_防爆安全技术_讲座第8讲本安仪表设计准则

“防爆安全技术”讲座
第8讲　本安仪表设计准则
徐建平
(上海仪器仪表自控系统检验测试所,上海　200233)
1　本安仪表基本设计要求
本安仪表的设计主要包括电路和结构设计,这是实现仪表本安防爆性能不可分割的两个方面。

本安仪表应满足三个基本要求:
①必须把本安与非本安电路完全、可靠地隔离。

可通过加大电气间隙和爬电距离、加强电气绝缘等方法来实现电路隔离,防止本安与非本安电路间的击穿,确保本安电路的防爆性能。

②本安电路中所有元器件或导线的最高表面温度须不大于所规定的组别温度要求,以避免热效应点燃爆炸性气体混合物。

根据热效应原理,限制元器件或导线的最高表面温度和通过限制相应故障条件下加到元件上的最大功率的办法来实现。

③电路在规定等级、级别相对应的试验条件下进行试验评定时,不得点燃相应的爆炸性气体混合物。

通过控制电路的电参数(如减小电感和电容等储能元件参数),或降低电路电流和电压,使电路达到本安防爆要求。

电路中元器件要有足够的功率,连接导线应具有足够截面,以使电路在各种故障条件下可能产生的高电压和大电流作用下不会破坏元件性能,通过元件的可靠性来保证电路的可靠性。

2　本安电路设计
2.1　最小点燃曲线
最小点燃曲线包括最小点燃电流曲线和最小点燃电压曲线,它们是在环境温度为-20～+40℃、大气压力≤0.1MPa(一个大气压或接近一个大气压),同时在气体最易点燃浓度下,用IEC标准火花试验装置作出的。

最小点燃曲线是设计本安电路和评定电路本安性能的主要依据之一,但这些曲线具有一定的使用局限性,在应用时应注意下列事项。

①本安设备使用环境必须满足:环境温度为-20～+40℃;环境大气压力为86～106kPa;环境空气含氧量必须<21%。

②最小点燃曲线只适用于线性电路。

③电阻性电路是指电感小于1mH的电路;电感性电路是指电感大于lmH的电路。

④电容最小点燃曲线,仅反映电容本身放电的点燃情况,并不包括电源的作用。

在进行本安电路设计时,应根据电路的实际情况,考虑到电源作用的附加影响。

⑤最小点燃曲线是反映点燃爆炸性气体混合物的临界参数。

这些参数通常不能直接使用,使用时应考虑相应的安全系数,即将查得的最小点燃电流(或电压)值除以相应的安全系数,用等式可表示为:
设计最大允许电流(电压)=
最小点燃电流(电压)
电流(电压)安全系数
(1)当安全系数施加在能量上时,则有:
电流(电压)安全系数=(能量安全系数)(2) 通常,电阻性和电感性电路用减小电流值作为安全系数;电容性电路用减小电压值作为安全系数。

⑥镉和锌是电线或电缆防腐常用的材料。

包括电线或电缆在内的本安系统电路中将不可避免地存在镉和锌。

因此,G B3836.4-2000依据最新IEC标准取消了原G B3836.4-1983标准中给出的不含有镉、锌、镁、铝的最小点燃曲线。

2.2　本安电路设计分析程序
通常情况下,本安电路的设计或分析,应遵守下列程序:在元件的容差、供电电压波动、绝缘故障和元件故障等情况(即正常工作和故障状态)下,确定出最坏的实际电路参数;根据电路型式以及电气设备等级,考虑相应的安全系数以及安全系数施加规则,推导出适用于采用火花试验装置进行试验和评定的修改电路;根据最小点燃曲线,检查修改电路参数是否满足本安防爆要求。

2.3　正常情况分析
正常工作情况应包括:①供电电压取制造厂设计规定值的1.1倍;②本安电气设备或关联设备的额定环境
条件应取其最不利的状态,如采用晶体管作限流安全栅应考虑其在使用温度下限时的限流值作为安全栅的最大短路电流,齐纳二极管的最高齐纳电压应取其在使用温度上限时的稳压值;③在最不利的组合条件下所有元件的容差。

如在评定齐纳安全栅中,稳压管在考虑正偏差、限流电阻时,还应考虑负偏差这样的组合条件来决定安全栅的最高输出电压和最大输出电流;④各种整定元件应处于最不利的位置;⑤受检本安电路的接通和断开,属于正常工作状态的一个部分,不能算作故障状态。

2.4　电路故障状态分析要点
本安电路故障分析应考虑:①电路的故障分析,应当考虑到火花点燃源以及热点燃源。

其中火花点燃源包括:电容性电路的放电、电感性电路的开路、电阻性电路周期性的接通和断开、静电火花。

而热点燃源包括:小型仪表导线的发热、灼热发白的灯丝、元件的表面高温。

②电路的分析,应分别考虑正常工作、一个故障和两个故障的情况,并考虑相应的安全系数。

③电路的故障条件应选择最恶劣的情况,包括元件参数的极端情况。

④由一个故障引起的一系列故障只能算作一个故障。

⑤在可靠连接和隔离不是浇封或没有涂覆绝缘清漆覆盖时,或不能保持不低于I P20等级外壳完整性,同时连接件暴露时,则用火花试验装置对这些连接和隔离电路进行接通和断开试验,应视作对正常工作状态的检验,不应算作故障。

如关联设备输出短路或接地,不应算作故障。

⑥符合可靠元件或组件设计要求和具有规定的电气间隙以及爬电距离的保护性元件,应当视为不发生故障的元件。

分析故障时,不应考虑它们的故障或失效。

⑦不符合本篇元件额定值所要求的元件故障,认为是非计数故障。

相反,则应认为是计数故障。

⑧半导体器件应考虑到短路和开路故障以及可能由其他元件故障引起的情况。

对于表面温度分组来说,应考虑可能出现最大耗散功率条件下的半导体器件的故障。

集成电路可能失效,以致使在其外部连接之间存在短路和开路的组合。

⑨考虑连接线开路
故障,以及由移动引起的脱落。

λυ任何导线或印制电路导线,包括它的连接的开路故障应认为是一个单独计数故障。

λϖ对于小间隙的鉴定,要在这个小间隙可能引起的最不利条件下进行。

比规定的电气间隙和爬电距离数值的1/3还小的间隙的短路不应视为故障。

λω对于使用电池的设备,应当考虑到由于电池漏液而造成的腐蚀作用和导电通路。

λξ对于仅仅有一个故障或无故障可产生的设备,只要它在一个故障或正常情况下符合标准规定的要求,就应被认为是可以接受为
ia 等级的设备。

λψ按规定关联设备的最大输出参数对本安仪表进行的评定,应算作一个故障。

但即使是同一系统中的多个关联设备均处于各自的最大输出参数状态,最多也只能算作一个故障。

2.5　本安电路设计方法
通常,本安电路的设计可根据电路的特点灵活应用下列不同的技术方法,来满足本安电路设计经济、合理安全可靠的要求。

①逐一解决法
这种方法通常适用于采用单一电源的电路。

对于电路中的各储能元件及可能的发热元件可以通过分析,分别予以逐一解决。

②逐级限压/限流法
这种方法通常适用于具有多个工作电源的电路。

在设计时,我们可以采取可靠的限压箝位措施,将具有不同工作电源电路的最高电压分别予以控制。

必要时,还可依据实际的电路工况,在箝位电压下采取适当的限流措施,以限制最大工作电流。

然后,再对各电路中的储能元件及可能的发热元件分析其安全性。

这种设计方法既允许电路具有较高的电容、电感,便于实现电路的基本性能,同时也允许在较低工作电压下的电路选用具有较低功率的元件,便于本安设备实现小型化。

③电路分离法
这种方法通常适用于复杂电路,且各功能电路之间本身是相互隔离的情况。

尤其是对于采取逐一解决法和逐级限压/限流法都不便于实现电路本安的情况,我们可以借助于电路自身隔离的特点,按照本安设计的基本要求,通过对隔离元件的可靠设计,首先使不同功能的电路实现可靠隔离,然后依据逐一解决法和逐级限压/限流法去完成电路的本安设计。

2.6　电容和电感储能的抑制
抑制本安仪表电路中电容和电感元件的储能是仪表实现本安防爆的首要解决的问题。

电容和电感中的储能可用公式表示为:
W c =
12CU 2
W L =12
L I 2(3)
对于规定类别的爆炸性危险气体都有其最小点燃能量。

各典型气体的最小点燃能量值如表1所示。

表1　各类级别爆炸性气体混合物最小点燃能量
类别级别最小点燃能量W 0/mJ
Ⅰ甲烷
0.280Ⅱ
A B C
0.2000.0600.019
当电容或电感中的储能超过相应类别的最小点燃
能量时,电路一旦发生故障,爆炸性危险气体混合物就有可能被点燃而产生爆炸。

因此,如何抑制本安电路中电容和电感的储能到安全水平是本安电路设计的关键。

从式(3)中不难看出,设计人员可通过限制元件的端电压或流过元件的电流就能有效地抑制其释放能量。

不过,对于电路中的电感元件通常也可以在电感储能元件两端可靠地并接合适的齐纳二极管、压敏电阻、二极管等分流元件以吸收电感储能。

只要并接分流元件选择恰当,电感对外电路呈现的电感作用将大大降低。

一般来说,分流元件的动态电阻越小,保护效果越好。

试验表明,并接二极管的电感元件的等效电感可减小到原电感值的1/10～1/100。

市场上的大多数本安电磁阀、电气转换器和阀门定位器等产品都是采用这一保护技术来实现本安的。

当这种保护组件使用在爆炸性危险场所时,应将元件和线圈一起浇封或其他等效措施以避免因线圈与保护元件之间断开产生火花而点燃爆炸性危险气体。

同样,对于电容储能元件,可通过并接齐纳二极管、压敏电阻、稳压管、二极管等限压元件以限制电容两端电压、或串接限流电阻来限制电容放电速率。

从而达到抑制电容储能或释放能量的目的。

两者相比,后者显得更为有效。

举例来说,对于一个原有20V电压的电容,在一定条件下电容器的电容量应限制在110μF以内,但是在相同条件下,如它与一个5.6Ω的电阻元件可靠串联后,则电容器电容量可增加到710μF。

如果串加电阻为15Ω则电容量可增加到50μF。

而当串接电阻为40Ω时,电容器电容量即使为无穷大电路也将具有本安性能。

不过,当这种阻容组件在爆炸性危险场所时,应采取浇封或其它等效措施,以保证电容两端不会直接被短路。

对于采取浇封的情况,要求安装元件的印制板正反面都浇封,以确保电容与电阻间的所有裸露导体(包括铜箔)都被浇封。

要注意的是电容串接电阻后,可能其滤波效果或其他性能会受到一定的影响。

因此,在进行电路设计时,应根据电路的特点和设计性能要求合理选择设计方案。

2.7　最高表面温度的控制
本安仪表电路元件及导线的热表面温度是一种危险的点燃源,爆炸性危险气体与高于其自燃温度的热表面接触就可能引起爆炸。

因此,在设计本安电路时应根据要求的温度组别合理选择内部连接导线截面以及元器件额定参数,以限制最高表面温度的产生,满足仪表使用场所可能出现的危险气体的最低引燃温度高于该仪表的温度组别对应温度。

在工作实践中,逐台进行温度测量的仪表,其允许的最高表面温度不得高于电气设备温度组别中的规定值。

不是逐台进行温度测量的仪表,其允许的最高表面温度,对于T1、T2组,不得高于电气设备温度组别中的规定值减10℃;对于T3、T4、T5和T6组,不得高于电气设备温度组别中的规定值减5℃。

一般情况下,经可靠设计的本安仪表在正常工作条件下,元件或导线通常不会产生高于引燃温度的表面温度。

但是当考虑两个故障作用时(对于ia本安仪表而言),仪表的电阻或半导体器件可能会受到远高于正常工作条件下的电压和电流。

因此,在设计时,应主要考虑故障条件下可能产生的导线或元件的表面温度,并通过分析计算或实际测量得出最高表面温度。

必要时,可借助于各种散热技术来达到降温目的。

实践中,有时采用浇封措施来降低元件或导电器件的表面温度,此时要求浇封剂的体积及其最小厚度应至少使被浇封元件或导电部件的表面温度降到要求的温度,且浇封剂的额定运行温度应不低于浇封剂接触的最热元件或导体部件的表面温度。

此外,对于T4温度组别,我们通常也可根据配用关联设备的最大输出功率P
、电路中元件表面积和环境温度按表2进行判断。

表2　T4温度组别判别规则
总表面积(不包括引线)T4温度组别要求
<20mm2表面温度≤275℃
≥20mm2P0≤1.3W,40℃
P0≤1.2W,60℃
P0≤1.0W,80℃20mm2≤总表面积<10cm2表面温度≤200℃
3　简单设备与简单电路
3.1　简单设备
对于电压不超过1.2V,电流不超过0.1A,且其能量不超过2OμJ或功率不超过25mW的电气设备或部件,经国家指定的检验单位认可后,不须持有防爆合格证书即允许直接使用于工厂爆炸性气体环境中。

我们通常把这类电气设备或部件叫做“简单设备”。

它们包括热电偶、热电阻、热敏电阻、发光二极管、光电池等。

尽管这些设备本身不会产生足以点燃危险气体的能量,但是当它们与其他配套仪表一起使用构成本安系统时,一方面应配用合适的关联设备,以保证危险电火花能量不致于带到处于危险场所的简单设备端;另一方面这些简单设备至少应同时满足G B383611-2000标准中规定的下列基本安全要求:外壳材料含镁量或塑料表面电阻的要求;金属外壳接地的要求;电气间隙爬电距离的要求;500V绝缘(配齐纳安全栅时)的要求;外壳防护等级的要求(至少为I P20)。

关于简单设备的温度组别,若简单设备使用在正常额定范围内及在40℃最高环境温度的本质安全电路内时,对于Ⅱ类的应用场所,开关、插头、插座和端子,其温度组别可认定为T6。

对于其它简单设备应按相关要求进行确定。

当简单设备作为含在其它电路的设备的部件时,应随整机电路一起进行评定。

这里需要补充说明的是常用于气体浓度检测的电化学传感器并非一定是简单设备。

通常,电化学传感器可视作为一个容性有源元件,其可能产生的电能与气体种类及其在空气中的浓度有关,且其输出特性还取决于气体浓度、温度和湿度等因素。

据资料,对于基于电化学原理的氧传感器(0%～100%),其可能产生的开路电压为0.9V,负载电流为10mA,短路电流为500mA,最大功率可达112.5m W;对于基于电化学原理的毒性气体传感器,其可能产生的开路电压为1.25V,负载电流为50mA,短路电流为1A,最大功率可达300m W。

很显然,这些参数值已远远超出了简单设备的定义。

但是,如果这些传感器仅仅以完全独立的电路形式应用时,即电路中没有其它供电电源时,它们仍可评定为简单设备;反之,如果它们集成于其它带有供电电源的电子电路时,整个电路的本质安全性能的评定除应考虑电路本身的供电电源外,还必须同时考虑来自电化学传感器可能产生的电参数的叠加影响。

3.2　简单电路设计示例
3.2.1　简单电阻电路
如图1所示,找出一个与28V直流电源相串联的
限流电阻的最小值,使该电路适用于氢气危险场所。

图1　简单电阻电路
首先,应明确该电路属于电阻性电路,且要求该电路能适用于Ⅱ类C级危险场所。

考虑电源波动10%的因素,电源E=28V×1.1=30.8V,取E=31V。

查ⅡC曲线可知:电源电压为31V时,最小点燃电流为140mA,取安全系数1.5,则其最大允许电流=最小点燃电流/安全系数=140mA/1.5=93.3mA,由此可得出与28V直流电源串联的最小电阻值为31.0V/93.3mA=332Ω,考虑该电阻器允许误差±5%,限流电阻至少为349Ω。

当该电源组件直接用于危险场所时,还必须采取整体浇封或其它等效的附加措施,以防止电池不经电阻直接短路。

3.2.2　简单电感电路
为了详细说明简单电感电路设计、分析程序,现在来分析一下图2所示的简单电感电路。

假设该电路准备用在ⅡC级爆炸危险场所,电路由20V的蓄电池与适当安全可靠元件300Ω的限流电阻组成的电源,并向一个1100Ω和100mH
的电感器馈电。

图2　简单电感电路和电容电路
该示例中,300Ω和1100Ω取为最小值,100mH 取为最大值。

对于该电路需分别进行两个单独评定:须保证电源本身是本安型的;须考虑连接负载的影响。

①电源的评定步骤
首先,取限流电阻最小值300Ω。

就电阻本身而言,这是最坏的情况。

如果该电阻不能满足关于可靠元件的规定要求,那么应用一个故障规定可组成其新的等效电路,此时,等效电路中的电阻认为是短路的。

当具有这类故障时,电源就认为不是本安型的。

蓄电池的最高电压应从测量许多新蓄电池的开路电压来确定,且应取充电后瞬间测得的电压最高值。

在以下讨论中,假定蓄电池的最高电压为22V,则最大短路电流是22V/300Ω=73.3mA
其次,由于电路是电阻性的,根据标准规定,安全系数取1.5,并施加在电流上,这时短路电流就增加到1.5×73.3mA=110mA。

最后,查ⅡC曲线,在电压为22V时对应的最小点燃电流为315mA,它远大于110mA。

因此,从火花点燃的观点可知,该电源是本质安全的。

②负载的连接的评定步骤
首先,如前所述,假定蓄电池的最高电压为22V。

由于300Ω和1100Ω是最小值,所以负载上流过的最大电流为22V/(300+1100)Ω=15.7mA。

电路中无故障可加,这是因为300Ω电阻是可靠元件,电感器的短路故障形成的电路即为上述考虑的电源电路。

电感器的开路故障显然只会导致安全条件。

其次,由于电路是电感性的,根据标准规定,安全系数取1.5,并施加在电流上,这时电路电流提高到115×15.7mA=23.6mA。

最后,查ⅡC曲线(对于电压低于24V的情况,也可使用最小点燃曲线),100mH电感器在电源电压为24V 时最小点燃电流约为28mA,该值大于23.6mA。

因此,可以判定,该电路是本安型的,可用于ⅡC级爆炸危险场所。

需要注意的是,上述判定是以假定电感器为空芯电
感器为前提的。

如果电感器不是空芯的,那么这样的判断只是近似的。

这时有必要用火花试验装置对该电路进行火花试验,以确定该电路是否真正满足本安防爆要求。

3.2.3　简单电容电路
简单电容电路是准备用在I类爆炸危险场所的,电路由10μF电容器、30V蓄电池和可靠元件10kΩ的限流电阻连接组成的。

在图2示例中,30V、10μF 取为最大值,10kΩ取为最小值。

对于该电路的分析,也需分别进行两个单独判定:保证电源本身是本安型的;考虑有电容存在的情况。

①电源的评定程序已经在简单电感电路示例中予以叙述,这里就不再重复。

电源电路本身可很容易地判定为是本安型,且其安全系数超过100倍。

②电容器的评定步骤
首先,蓄电池的最高电压为30V,电容器的最大电容值为10μF。

无需再加故障,因为10kΩ电阻是可靠元件,并且电容器无论是开路还是短路都会形成本例中所考虑的电源电路。

其次,由于电路是电容性的,根据标准规定,安全系数取1.5,且安全系数施加在电压上,这时电路电压提高到1.5×30V=45V。

最后,查I类电容电路中(C+0Ω)曲线(Ⅰ类),在电压为45V 时,对应的不致于引起点燃的电容最大值为3μF。

因此,可以判定电路中的10μF电容不能满足本安要求。

为了使该电路满足本安要求,可降低电路电压或减小电容值,或者在10μF电容器上串联一个电阻可靠元件并将它们浇封为一体。

查I类电容电路中(C+0Ω)曲线,对应10μF的最小点燃电压为26V。

因此,若电容不变,则蓄电池电压应降低到26V÷1.5=1713V;另一种方法是电压不变,即将电容值减小到1.5μF;或者由于10μF电容器串5.6Ω电阻可靠元件后的最小点燃电压约为48V(大于45V),故当把最小值为5.6Ω的电阻可靠元件与电容器串联连接,并浇封为一体后构成的新电路是本安型的,可用于I类爆炸危险场所。

这里要特别指出,在上述讨论中严格地说有一个问题被忽略了,就是电容电路最小点燃曲线只考虑了与未直接连接在电源上的充电电容的关系。

实际上,假定所考虑的电源电路本身具有一个较大的安全系数(如上述示例),则可应用这些电容电路最小点燃曲线。

但如电源本身具有较小的安全系数,则把它与电容器连接就可能出现一种怪现象,即通过电容电路最小点燃曲线判定该电路虽具有本安性能,但实际上却可能不是本安的。

一般地,这种电路用上述方法是不能作出可靠鉴定结论的,必须用火花试验装置进行火花点燃试验。

防爆安全技术基本术语
・可靠元件或可靠组件i nfa lli ble com ponen t or i nfa lli ble a ssem bly of com ponen ts
在使用或存放过程中,不会导致本安性能失效的元件或组件。

・可靠隔离或可靠绝缘i nfa lli ble separa ti on or i n sul a tion
在使用或存放过程中,认为不会使导电部件之间发生短路的隔离或绝缘。

因此,在故障分析和应用火花试验装置时,认为它们之间不会产生失效。

・最小点燃电流(M I C)m i n i m um ign iti on curren t
采用火花试验装置,由电阻电路或电感电路引起爆炸性试验混合物点燃的最小电流。

・最小点燃电压(M I V)m i n i m um ign iti on volt age
采用火花试验装置,由电容电路引起爆炸性试验混合物点燃的最小电压。

・本安型电路i n tr i n sica lly safe c ircu it
本安型电路(以下简称本安电路)是指在规定的试验条件下,正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。

“规定的条件”是指环境温度为-20℃～+40℃,氧气浓度不大于21%,0.1MPa气压(1个大气压)下,采用I EC标准火花试验装置(装置应具有标准规定的灵敏度)。

“规定的故障状态”是指为了试验目的而设想的非正常工作状态。

除标准定义的“可靠元件或组件”以外的任何元件、间隙或绝缘体发生的各种可能的失效或电气故障均属于“规定的故障状态”范畴。

这些故障可能单独出现,也可能几个故障同时发生,且这些故障的出现可能对本安电路的电气特性或热效应产生不利影响。

・本安型仪表i n tr i n sica lly safe i n strum en t
是指全部电路为本安电路的仪表。