本質(zhì)安全電路校核方法

崔 艷

（中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135）

電氣與自動化

本質(zhì)安全電路校核方法

崔 艷

（中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135）

根據(jù)本質(zhì)安全電路計(jì)算在安全生產(chǎn)中的重要性及中國船級社（China Classification Society，CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2015修改通報(bào)新增本質(zhì)安全電路校核資料的送審要求，介紹本質(zhì)安全電路的各組成部分及本質(zhì)安全參數(shù)的基本概念，重點(diǎn)對只有一個關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路和含有多個關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路的校核方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，推導(dǎo)出本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)中允許使用電纜最大長度的計(jì)算公式，總結(jié)各類船舶上可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路類型。通過實(shí)例闡明本質(zhì)安全電路校核資料中應(yīng)包含的參數(shù)內(nèi)容及校核結(jié)論。

本安參數(shù)；本質(zhì)安全電路核查；本安電纜

0 引 言

本質(zhì)安全電路是指在規(guī)定的試驗(yàn)條件下（包括在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)），所產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。其防爆基本原理是通過限制電氣設(shè)備和電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施（如降低電源電壓、減小電路電流、采用適當(dāng)?shù)碾姎庠捌鋮?shù)等）來限制電路的火花放電能量和熱能。

本質(zhì)安全電路中包括現(xiàn)場本質(zhì)安全設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備和連接電纜等。如果沒有經(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)證或沒有在設(shè)計(jì)時控制整個本質(zhì)安全電路相應(yīng)的參數(shù)（如儲能元件參數(shù)電感和電容等），或者減小電路電流和電壓，即使使用了經(jīng)過認(rèn)可的合格本安設(shè)備，在實(shí)際使用過程中仍會有≈30%的回路存在安全隱患。為確保船舶本質(zhì)安全電路的安全，中國船級社（China Classification Society，CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2015修改通報(bào)［1］中增加了本質(zhì)安全電路校核的送審要求。

1 本質(zhì)安全電路

本質(zhì)安全回路通常由3部分組成：① 危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場本安設(shè)備；② 本安電纜；③ 安全區(qū)域的關(guān)聯(lián)設(shè)備（見圖1）。

圖1 典型本安回路示意

1.1 現(xiàn)場本安設(shè)備

現(xiàn)場本安設(shè)備主要分為本質(zhì)安全型設(shè)備（即非簡單設(shè)備）和簡單設(shè)備。本質(zhì)安全型設(shè)備是指具有儲能元件，經(jīng)過防爆認(rèn)證，在其內(nèi)部的所有電路都是本質(zhì)安全電路的電氣設(shè)備。IEC 60079-14-2007標(biāo)準(zhǔn)［2］規(guī)定，簡單設(shè)備是指電氣參數(shù)符合電路本質(zhì)安全性能的電氣元件或結(jié)構(gòu)簡單的元件組合，無需經(jīng)過防爆認(rèn)證，無需用限壓和/或限流和/或其他抑制器件來獲得本質(zhì)安全性能。下列設(shè)備可認(rèn)為是簡單設(shè)備：① 無源元器件，例如開關(guān)、接線盒、電阻和簡單半導(dǎo)體裝置；② 具有明確參數(shù)的儲能元件，如電容器或電感器，且其設(shè)計(jì)參數(shù)能保證系統(tǒng)的全面安全性；③ 產(chǎn)生能量的有源元器件，如熱電偶、光電池，其產(chǎn)生的能量電壓≤1.5V，電流≤100mA，且功率≤25mW。在本質(zhì)安全電路校核時應(yīng)考慮這些元器件的電容和電感。

1.2 本安電纜

關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場本安設(shè)備之間的電纜為本安電纜，電纜存在儲能的分布電容和分布電感，在電纜發(fā)生故障時，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，一定程度上有增加點(diǎn)燃的危險(xiǎn)性，影響系統(tǒng)的本安性能。

1.3 關(guān)聯(lián)設(shè)備

安裝在本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路間，且結(jié)構(gòu)使非本質(zhì)安全電路不能對本質(zhì)安全電路產(chǎn)生不利影響的電氣設(shè)備即為關(guān)聯(lián)設(shè)備，一般安裝在安全區(qū)內(nèi)。安全柵是本質(zhì)安全電路中最常用的關(guān)聯(lián)設(shè)備，一般分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。由于齊納式安全柵的安裝位置必須有非常可靠的接地系統(tǒng)，且電源的波動對其影響較大，而隔離式安全柵無需系統(tǒng)接地回路，且能夠接受并處理熱電偶、熱電阻及頻率等信號，因此隔離式安全柵已逐漸取代齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

2 本安參數(shù)

目前，國際上對本質(zhì)安全型防爆系統(tǒng)的檢驗(yàn)認(rèn)證方法主要有系統(tǒng)認(rèn)可和參量認(rèn)可。系統(tǒng)認(rèn)可除了需要對現(xiàn)場本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備分別認(rèn)證外，還需對現(xiàn)場本安設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備和系統(tǒng)中使用的電纜按特定組合進(jìn)行認(rèn)證。這種認(rèn)證方法中組合配套關(guān)系明確，整體防爆性能容易保證，但在現(xiàn)場本安設(shè)備和安全柵種類較多的情況下，認(rèn)證程序比較繁瑣，且組合靈活性差。因此，國外更普遍采用參量認(rèn)證方法，即對單臺現(xiàn)場本安設(shè)備或關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)，用戶可根據(jù)需要自行組合。上述安全參數(shù)包括了現(xiàn)場本安設(shè)備的參數(shù)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的參數(shù)，依據(jù)IEC 60079-14-2007出版物《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備：第14部分》，這些參數(shù)的定義如下。

2.1 現(xiàn)場本安設(shè)備的參數(shù)

1） 最高輸入電壓（Ui）——施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓（交流峰值或直流）；

2） 最大輸入電流（Ii）——施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的最大電流（交流峰值或直流）；

3） 最大輸入功率（Pi）——當(dāng)電氣設(shè)備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時，可能在電氣設(shè)備內(nèi)部消耗的本質(zhì)安全電路的最大輸入功率；

4） 最大內(nèi)部電容（Ci）——通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電容；

5） 最大內(nèi)部電感（Li）——通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電感。

2.2 關(guān)聯(lián)設(shè)備的參數(shù)

1） 最高輸出電壓（Uo）——在開路條件下，設(shè)備連接裝置施加電壓達(dá)到最高電壓時，可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路的最高輸出電壓（交流峰值或直流）；

2） 最大輸出電流（Io）——來自電氣設(shè)備連接裝置的本質(zhì)安全電路的最大電流（交流峰值或直流）；

3） 最大輸出功率（Po）——能從電氣設(shè)備獲得的本質(zhì)安全電路的最大功率；

4） 最大外部電容（Co）——可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路最大電容；

5） 最大外部電感（Lo）——可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路最大電感。

3 本質(zhì)安全電路核查

3.1 僅有一個關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路

在設(shè)計(jì)僅含有一個關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安系統(tǒng)時，如需組合不同廠家生產(chǎn)未經(jīng)過系統(tǒng)認(rèn)證的現(xiàn)場本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備，應(yīng)注意現(xiàn)場本安設(shè)備的防爆等級不能高于關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆等級，且應(yīng)采用參量認(rèn)證法。通過比較現(xiàn)場本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安參數(shù)，若滿足表1的匹配關(guān)系，則無需再通過試驗(yàn)認(rèn)證就可認(rèn)定其已構(gòu)成本安系統(tǒng)。

表1 本安參數(shù)匹配關(guān)系

根據(jù)IEC 60079-14-2007中“12.2.5.2”條第5段規(guī)定，如果本質(zhì)安全電路中總分布電感和總分布電容同時＞1%Lo和＞1%Co，計(jì)算時Lo和Co應(yīng)按照表1第6和第7行的匹配關(guān)系進(jìn)行核查，且表1注③提及的比較L/R值的方法不適用于這種情況。

船舶設(shè)計(jì)階段電纜的長度無法精確確定，若關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)已確定，則可首先根據(jù)關(guān)系式倒推出電纜最大允許分布電容和電纜最大允許分布電感，然后分別計(jì)算出電纜的最大允許長度并取小者，計(jì)算式為

根據(jù)表1的匹配關(guān)系可知，設(shè)計(jì)單位在送審本質(zhì)安全電路校核計(jì)算書時，應(yīng)在計(jì)算書中提供現(xiàn)場本安設(shè)備參數(shù)、電纜參數(shù)及關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)，這些參數(shù)可從設(shè)備合格證書、設(shè)備標(biāo)志和說明書中獲得。計(jì)算書中提供的本安參數(shù)應(yīng)與實(shí)船一致并需得到現(xiàn)場驗(yàn)船師的認(rèn)可?，F(xiàn)場本安設(shè)備如為簡單設(shè)備中的儲能元件或有電容/電感的有源元器件，也應(yīng)采用上述參量認(rèn)證的方法核查。

3.2 含有多個關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路

如果本安回路包含2個或2個以上關(guān)聯(lián)設(shè)備，則系統(tǒng)的安全性校核方法比較復(fù)雜，具有線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備可進(jìn)行理論計(jì)算校核，而非線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備需根據(jù)IEC 60079-11-2006《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備：第11部分本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》［3］第10.1條進(jìn)行火花點(diǎn)燃試驗(yàn)。

線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)可通過以下方法來獲得，確定參數(shù)后再根據(jù)表1中的匹配關(guān)系進(jìn)行校核。

1） 按照關(guān)聯(lián)設(shè)備規(guī)定的Uo和Io值，確定在故障情況下本質(zhì)安全電路系統(tǒng)的最大電壓和電流。一般考慮以下3個因素。

（1） 僅電壓相加（見圖2）。在關(guān)聯(lián)設(shè)備串聯(lián)時，本質(zhì)安全電路與非本安電路電氣隔離情況下，僅需考慮電壓相加，無需考慮電路極性。此時本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：

（2） 僅電流相加（見圖3）。電源兩極并聯(lián)情況下，電流相加是必需的，此時本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：

圖2 串聯(lián)——電壓相加

圖3 并聯(lián)——電流相加

（3） 電壓相加并且電流相加（見圖4）。在這種連接方式下，取決于不同的故障情況，關(guān)聯(lián)設(shè)備任何電極間均可能相連，此時關(guān)聯(lián)設(shè)備可能會串聯(lián)，也可能會并聯(lián)。因此，應(yīng)該分別考慮關(guān)聯(lián)設(shè)備串聯(lián)（僅電壓相加）及并聯(lián)（僅電流相加）2種情況下的本安系統(tǒng)最大電壓和電流。此時本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：

2） 檢查系統(tǒng)最大電流Io乘以1.5倍安全系數(shù)是否超過電阻電路引燃曲線（見圖5）中對應(yīng)系統(tǒng)最高電壓Uo、相應(yīng)設(shè)備類別得出的電流值，或者通過查詢IEC 60079-11附錄A表A1“電壓和設(shè)備級別相對應(yīng)的允許短路電流”進(jìn)行上述核查。

3） 最大允許電感Lo，可根據(jù)IEC 60079-11中相應(yīng)設(shè)備組別對應(yīng)的電感引燃曲線（見圖6），由系統(tǒng)最大電流乘以1.5倍安全系數(shù)得出。

4） 最大允許電容Co，可根據(jù)IEC 60079-11附錄A圖A2“C+0?”引燃曲線或“II類電容電路引燃曲線”（見圖7），由系統(tǒng)最大電壓乘以1.5倍安全系數(shù)得出；或者也可通過查詢IEC 60079-11附錄A表A2“電壓和氣體級別相對應(yīng)的允許電容”得出。

圖4 串聯(lián)和并聯(lián)——電壓相加和電流相加

4 船舶上本質(zhì)安全電路分布概況

根據(jù)船上危險(xiǎn)區(qū)域存在情況，船舶主要可分為以下幾類。

（1） 普通干貨船和客船等。由于不運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物，船上危險(xiǎn)區(qū)域主要是油漆間、蓄電池室和乙炔間等，這些危險(xiǎn)區(qū)域?qū)﹄姎庠O(shè)備的防爆要求未局限為本安型，因此這些船上本質(zhì)安全電路較少，一般出現(xiàn)在固定式探火和滅火系統(tǒng)中，還有部分加熱溫度超過規(guī)定值的燃油艙內(nèi)也只能安裝本質(zhì)安全型設(shè)備，如溫度傳感器、液位傳感器等。

圖5 電阻電路引燃曲線

圖6 IIC類電感電路引燃曲線

圖7 II類電容電路引燃曲線

（2） 運(yùn)輸帶包裝的危險(xiǎn)貨物或散裝固體危險(xiǎn)貨物的船舶，如散貨船、集裝箱船、滾裝船等。除上述（1）中涉及的本質(zhì)安全電路外，在貨艙進(jìn)水探測系統(tǒng)（針對散貨船）安裝在貨艙內(nèi)的電路部分應(yīng)為本質(zhì)安全電路。

（3） 液貨船（如油船、化學(xué)品船及液化氣體船等）。根據(jù) IEC 60092-502-1999《船舶電氣設(shè)備-第 502部分液貨船特殊要求》［4］的規(guī)定，0類危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)只能安裝“ia”本質(zhì)安全型設(shè)備和“ia”等級本質(zhì)安全電路內(nèi)包含的簡單電氣設(shè)備和元件，因此液貨船比其他船型增加很多本質(zhì)安全電路（如液貨艙的液位、壓力及溫度等測量系統(tǒng)），而可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)的探測器一般也采用本質(zhì)安全型設(shè)備。

（4） 雙燃料或單一氣體燃料推進(jìn)船舶。近年來很多船舶采用雙燃料（柴油、天然氣）或單一氣體燃料推進(jìn)方式，根據(jù)《船上天然氣燃料發(fā)動機(jī)裝置安全暫行指南》（IGF）以及CCS《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》［5］相關(guān)規(guī)定，這些船上也存在 0類危險(xiǎn)區(qū)，這些區(qū)域內(nèi)只能安裝“ia”本質(zhì)安全型設(shè)備和“ia”等級本質(zhì)安全電路內(nèi)包含的簡單電氣設(shè)備和元件，如燃料氣罐的液位、壓力及溫度等測量系統(tǒng)。

上述船舶上的本質(zhì)安全電路，除非整個本安回路得到了整體認(rèn)證，所有的本安回路均應(yīng)采用參數(shù)認(rèn)證方法逐一進(jìn)行本安計(jì)算校核。

5 本質(zhì)安全電路計(jì)算實(shí)例

1） 船舶上的一個本安電路通常只有一個關(guān)聯(lián)設(shè)備，以某液貨船貨艙內(nèi)高液位開關(guān)為例，安全柵裝在主甲板安全區(qū)域儲藏室內(nèi)。本安回路見圖8，本安參數(shù)見表2。

圖8 高液位開關(guān)本安回路

表2 本安參數(shù)

根據(jù)表2可知， 1%Lo＞ Li+Lc， 1%Co＞ Ci+Cc，因此不用滿足表1第6行和7行匹配關(guān)系。按照表1中第1～5行匹配關(guān)系核算，得出表3所示結(jié)果。

表3 按表1中第1～5行匹配關(guān)系核算所得結(jié)果

本安電纜最大長度按以下公式計(jì)算，兩者取小者：

（1） lmax1=（Co- Ci）/Ck= 6 000 m ；

（2） lmax2=（Lo- Li） Lk= 2 213m 。

圖9 固定式探火系統(tǒng)本安回路

通過上述核算，該條電路可認(rèn)定為本質(zhì)安全電路，且本安電纜長度應(yīng)≤2213m。

2） 船舶上固定式探火和失火報(bào)警系統(tǒng)有時會出現(xiàn)一個防爆隔離柵連接一只本安探測器和一只手動報(bào)警按鈕（或另一只本安探測器）的本安回路設(shè)計(jì)。舉例如下，本安回路見圖9，本安參數(shù)見表4。

表4 本安參數(shù)

該案例中，手動報(bào)警按鈕和火災(zāi)探測器并聯(lián)連接，電路中總輸入電容 Ci=Ci1+Ci2+Cc1+Cc2=5.7，2個設(shè)備的內(nèi)部電感均為0，且隔離柵提供了 Lo/Ro值，因此可采用表1中注③的方法。

由表3中的參數(shù)可知，Lo/ Ro＞ L/ R， 1%Co＜ Ci，不用滿足表1第5、第6和第7行的匹配關(guān)系。按照表1中第1～4行的匹配關(guān)系核算，得出表5所示結(jié)果。

表5 按表1中第1～4行匹配關(guān)系核算所得結(jié)果

本安電纜最大長度按以下公式計(jì)算，兩者取小者：

（1） lmax1=（Co-Ci1- Ci2）/Ck= 763m ；

（2） lmax2=（Lo-Li1- Li2）/ Lk= 9556 m 。

通過上述核算，該條電路可認(rèn)定為本質(zhì)安全電路，且本安電纜長度應(yīng)≤763m。

6 結(jié) 語

通過核查本安電路中相關(guān)參數(shù)，可避免其未達(dá)到本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的隱患。介紹了本質(zhì)安全電路的組成、本安參數(shù)的基本概念及本質(zhì)安全電路核查的方法，可為本質(zhì)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和審核提供參考。

［1］ 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2015修改通報(bào)［S］. 北京：人民交通出版社，2015.

［2］ IEC. 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備—第14部分：IEC 60079-14［S］. 2007.

［3］ IEC. 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備—第11部分本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備：IEC 60079-11［S］. 2006.

［4］ IEC. 船舶電氣設(shè)備-第502部分液貨船特殊要求：IEC 60092-502［S］. 1999.

［5］ 中國船級社. 天然氣燃料動力船舶規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2013.

Verification Method for Intrinsically Safe Circuit

CUI Yan

（CCS Rules & Technology Center， Shanghai 200135， China）

In consideration of the importance of calibration for intrinsically safe circuit in the production safety and the new requirements for the documentation to be submitted for the approval of intrinsically safe circuits according to China Classification Society（CCS）RULES FOR CLASSFICATION OF SEA-GOING STEEL SHIPS 2015， this paper presents the components of intrinsically safe circuit and introduces the basic concept of intrinsically safe parameters； then describes the details of the verification method for the intrinsically safe circuit both with only one associated apparatus and with more than one associated apparatus； deduces the calculation formula of the longest length permitted for cables and summarizes the possible intrinsically safe circuit types on different ships. Examples are given to show what parameter contents and conclusions should be included in the intrinsically safe circuit profile.

intrinsically safe parameter； intrinsically safe circuit inspection； intrinsically safe cable

U665.12

A

2095-4069 （2016） 04-0033-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.008

2015-07-17

崔艷，女，工程師，1984年生。2005年畢業(yè)于上海海事大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船級社審圖工作。