隔爆和本安系統(tǒng)防爆原理和選用原則

付奇

摘 要：本文介紹了自動(dòng)化儀表系統(tǒng)在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所安全應(yīng)用的防爆技術(shù)，并重點(diǎn)講述了自動(dòng)化儀表產(chǎn)品最為常用的隔爆型和本質(zhì)安全型防爆技術(shù)的特點(diǎn)，最后闡述了冶金行業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)于這兩者的選用原則。

關(guān)鍵詞：本安 隔爆 安全柵

中圖分類號(hào)：TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（c）0084-01

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，儀表已經(jīng)不僅僅是用于正常的生產(chǎn)過程測(cè)量與控制，同時(shí)儀表本身還應(yīng)具有安全檢測(cè)和防爆功能。所以如果在設(shè)計(jì)時(shí)遇到有爆炸性氣體或粉塵的場(chǎng)所，就必須考慮自動(dòng)化儀表及其系統(tǒng)自身的電氣防爆問題。

1 爆炸的產(chǎn)生條件

不論是何種形式的爆炸都必須具備3個(gè)條件才能發(fā)生。

（1）爆炸性物質(zhì)：能與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。包括氫氣，酒精，粉塵等。（2）氧氣：空氣。（3）點(diǎn)燃源：使爆炸性物質(zhì)與氧氣的混合物發(fā)生化學(xué)反映的物質(zhì)。包括明火、電氣火花、高溫、光能等。

若想防止爆炸，就要設(shè)法避免上述3個(gè)條件同時(shí)出現(xiàn)。但實(shí)際上許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)滿足爆炸條件：濃度到達(dá)爆炸極限范圍內(nèi)的爆炸性物質(zhì)與氧氣的混合物，只要出現(xiàn)爆炸源，就將引發(fā)爆炸。因此就必須采取必要的防爆措施。最直截了當(dāng)?shù)姆椒ň褪窃谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)避免出現(xiàn)可能成為點(diǎn)燃源的電氣設(shè)備，而將其安裝在安全場(chǎng)所，但有些實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并不具備這樣的條件，必須要求儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)使用，那么就要把儀表成為點(diǎn)燃源的可能性消除掉，此時(shí)，就必須采用必要的防爆措施，以避免事故的發(fā)生。

2 危險(xiǎn)場(chǎng)所區(qū)域等級(jí)的劃分

危險(xiǎn)場(chǎng)所區(qū)域的含義，是對(duì)該地區(qū)實(shí)際存在危險(xiǎn)可能性的量度，由此規(guī)定其可適用的防爆型式。

國(guó)際電工委員會(huì)/歐洲電工委員會(huì)劃分的危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)分類：

0區(qū)（Zone 0）：連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性混合物的環(huán)境。

1區(qū)（Zone 1）：正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性混合物的環(huán)境；

2區(qū)（Zone 2）：正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸形混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性混合物的環(huán)境。

3 儀表防爆的主要類型

防爆原理有三種：（1）間隙防爆。（2）控制點(diǎn)燃源能量。（3）阻止點(diǎn)燃源與爆炸形混合物相接處。根據(jù)不同的防爆原理，電氣設(shè)備防爆形式也多種多樣。在冶金行業(yè)中，自動(dòng)化儀表最常用的防爆形式是本質(zhì)安全型（Ex i）和隔爆型（Ex d）。下面詳細(xì)說下這兩種防爆類型的防爆原理和在設(shè)計(jì)中需要注意的問題。

3.1 本質(zhì)安全型

本安就是通過限制點(diǎn)燃源的能量來實(shí)現(xiàn)的。這種點(diǎn)燃源一般是電火花和熱效應(yīng)。在正常工作和故障狀態(tài)下，儀表產(chǎn)生的點(diǎn)燃源的能量小于這個(gè)能量時(shí)，就不可能點(diǎn)燃爆炸性混合物而產(chǎn)生爆炸。

本安防爆的原理是從限制能量入手，將電路中的電壓和電流嚴(yán)格的限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，并且能保證儀表在正常工作或發(fā)生短路和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不超過引爆周圍的爆炸性氣體的閥值。由于氫氣環(huán)境的危險(xiǎn)程度最高，最容易被引爆，所以規(guī)定必須將電路功率限制在1.3 W以下—— 即無法引爆氫氧混合物的功率以下。

本質(zhì)安全型儀表設(shè)備按電路設(shè)計(jì)和使用危險(xiǎn)區(qū)域不同，分為Ex ia和Ex ib。

Ex ia級(jí)本質(zhì)安全儀表適用于0區(qū)、l區(qū)和2區(qū)，工作電流低于100 mA。

Ex ib級(jí)本質(zhì)安全儀表僅適用于l區(qū)和2區(qū)。工作電流低于150 mA。

本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由三部分組成：本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設(shè)備，本質(zhì)安全電纜和現(xiàn)場(chǎng)的本質(zhì)安全儀表。

關(guān)聯(lián)設(shè)備是一種安裝在沒有爆炸性氣體的安全場(chǎng)所，一般安裝主控室的PLC柜或者儀表盤中，它是本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間相連的電氣設(shè)備，可以將傳至現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備（即危險(xiǎn)場(chǎng)所）的能量限制在閥值內(nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)可以引起爆炸的點(diǎn)燃源。通常包括齊納式安全柵、隔離式安全柵和其他限制傳輸功率的保護(hù)裝置。

本質(zhì)安全電纜是一種低電容、低電感的電纜。具有更好的屏蔽性能和抗干擾性能，使信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)由于電磁干擾使電路功率高于閥值。

現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全儀表是指各種電路功率小于1.3W的一次檢測(cè)本安儀表，通常用于危險(xiǎn)場(chǎng)所。通常此類儀表是兩線制儀表。

典型本安系統(tǒng)回路如圖1所示。

3.2 隔爆型

隔爆型儀表主要是依靠物理防爆—— 即用其儀表外部的機(jī)械外殼可以承受殼內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的壓力，并完全阻止其內(nèi)部發(fā)生的爆炸向殼外傳播。其防爆原理是基于間隙防爆原理。一般情況下，在正常工作中或者故障條件下，儀表可能會(huì)產(chǎn)生電火花或危險(xiǎn)高溫，因此，儀表設(shè)計(jì)中通常在一個(gè)或多個(gè)滿足“間隙隔爆”原理要求的機(jī)械外殼中放置相關(guān)的電氣零件或者電子線路，以避免這些電氣因素引起的點(diǎn)燃源泄漏到機(jī)械外殼外，引爆爆炸性混合物。因此，隔爆外殼的設(shè)計(jì)必須滿足兩個(gè)基本條件。

（1）外殼要能承受內(nèi)部的爆炸壓力且不被損壞。（2）接合面不傳爆。即制作過程中使接合面的間隙或嚙合長(zhǎng)度必須滿足一定要求，在結(jié)構(gòu)上保證內(nèi)部的爆炸產(chǎn)物不會(huì)竄出外殼成為殼外爆炸性混合物的點(diǎn)燃源。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定隔爆型儀表適用于l區(qū)和2區(qū)，不能在0區(qū)使用。

在選擇哪種類型的防爆儀表的時(shí)候，判斷的最根本依據(jù)就是危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)，如果是0區(qū)，則必須采用本安防爆系統(tǒng)；如果是1區(qū)或者2區(qū)的時(shí)候，本安和隔爆系統(tǒng)均可滿足，此時(shí)就要考慮建設(shè)成本，一般情況下，隔爆型儀表的隔爆外殼制作成本高于本安型儀表的本安電路成本，故隔爆型儀表價(jià)格遠(yuǎn)高于本安型儀表。例如在鋼廠的煤氣柜區(qū)，屬于2區(qū)，所以選用本安和隔爆均可，但從生產(chǎn)成本角度來看，選用成本較低的儀表，故選用本安型儀表加安全柵的較多。

需要要注意的是選用隔爆型儀表，不需要再選用安全柵；選用本安型儀表，必須加配安全柵，否則無法構(gòu)成本安回路，起不到本安效果。

4 結(jié)語

防爆技術(shù)的發(fā)展，再基礎(chǔ)硬件設(shè)施上降低了爆炸的可能性，提高了生產(chǎn)安全性。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度日益提高，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，在設(shè)計(jì)的儀表選型中，要將安全性與生產(chǎn)成本綜合考慮，在達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)盡可能的減少成本，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。從硬件上實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的。

參考文獻(xiàn)

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