使非本质电路不能对本质安全电路产生不利影响的电气设备。安全栅本安性能认证参数由产品防爆认证时给出，参数含义如下：最高电压(交流有效值或直流Um)：施加到关联设备非本质安全连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最高电压。安全栅本安性能认证参数：•最高输出电压(Uo):在开路条件下,在设备连接装置施加电压达到最高电压(包括Ui和Um)时,可能出现的本质安全电路的最高输出电压(交流峰值或直流)。•最大输出电流(Io):来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流(交流峰值或直流)。•最大输出功率(Po):能从电气设备获得的本质安全电路最大功率。•最大外部电容(Co):可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。•最大外部电感(Lo):可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。连接电缆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。它的本安性能的基本参数如下:kK电缆最大允许分布电容C=C×Lck电缆最大允许分布电感L=L×Lck式中C--电缆单位长度分布电容;L--电缆单位长度分布电感;L--实际配线长度。一般符合本安性能的电缆参数:kC＝0.1154μF/kmL＝0.20mH/kmk本安回路系统参数防爆认证为保证设备的安全正常使用,本安回路系统各配置间必须满足以下条件。①、本安电气设备的防爆标志级别不能高于安全栅的防爆标志级别。②、关联设备、本安电气设备与连接电缆认证参数之间要符合以下不等式。安全栅参数安全参数匹配条件本安仪表参数+电缆参数Uo≤UiIo≤IiPo≤PiCo≥Ci+CcLo≥Li+Lc具体计算参照Section_114-ATEX_IS_Calculations.pdf，计算格式参照is\IS-AILoopCalculationREV01.xls。安全栅•安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。•齐纳式安全栅•齐纳式安全栅采用在电路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，保证危险区仪表与安全区仪表信号连接时安全限能，见下图。它采用器件非常少、体积小、价格低，但也有一些致命的缺陷，使应用范围受到较大的限制。目前采用显下降趋势。••安全侧使用齐纳式安全栅注意点•①、使用齐纳式安全栅，工厂必须要有专门的本安接地系统，本安电路的接地电阻必须小于1Ω。•②、使用齐纳式安全栅，危险区现场本安仪表必须为隔离型的，非隔离型的仪表不能采用。•③、使用齐纳式安全栅，对供电电源电压影响非常大，电源电压的波动可能会使齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速保险丝烧断而永久损坏，按规定齐纳式安全栅内部齐纳管、限流电阻、保险丝整体浇封，一旦损坏无法修复。•④、使用齐纳式安全栅，信号负极均要接至本安接地，这样大大降低系统信号抗干扰能力，影响系统的可靠性，特别对DCS系统影响尤为突出。隔离式安全栅•隔离式安全栅不但有限能功能，还有隔离功能，它主要由回路限能单元、信号和电源隔离单元、信号处理单元组成。其基本功能框图见图：•危险侧安全侧隔离式安全栅应用的优点•①、隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比，虽然价格要高一些，但是它许多优点和特点还是给用户带来许多方便，使越来越多用户偏向的选择隔离式安全栅。•②、使用隔离式安全栅，可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工。•③、使用隔离式安全栅，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。•④、使用隔离式安全栅，允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的。•⑤、隔离式安全栅有许多保护功能电路，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。•⑥、隔离式安全栅有较强的信号处理能力。如开关量输入状态控制、mV、Pt100变为4～20mA等等。这样给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便、合理和有效。•⑦、当用户同时应用DCS和ESD时，选用一进二出的安全栅，可以有效地将两个系统隔离开来，避免系统之间互相影响。•⑧、回路供电隔离式安全栅既保持有源隔离式安全栅的优点，又有齐纳式安全栅一样的接线方便，不需要另外24V电源供电，特别适合配I/O卡直接供电的DCS系统。隔离式安全栅应用的优点本安回路系统设计一般要求•本安电气设备的选用原则•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,且其能量不超过20μJ或功率不超过25mW的电气设备可视为简单设备,其中最常见的仪表设备有热电偶、热电阻、pH电极、应变片和开关等,它们的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。一般本安电气设备:•①、是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家授权的防爆检验机构认可的本安电气设备。•②、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。•③、明确Ui、Ii、Pi、Ci和Li认证参数。•④、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。•⑤、信号传输是以何种方式进行。•⑥