本安回路參數(shù)匹配及其電纜長度計算探討

吳定超，黃 俊

（1.上鼎工程建設(shè)（上海）有限公司，江蘇 蘇州 215300；2.杭州和利時自動化有限公司，江西 高安 330800）

在石化設(shè)計中出于成本的考慮，大量的本安回路在項(xiàng)目中得以應(yīng)用，無論是在過程控制系統(tǒng)還是安全儀表系統(tǒng)中。然而，在國內(nèi)諸多石化項(xiàng)目中只有極少部分業(yè)主提出要求本安回路參數(shù)匹配驗(yàn)算。隨著石化行業(yè)的蓬勃發(fā)展，裝置安全問題日益嚴(yán)峻，本安回路設(shè)計合規(guī)顯得極其重要。本文從相關(guān)規(guī)范和工程慣例出發(fā)，通過實(shí)例闡明本質(zhì)安全回路的設(shè)備參數(shù)驗(yàn)算和其在電纜選擇以及長度計算中的關(guān)聯(lián)性和方法。

圖1 本安回路典型示意圖Fig.1 Typical schematic diagram of intrinsically safe circuit

1 參數(shù)匹配的目的

本安回路構(gòu)成一般由現(xiàn)場儀表、本安電纜、相關(guān)設(shè)備的安全柵[1]。本安技術(shù)的原理是在一個回路中的任何一個相關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)生故障狀況時，回路中的電能都能被限制在安全的范圍內(nèi)，從而使現(xiàn)場的儀表設(shè)備在任何狀況下釋放的能量都不足以引起危險區(qū)域安全事故的發(fā)生。本安回路的構(gòu)成如圖1?，F(xiàn)場儀表自身滿足本質(zhì)安全的前提下，還需要滿足安全柵輸出到現(xiàn)場儀表的能量安全不足以引起危險區(qū)的安全事故。通過儀表設(shè)備、電纜、安全柵合理的特性參數(shù)匹配構(gòu)成的安全回路實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

2 本安回路計算方法

在實(shí)際工程設(shè)計中，本安回路中并非所有設(shè)備都需要參數(shù)匹配驗(yàn)算。按照IEC60079、GB3836中的規(guī)定，無源元器件，例如開關(guān)、接線箱、電阻以及簡單半導(dǎo)體元器件可以視為簡單設(shè)備[2]；對于儲能有源元器件，例如電容、電感，當(dāng)其設(shè)計參數(shù)能保證系統(tǒng)全面安全時，可視為簡單設(shè)備；對于能產(chǎn)生能量的有源元器件，比如熱電偶、光電池，當(dāng)其產(chǎn)生的能量電壓不超過1.5 V，電流不超過0.1 A，功率不超過25 MW的電氣設(shè)備，可視為簡單設(shè)備[3]。此類設(shè)備可隨意配置在本安回路中，無需進(jìn)行匹配驗(yàn)算。但是由于表面溫度對防爆的影響，儀表使用環(huán)境溫度較高或者本身測量介質(zhì)溫度較高時，熱量會傳導(dǎo)至儀表內(nèi)部使電氣元件表面溫度過高。所以環(huán)境溫度超過儀表本身防爆溫度級別時，要采用分體安裝的方式或者延伸型儀表，使儀表工作在防爆證書所允許的溫度范圍內(nèi)。具有儲能元件，且需要防爆認(rèn)證的本安設(shè)備需要進(jìn)行驗(yàn)算，比如常見的各類變送器、電磁閥、安全柵等。

目前，對于本質(zhì)安全儀表防爆系統(tǒng)的認(rèn)證主要是：系統(tǒng)認(rèn)可和參量認(rèn)可。系統(tǒng)認(rèn)可即構(gòu)成本質(zhì)安全系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)可，認(rèn)證程序復(fù)雜且缺乏可替換性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際設(shè)計工作中參量認(rèn)可較為可行，即針對單臺本安儀表及其相關(guān)設(shè)備（安全柵）進(jìn)行認(rèn)證并給出相對應(yīng)的電氣安全特性參數(shù)，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行匹配與兼容的相關(guān)設(shè)備混合使用。這些參數(shù)如下所示：

Ii：本安設(shè)備最大可接受電流，mA；Ui：本安設(shè)備最大可接受電壓，V；Pi：本安設(shè)備最大可接受功率，W；Ci+∑Cc：本安設(shè)備等效電容與電纜分布電容之和，uF；Li+∑Lc：本安設(shè)備等效電感與電纜分布電感之和，mH；Io：安全柵最大輸出電流，mA；Uo：安全柵最大輸出電壓，V；Po：安全柵最大輸出功率，W；Co：安全柵最大外接電容，uF；Lo：安全柵最大外接電感，mH[4]。

針對圖1這種比較簡單的回路的參量認(rèn)可需滿足①②③④⑤或①②③⑥⑦的公式：

當(dāng)∑Cc＞1%Co與∑Lc＞1%Lo時，本安回路除上述①②③外還需滿足：

值得注意的是，在圖1的簡單回路內(nèi)容易忽視的是往往在實(shí)際工程設(shè)計中，在雷暴比較頻繁的地區(qū)，裝置上部分儀表遭雷擊的可能性比較大，主要的措施是在現(xiàn)場儀表加裝浪涌保護(hù)器，此時需注意現(xiàn)場儀表的等效電容和等效電感的計算。

如果本安回路包含兩個或兩個以上的關(guān)聯(lián)設(shè)備，或者是兩個或更多的本安回路聯(lián)在一起，整個本安系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的理論計算或GB3836.4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的火花試驗(yàn)[5]。且以上參數(shù)取值復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計中應(yīng)極力避免復(fù)雜本安回路出現(xiàn)，即2個及以上的回路共用1個安全柵或者1個回路中采用了2個及以上的安全柵[6]。針對本文中的簡單回路，工程設(shè)計在選型時必須要求廠商提供這些參數(shù)。以下通過實(shí)例簡單說明圖1本安回路在∑Cc＞1%Co與∑Lc＞1%Lo時，設(shè)備參數(shù)匹配具體如何進(jìn)行。

由表1、表2、表3數(shù)據(jù)按匹配公式進(jìn)行比較，可以得出表4。

由于表2中電纜∑Cc=18nF，∑Lc=0.24 mH，結(jié)合表3中3種安全柵的Co和Lo值，不難看出滿足∑Cc＞1%Co與∑Lc＞1%Lo，此時取3種安全柵的Co/2和Lo/2值，分別與3種儀表的等效電容與電纜分布電容之和以及3種儀表的等效電感與電纜分布電感之和比較，中控的安全柵與EJA系列壓力變送器在當(dāng)前的電纜條件下不滿足Ci+∑Cc≤Co/2，即不能搭配使用在本安回路中，其余的混搭都可滿足參量認(rèn)可條件即可以構(gòu)成本質(zhì)安全回路。在實(shí)際工程設(shè)計中，電纜的長度往往是不一樣的，這直接影響本安回路的參量認(rèn)可。根據(jù)設(shè)計階段的不同，一般是先進(jìn)行儀表設(shè)備選型采購，再規(guī)劃電纜種類和敷設(shè)路徑（長度），系統(tǒng)的最終方案確認(rèn)往往相對較晚，這給安全柵的選型留有較大空間。在這種情況下，在電纜的規(guī)劃階段電纜具體類型和長度就顯得及其重要，如果規(guī)劃不當(dāng)極有可能與市場上的安全柵搭配使用時無法達(dá)到參量認(rèn)可條件，嚴(yán)重影響到安全柵選型靈活性，特別是在一些大型聯(lián)合裝置中。

表1 變送器本安參數(shù)Table 1 Transmitter intrinsic safety parameters

表2 電纜本安參數(shù)Table 2 Cable intrinsically safe parameters

表3 模擬量安全柵本安參數(shù)Table 3 Intrinsic safety parameters of analog safety barrier

表4 設(shè)備間匹配表Table 4 Matching table between devices

3 本安回路電纜長度計算

在石化工程設(shè)計中，儀表控制電纜的長度主要受負(fù)載以及電壓降的影響。那么針對本安回路中最常用的兩線制儀表即兩根電纜既是電源線又是信號線，除了考慮負(fù)載和電壓降之外，還需考慮到電纜分布電容和分布電感。根據(jù)SH/T 3019-2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》，儀表控制電纜線芯截面積不應(yīng)小于0.5mm2，常用的有1 mm2，1.5 mm2，2.5 mm2。根據(jù)HG/T 20509-2014《儀表供電設(shè)計規(guī)范》要求，GPS直流電源電壓質(zhì)量要求24 V±1 V，UPS直流電源電壓質(zhì)量要求24 V±0.3 V。典型的兩線制4mA～20mA的本安回路供電電壓為24 V，實(shí)際安全柵輸出端電壓Us不盡相同，一般低于24 V，一般變送器的負(fù)載要求如圖2。

圖2 變送器負(fù)載與供電電壓關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the relationship between transmitter load and supply voltage

根據(jù)圖2可以得出：當(dāng)UMIN≤US≤UMAX時，回路電阻RL滿足：

事實(shí)上每個變送器廠商均有儀表正常工作回路最低阻抗要求Rs，則理想情況下變送器相當(dāng)于電流源，安全柵相當(dāng)于電壓源，則電纜總電阻值Rc：

在工程設(shè)計中，查詢廠商樣本本安電纜導(dǎo)體直流電阻RDC，則單根電纜長度LC為：

但在本安回路中，電纜的分布電容和分布電感必須考慮到儲能問題。為保證現(xiàn)場的儀表設(shè)備在任何異常狀況下釋放的能量不足以引起危險區(qū)域安全事故的發(fā)生，單根電纜的長度L必須滿足：

例如，某模擬量輸入本安回路由表1中的羅斯蒙特變送器，表2中的天康電纜，以及表3中的MTL的安全柵構(gòu)成的AI本安回路，相關(guān)參數(shù)見表1、表2、表3。其余參數(shù)Rs查詢羅斯蒙特變送器產(chǎn)品手冊可知：Rs=250Ω、RL=43.5(US-10.5)，安全柵針對危險區(qū)域電壓輸出Us=16.5V，則可以計算得出L≤MIN[666,1745,454.5]，那么單根電纜長度應(yīng)不超過454.5m。值得注意的是，當(dāng)Us的值越大比如取值為17 V時，LC=1335m。那么，單根電纜長度應(yīng)不超過666m。

在實(shí)際設(shè)計中，根據(jù)不同的設(shè)計階段可先根據(jù)儀表選型收集儀表的本安參數(shù)。電纜選型時，根據(jù)各家廠商資料試算一下各類型本安回路在考慮電纜分布電容和分布電感時計算出的電纜長度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)回路兩根電纜總長不超過1000m時，安全柵針對防爆危險區(qū)域的輸出電壓對電纜長度的影響比分布電容和分布電感更大；當(dāng)長度超過了1000m以上時，就應(yīng)該優(yōu)先考慮實(shí)際分布電容大小和實(shí)際分布電感大小對線纜尺寸大小的直接影響[7]。但因?yàn)閷?shí)際的分布電容大小相比實(shí)際分布的電感大小來說對線纜的影響更大，在實(shí)際設(shè)計時優(yōu)先考慮分布電容的影響即可。

4 結(jié)束語

隨著石化行業(yè)的不斷發(fā)展，工程設(shè)計必將與國際接軌。那么未來國內(nèi)項(xiàng)目越來越多的業(yè)主也會要求本安回路進(jìn)行參數(shù)匹配，甚至?xí)鳛閮x控工程驗(yàn)收項(xiàng)。本文根據(jù)規(guī)范和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)介紹了兩線制本安回路在設(shè)計中如何進(jìn)行，并且結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出了本安回路電纜路徑長度的計算方法，以供設(shè)計中快速地進(jìn)行本安回路相關(guān)設(shè)備的預(yù)匹配以及電纜選型和規(guī)劃電纜路徑。