基於本安防爆稱重係統的設計

【摘 要】稱重計量技術的飛速發展，已廣泛應用於(yu) 石油、煤炭、化工和製藥等爆炸危險場合。以人為(wei) 本、安全生產(chan) 的意識也在逐步提高。如何使稱重技術很好的為(wei) 它們(men) 服務，我們(men) 必須掌握相關(guan) 防爆係統的設計，本文通過對本安係統的介紹引入了設計本安防爆稱重係統需要達到哪些要求，應注意哪些細節。旨在拋磚引玉，推進該項技術的發展。
【關(guan) 鍵詞】本安防爆 稱重係統 安全柵
隨著稱重計量技術的發展，稱重係統已廣泛應用於(yu) 用於(yu) 石油、煤炭、化工、和製藥等行業(ye) ,這些行業(ye) 中的危險化學品作業(ye) 場所存在的易燃易爆氣體(ti) 種類繁多（目前世界上已經定性的有大約4000餘(yu) 種，其中定量的有1900餘(yu) 種），生產(chan) 、儲(chu) 存、運輸等環節工藝裝備複雜多變，釋放源種類繁多，爆炸危險因素難以分析判定。所以全麵正確認識電氣防爆安全技術，是我們(men) 必須重視和認真對待的事情。
一、本安係統的基本構成
本安係統是通過限製電氣能量而實現電氣防爆的電路係統，且不限製使用場所（其中ia等級在0區、I區和II區危險場所均適用）和爆炸性氣體(ti) 混合物的種類（即包括所有可燃性氣體(ti) ）,具有高度的安全性、可維護性和經濟性。
1、現場本安設備
從(cong) 現場設備的儲(chu) 能元件角度考慮，使處於(yu) 爆炸性氣體(ti) 危險環境中的現場設備按照本安防爆要求設計,對其中包含的電感和電容等儲(chu) 能元件回路采取相應措施,並使其盡可能減少的同時,
考慮回路元件的功耗及溫升問題,以保證該設備不論是正常工作還是故障狀態,均不會(hui) 產(chan) 生由火花和熱源引起的點燃。即現場設備必須是本安設備。
現場本安設備具有本安性能的主要參數：
zui高輸入電壓（Ui）:施加到本質安全電路連接裝置上,而不會(hui) 使本質安全性能失效的zui高電壓（交流峰值或直流）。
zui大輸入電流（Ii）:施加到本質安全電路連接裝置上,而不會(hui) 使本質安全性能失效的zui大電流（交流峰值或直流）。
zui大輸入功率（Pi）:當電氣設備與(yu) 外電源連接不使本質安全性能失效時,可能在電氣設備內(nei) 部消耗的本質安全電路的zui大輸入功率。
zui大內(nei) 部等效電容（Ci）:通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內(nei) 電容。
zui大內(nei) 部等效電感（Li）:通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內(nei) 電感。
2、連接電纜
從(cong) 係統布線工程角度考慮,由於(yu) 連接電纜存在分布電容和分布電感,使連接電纜成為(wei) 儲(chu) 能元件。它們(men) 在信號傳(chuan) 輸過程不可避免地存儲(chu) 能量,一旦當線路出現開路或短路時,這些儲(chu) 能就會(hui) 以電火花或熱效應的形式釋放出來,影響係統的本安性能。因此既要保證連接傳(chuan) 輸電纜不會(hui) 受到外界電磁場幹擾影響及與(yu) 其他回路混觸,又要限製布線長度和感應電動勢所帶來的附加非本安能量,依此來確定電纜的允許分布電容和允許分布電感,世界各防爆檢驗機構主
要采取以集中參數的方式考慮電纜分布參數的方法。連接電纜本安性能的基本參數如下:
電纜zui大允許分布電容Cc=Ck×L
電纜zui大允許分布電感Lc=Lk×L
式中Ck--電纜單位長度分布電容;
Lk--電纜單位長度分布電感;
L--實際配線長度。
3、關(guan) 聯設備（安全柵）
從(cong) 控製室設備配置角度考慮,該部分電氣回路必須具備無論係統處於(yu) 正常工作狀態還是故障狀態,均能夠將從(cong) 安全場所的非本安回路傳(chuan) 到危險場所的本安設備的能量抑製在點火極限（zui小點燃能量）以下的保護功能。安全柵本安性能的基本參數：
zui高電壓（交流有效值或直流Um）：施加到關(guan) 聯設備非本質安全連接裝置上,而不會(hui) 使本質安全性能失效的zui高電壓。
zui高輸出電壓（Uo）:開路條件下,在設備連接裝置施加電達到zui高電壓（包括Um和Ui）時,可能出現的本質安全電路的zui高輸出電壓（交流峰值或直流）。
zui大輸出電流（Io）:來自電氣設備連接裝置的本質安全電路的zui大電流（交流峰值或直流）。
zui大輸出功率（Po）:能從(cong) 電氣設備獲得的本質安全電路zui大功率。
zui大外部電容（Co）:可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會(hui) 使本質安全性能失效的本質安全電路的zui大電容。
zui大外部電感（Lo）:可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會(hui) 使本質安全性能失效的本質安全電路的zui大電感。
4、本安係統組合條件
為(wei) 保證設備的安全正常使用,本安係統各配置間必須滿足以下條件。①現場本安設備的防爆標誌級別不能高於(yu) 安全柵的防爆標誌級別②關(guan) 聯設備、現場本安設備與(yu) 連接電纜參數之間要符合以下不等式。
安全柵參數
安全參數匹配條件
本安儀(yi) 表、電纜等參數
Uo
≤
Ui
Io
≤
Ii
Co
≥
Ci+Ce
Lo
≥
Li+Le
二、本安防爆稱重係統設計一般要求
1、本安防爆稱重係統配置設備選用原則
本安防爆稱重係統由本安現場設備、關(guan) 聯設備（也稱安全柵）和連接電纜三部分組成,就本安防爆性能而言，它們(men) 必須滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四個(ge) 條件。這些設備配置的選用原則是：
（1）本安儀(yi) 表和傳(chuan) 感器等電氣設備的選用原則
簡單設備:按照GB3836.4-2000防爆標準規定,對於(yu) 電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A,且能量不超過20μJ或功率不超過25mW的電氣設備可視為(wei) 簡單設備,其中zui常見的儀(yi) 表設備有熱電偶、電阻應變式稱重傳(chuan) 感器等,它們(men) 的典型特點是內(nei) 部等效電感Li=0,內(nei) 部等效電容Ci=0。
本安稱重電氣設備:安裝於(yu) 危險場所的現場設備,必須明確以下問題：
1）是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計並已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備；
2）防爆標誌規定的等級是否適用於(yu) 使用的危險場所的安全要求；
3）明確Ui、Ii、Pi、Ci和Li參數；
4）本安電路是否接地或接地部分的本安電路是否與(yu) 安全柵接口部分的電路加以有效隔離；
5）信號傳(chuan) 輸是以何種方式進行；
6）本安電氣設備的zui低工作電壓及回路正常工作電流。
在上述問題明確的基礎上,選擇與(yu) 之對應的安全柵。
（2）安全柵的選用原則
1）安全柵的防爆標誌等級必須不低於(yu) 本安現場儀(yi) 表和傳(chuan) 感器的防爆標誌的等級。
2）確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現場設備的zui低工作電壓。
3）安全柵的本安端安全參數能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci和Lo≥Li的要求。
4）根據本安現場儀(yi) 表的電源極性及信號傳(chuan) 輸方式選擇與(yu) 之相匹配的安全柵。
5）避免安全柵的漏電流影響本安現場設備的正常工作。
6）安全柵有兩(liang) 大類，一類為(wei) 齊納式安全柵，另一類為(wei) 隔離式安全柵。
（3）連接電纜的選用原則
用於(yu) 本安防爆稱重係統中連接本安現場設備與(yu) 安全柵的連接電纜，其分布參數在一定程度上決(jue) 定了本安係統的合理性及使用範圍,因此必須符合以下條件。
1）連接電纜規格連接電纜為(wei) 銅芯絞線,一般采用六芯電纜且每根芯線的截麵積不小於(yu) 0.5mm2。介質強度應能承受2倍本安電路的額定電壓,但不低於(yu) 500V的耐壓試驗。
2）連接電纜長度的限製在本安係統中,現場本安儀(yi) 表和連接電纜同為(wei) 安全柵的負載,當安全柵與(yu) 現場本安儀(yi) 表選定後,也就決(jue) 定了連接電纜的長度。其具體(ti) 方法如下。
根據Cc≤Co-Ci和Lc≤Lo-Li公式計算電纜的zui大外部分布參數;按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分別計算電纜長度,取兩(liang) 者中的小值作為(wei) 實際配線長度L,但多芯電纜,應考慮相互疊加影響。目前國內(nei) 已有多家電纜生產(chan) 廠生產(chan) 專(zhuan) 為(wei) 本安係統設計的本安用特殊電纜,為(wei) 方便比較選用,下麵表1給出了典型普通連接電纜的分布參數,表2給出了典型國產(chan) 本安用特
殊電纜分布參數,以供參考。
表1 典型普通電纜線的分布參數
規格
分布參數
KC
KL
名 稱
截麵積
絕緣厚度
R
2mm/
/mm
（μF/km）
（mH/km）
（Ω/km）
1.0
0.6
0.195
0.617
19.5
1.5
0.6
0.207
0.577
13.5
RVV
2.5
0.8
0.201
0.583
8.0
1.0
0.6
0.248
0.722
19.5
1.5
0.6
0.248
0.655
13.5
RVVP
2.5
0.8
0.241
0.682
8.0
RVV：銅芯聚氯乙烯絕緣及護套軟線 RVVP：銅芯聚氯乙烯絕緣、金屬屏蔽及護套軟線
表2 典型國產(chan) 本安儀(yi) 表用特殊電纜分布參數
2mm截麵積/
聚乙烯絕緣雙芯對絞屏蔽銅線
1.0
1.5
2.5
一般線芯
18.5
12.4
7.45
20℃直流電阻R
（Ω/km）
多股軟線芯
19
13.5
7.8 分布電容（μF/km）
<0.094
<0.104
<0.115
一般線芯
0.46
0.31
0.19
分布電感
KL（mH/km）
多股軟線芯
0.48
0.34
0.20
400A/m電磁幹擾/mV
<200
<200
<200
10KV靜電幹擾/V
<1
<1
<1
2、本安防爆稱重係統的優(you) 化配置
實現本安防爆稱重係統的優(you) 化配置應將上述環節統籌考慮。電纜的分布參數是影響本安係統應用的主要因素。為(wei) 了提高係統允許的電纜分布參數,可以通過提高安全柵允許外接參數和降低本安設備內(nei) 部等效參數的方法來實現。
（1）對於(yu) 提高安全柵允許外接參數,可以通過優(you) 化分析,合理選擇安全柵,盡量選擇具有較低zui高開路電壓和zui大短路電流的安全柵來實現。
（2）對於(yu) 降低本安儀(yi) 表內(nei) 部等效參數,通常也可通過前述的抑製本安儀(yi) 表電路中電容電感儲(chu) 能相同的方法來完成。但是在實踐中,還有一種更有效地抑製本安儀(yi) 表輸入電容的方法,即在本安儀(yi) 表輸入端加上兩(liang) 個(ge) 串聯的正向二極管,並與(yu) 整個(ge) 本安電路膠封為(wei) 一體(ti) 。這種方法的應用,不僅(jin) 使本安儀(yi) 表具有反極性保護的功能,而且由於(yu) 雙重化二極管的作用,可靠地阻斷了本安儀(yi) 表內(nei) 部電容對電路的放電回路,從(cong) 根本上避免了儀(yi) 表內(nei) 部電容對外電路的影響,此時儀(yi) 表的內(nei) 部等效電容可近似的認為(wei) 是零,即Ci=0,從(cong) 而大大提高了本安係統的允許電纜分布電容，此時,Cc=Co。
3、本安防爆稱重係統現場布線原則
（1）整個(ge) 係統的接線必須按照相關(guan) 設計要求。
（2）防本安回路與(yu) 非本安回路混觸。控製室到現場的本安電纜與(yu) 非本安電纜分別敷設在各自的匯線槽內(nei) ,中間用隔板分開,匯線槽帶蓋,以防外部機械操作損傷(shang) 。
（3）現場接線盒或匯線槽引到本安儀(yi) 表的電纜敷設在鋼管內(nei) ,以防機械損傷(shang) 及電磁感應引起的危險。本安電纜和非本安電纜不公用一根金屬線管和同一個(ge) 現場接線盒。
（4）連接電纜及其鋼管、端子板應有藍色標誌（或纏上藍色膠帶）,以便識別。
（5）齊納式安全柵的接地匯流條及接地裝置須滿足安全柵的使用說明書(shu) 及國家有關(guan) 電氣安全規程的要求。
（6）多個(ge) 本安電路或關(guan) 聯電路不應共用同一電纜（電纜線芯分別屏蔽者除外）或共處同一鋼管內(nei) （用屏蔽導線除外）。
4、安全柵選擇，安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩(liang) 大類。
（1）齊納式安全柵
齊納式安全柵（圖1）采用在電路回路中串聯快速熔斷絲(si) 、限流電阻和並聯限壓齊納二極管實現能量的限製，保證危險區儀(yi) 表與(yu) 安全區儀(yi) 表信號連接時安全限能。它采用器件非常少、體(ti) 積小、價(jia) 格低，但也有一些致命的缺陷，使應用範圍受到較大的限製。目前采用顯下降趨勢。
圖1 齊納式安全柵
1）使用齊納式安全柵，工廠必須要有專(zhuan) 門的本安接地係統，本安電路接地電阻必須小於(yu) 1Ω。危險區現場本安表必須為(wei) 隔離型的，非隔離型的儀(yi) 表不能采用。
2）使用齊納式安全柵，對供電電源電壓響非常大，電源電壓的波動可能會(hui) 引起齊納二極管的電流泄漏，從(cong) 而引起信號的誤差或者發出錯誤電平，嚴(yan) 重時會(hui) 使快速保險絲(si) 燒斷而*損壞，按規定齊納式安全柵內(nei) 部齊納管、限流電阻、保險絲(si) 整體(ti) 澆封，一旦損壞無法修複。
3）使用齊納式安全柵，信號負極均要接至本安接地，這樣大大降低係統信號抗幹擾能力，影響係統的可靠性，特別對DCS係統影響尤為(wei) 明顯。
（2）隔離式安全柵
隔離式安全柵不但有限能功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元、信號、電源隔離單元和信號處理單元組成。其基本功能框圖如圖2：
圖2 隔離式安全柵
它包括獨立供電隔離式安全柵和回路供電隔離式安全柵兩(liang) 大類。
1）隔離式安全柵與(yu) 齊納式安全柵相比，雖然價(jia) 格要高一些，但是它許多優(you) 點和特點還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向選擇隔離式安全柵。
2）使用隔離式安全柵，可以將危險區的現場回路信號和安全區回路信號有效隔離。這樣本安自控係統不需要本安接地係統，簡化了本安防爆係統應用時的施工。大大增強了檢測和控製回路的抗幹擾能力，提高係統可靠性。
3）使用隔離式安全柵，允許現場儀(yi) 表接地，允許現場儀(yi) 表為(wei) 非隔離型的。
4）隔離式安全柵有許多保護功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現場儀(yi) 表帶電檢修。這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間
5）隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關(guan) 量輸入狀態控製、mV變為(wei) 4～20mA等等。這樣給現場儀(yi) 表和控製係統的應用提供了更大的方便、合理和有效。
6）回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優(you) 點，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS係統。
5安全柵的接地分析
齊納式安全柵如果不接地，如圖3所示。若當安全區內(nei) 配電故障導致一個(ge) 對地高電勢（交流220V的相線）落在安全柵上時齊納管隻限製齊納式安全柵導線之間的電壓Uo，但無法限製任何一線對地的電勢，該電勢被引入危險區，一旦現場儀(yi) 表對地絕緣隔離不好，對地產(chan) 生短路，立即產(chan) 生強大的地電流，這樣的高電勢和對地電流的能量並沒有得到限製，因此，極可能產(chan) 生火花而引起危險。
圖 3 齊納式安全柵不接地
若安全柵有可靠接地，如圖4所示。當同樣的故障發生時，齊納管限製了對地的電勢，
故電流隻能在安全區內(nei) 流過，這樣確保危險區的現場安全。這個(ge) 接地也叫“本安接地”。
圖 4 齊納式安全柵可靠接地
采用隔離式安全柵的情況如圖5
圖 5 采用隔離式安全柵
當故障發生時，由於(yu) 隔離式安全柵內(nei) 有可靠的隔離單元，它對地產(chan) 生電勢，但對地電流不可能從(cong) 可靠隔離單元流向危險區，因此在安全柵的本安電路側(ce) 不需要專(zhuan) 門本安接地，隻要按照一般要求。如利用屏蔽電纜的話，在現場儀(yi) 表側(ce) 或控製室一側(ce) 把電纜屏蔽接地即可，如圖6
圖 6 利用屏蔽電纜的隔離式安全柵
3、結語
在以人為(wei) 本、安全生產(chan) 的意識的前提下。本安防爆稱重係統能在各行各業(ye) 發揮重要的作用，為(wei) 保障人民生命財產(chan) 安全保駕護航。稱重計量技術的發展，要求我們(men) 必須重視相關(guan) 配套係統的設計和研發。本文重在拋磚引玉，推進本安防爆技術在稱重領域的快速發展，以滿足相關(guan) 的應用。
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作者簡介：楊青鋒（1979- ），男，大學本科，工程師，現為(wei) 中國衡器協會(hui) 技術專(zhuan) 家委員會(hui) 委員；中國衡器協會(hui) 職業(ye) 教育工作委員會(hui) 委員；陝西工業(ye) 職業(ye) 技術學院客座教授；長期致力於(yu) 稱重測力傳(chuan) 感技術和電子稱重係統工程的研究和開發，在《中國計量》、《計量技術》、《衡器》等期刊發表論文20餘(yu) 篇
作者通訊地址：浙江省寧波市江北區洪塘工業(ye) A區洪祥路25號。郵政編碼：315033