仪表的本质安全电（回）路

入厂三级安全教育中提到了我厂的特点中包括：易燃、易爆。 我们仪表公司所管辖的仪表大部分带有电源。 当电路由于某种原因，产生放电时，会有电火花，发热、发光的现象。 如果周围有危险气体、且在爆炸极限之内，会不会产生爆炸和燃烧？

这里我们探究仪表如何做到防爆的。

防爆的概念 引起爆炸的三个必要条件，三个条件同时具备 —— 爆炸点火所需能量 ；空气或氧气 ；可燃气体（粉尘）。

危险区域的分类 1、气体危险区域分类 0区（Zone 0）：易爆气体始终或长时间存在（连续地存在危险性大于1000小时/每年的区域（国际电工委员会 ）） 1区（Zone 1）：易燃气体在仪表的正常工作过程中有可能发生或存在（断续地存在危险性10~1000小时/每年的区域 ） 2区（Zone 2）： 一般情形下，不存在易燃气体且即使偶尔发生，基存在时间亦很短（事故状态下存在的危险性0.1~10小时/每年的区域）

危险区域的分类 2、粉尘危险区域的分类 20区（Zone 20）：易爆粉尘始终或长时间存在

防爆标志 防爆电气设备的防爆标志内容包括： 防爆型式+设备类别+（气体组别）+温度组别 例如：仪表一般为：Ex ia II C T6 电机一般为：Ex d II C T4

1. 防爆型式 隔爆型 Ex d 充砂型 Ex q 增安型 Ex e 浇封型 Ex m 正压型 Ex p ｎ型 Ex n 防爆型式 防爆标志 防爆型式 防爆标志 隔爆型 Ex d 充砂型 Ex q 增安型 Ex e 浇封型 Ex m 正压型 Ex p ｎ型 Ex n 本安型 Ex ia 粉尘防爆型DIP A 本安型 Ex ib 粉尘防爆型DIP B 油浸型 Ex o 特殊性Ex s

2. 设备类别 I类：煤矿井下用电气设备； II类：除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。 II类隔爆型“d”和本质安全型“i”电气设备又分为IIA、IIB、和IIC类。 可燃性粉尘环境用电气设备分为： A型尘密设备；B型尘密设备；A型防尘设备；B型防尘设备。

3. 气体组别 气体组别 最大试验安全间隙 最小点燃电流比 MESG (mm) MICR IIA MESG≥0.9 MICR＞0.8 气体组别 最大试验安全间隙 最小点燃电流比 MESG (mm) MICR IIA MESG≥0.9 MICR＞0.8 IIB 0.9＞MESG＞0.5 0.8≥MICR≥0.45 IIC 0.5≥MESG 0.45＞MICR

4. 温度组别 爆炸性气体混合物的引燃温度是能被点燃的温度极限值。 　4. 温度组别 爆炸性气体混合物的引燃温度是能被点燃的温度极限值。 电气设备按其最高表面温度分为T1～T6组，使得对应的T1～T6组的电气设备的最高表面温度不能超过对应的温度组别的允许值。温度组别、设备表面温度和可燃性气体或蒸气的引燃温度之间的关系如下表所示。

温度级别 设备的最高表面温度 可燃性物质的点燃温度 温度级别 设备的最高表面温度 可燃性物质的点燃温度 IEC/EN /GB 3836 T［℃］ ［ ℃］ T1 450 T ＞450 T2 300 450≥T＞300 T3 200 300≥T＞200 T4 135 200≥T＞135 T5 100 135≥T＞100 T6 85 100≥T＞85

目前仪表所使用的防爆技术 隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本质安全(Ex i)、正压(Ex p)、浇封(Ex m) 型等。

 隔爆型电气设备（d）：是指把能点燃爆炸性混合物的部件封闭在一个外壳内，该外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力并阻止和周围的爆炸性混合物传爆的电气设备。 增安型电气设备（e）：正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合物的火花或危险温度，并在结构上采取措施，提高其安全程度， 以避免在正常和规定过载条件下出现点燃现象的电气设备。 无火花型电气设备 （n）： 在正常运行条件下不产生电弧或火花，也不产生能够点燃周围爆炸性混合物的高温表面或灼热点，且一般不会发生有点燃作用的故障的电气设备。 本质安全型电气设备（i）：在正常运行或在标准试验条件下所产生的火花或热效应均不能点燃爆炸性混合物的电气设备。

本安电路的定义 即使线路发生短路或电火花，也不足以点燃周围的易燃易爆气体，这样的电路称为本质安全电路，简称本安电路。

本质安全电气设备防爆基本原理 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。

本安防爆技术的特点 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。

本安回路的组成 本安防爆系统由： 本安型现场设备、关联设备及二者之间的连接电缆组成。

现场设备 现场设备主要分为简单设备和非简单设备： 将既不会产生也不会存储超过1.2V，0.1A，25mW和20μJ的电气设备认定为简单设备，主要包括简单触点、热电偶、RTDs，LEDs和电阻性元件等； 非简单设备是指可能产生或存储的能量超过上述数值的电气设备，典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。通常国际上认证这些设备时给出它们的整体参数： 　　Vmax——最大允许电压； 　　Imax——最大允许电流； 　　Ci——内部电容； 　　Li——内部电感。

关联设备 关联设备作为限能设备能有效地保护危险场所的现场设备，在正常工作条件下能使系统完好地工作，而在故障条件下能限制到达危险场所的电压、电流。其主要参数包括： 　　Voc——最高开路电压； 　　Isc——最大短路电流； 　　Ca——最大外部电容； 　　La——最大外部电感。 　　在实践应用中关联设备主要是指安全栅，它又分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅。

MTL安全栅

P+F 安全栅外形

连接电缆 由于关联设备与现场设备间的连接电缆存在分布电容和分布电感，因此其储能势必对本安系统的防爆性能造成影响。在实践中通常将电缆按集中参数处理，其参数主要包括： 　　Cc——本安系统最大允许电容； 　　Lc——本安系统最大允许电感。

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。 正常工作时，安全系数为 2.0 ； 一个故障时，安全系数为 1.5 ； 二个故障时，安全系数为 1.0 。 注：有火花的触点须加隔爆外壳、气密外壳或加倍提高安全系数。

本安电气设备的安全等级 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。 正常工作时，安全系数为2.0； 一个故障时，安全系数为1.5。 正常工作时，有火花的触点须加隔爆外壳或气密外壳保护，并且有故障自显示的措施，一个故障时安全系数为1.0。

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。

齐纳安全栅示意图：

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。 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。其基本功能框图见下图。

隔离安全栅示意图

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。

隔离式安全栅应用的优点 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。

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 本安电气设备的最低工作电压及回路正常工作电流。

安全栅的选用原则 1、安全栅的防爆标志等级必须不低于本安电气设备的防爆标志的等级。 2、确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安电气设备的最低工作电压。 3、安全栅的本安端安全参数能够满足本安参数防爆认证的要求。 4、根据本安电气设备的电源极性及信号传输方式选择与之相匹配的安全栅。 5、避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作。 6、安全栅有两大类，一类为齐纳式安全栅，另一类为隔离式安全栅。

本安系统现场布线原则 1、整个系统的接线必须按检验机构认可的系统组成。 2、慎防本安回路与非本安回路混触。 3、从控制室到现场的本安电缆与非本安电缆分别敷设在各自的汇线槽内,中间用隔板分开,汇线槽带盖,以防外部机械操作损伤。 4、从现场接线盒或汇线槽引到本安仪表的电缆敷设在钢管内,以防机械损伤及电磁感应引起的危险。 5、本安电缆和非本安电缆不公用一根金属线管和同一个现场接线盒。 6、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。(一般机柜内本安的颜色■) 7、齐纳式安全栅的接地汇流条及接地装置须满足安全栅的使用说明书及国家有关电气安全规程的要求。 8、多个本安电路或关联电路不应共用同一电缆(电缆线芯分别屏蔽者除外)或共处同一钢管内(用屏蔽导线除外)。

安全栅的接地分析 齐纳式安全栅不接地,大电流可能引入危险区 齐纳式安全栅如果不接地，如下图示。若当安全区内配电故障导致一个对地高电势（交流220V的相线）落在安全栅上时, 齐纳管只限制齐纳式安全栅导线之间的电压Uo，但无法限制任何一线对地的电势，该电势将可能被引入危险区，一旦现场仪表对地绝缘隔离不好，对地产生短路，立即产生强大的地电流，这样的高电势和对地电流的能量并没有得到限制，因此，极可能产生火花而引起危险。

齐纳式安全栅必须“本安接地” 若安全栅有可靠接地，如下图示。当同样的故障发生时，齐纳管限制了对地的电势，故障电流只能在安全区内流过，这样确保危险区的现场安全。这个接地也叫“本安接地”。

隔离式安全栅无须“本安接地” 当故障发生时，由于隔离式安全栅内有可靠的隔离单元，它对地产生电势，但对地电流不可能从可靠隔离单元流向危险区，因此在安全栅的本安电路侧不需要专门本安接地，只要按照一般要求，见下图。

隔离式安全栅单点接地 如采用屏蔽电缆的话，在现场仪表侧或控制室一侧把电缆屏蔽接地即可，见下图。

习题 1、何为本安电路 2、本安回路的组成 3、齐纳安全栅的组成 4、隔离安全栅的组成 5、防爆区域的分类 6、安全栅的安全技术指标有哪些？此外你觉得还应有哪些指标？ 7、为什么本安回路要加安全栅？ 8、信号电缆屏蔽层的作用？为何只能单点接地？