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浅谈本安仪表系统的设计

   在石油、化工等过程测量与自动化控制系统中,可能出现潜在的爆炸性环境,在实践应用中设计人员必须对系统中的现场设备及其相关设备采取相应的防爆措施。随着电气设备防爆技术的不断进步和发展,在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有:隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本质安全(Ex i)、正压(Ex p)、浇封(Ex m)和无火花(Ex n)型等。在众多的防爆技术中,本质安全(以下简称本安)防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测量和带电维护等优点,同时它也能用于0区危险场所。因此在低压低功率电气设备、仪器仪表等领域内,它是首选的防爆技术。然而由于本安防爆实质上是系统防爆,其防爆性能不仅与关联设备有关,而且也与相应设备有关。为此,本文就电气防爆技术领域中的本安防爆技术及其系统进行概要介绍。

1 本安防爆系统概况

  本安防爆系统由本安型现场设备、关联设备及二者之间的连接电缆组成。

1.1现场设备

  现场设备主要分为简单设备和非简单设备。将既不会产生也不会存储超过1.2V,0.1A,25mW和20μJ的电气设备认定为简单设备,主要包括简单触点、热电偶、RTDs,LEDs和电阻性元件等;而非简单设备则是指可能产生或存储的能量超过上述数值的电气设备,典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。通常国际上认证这些设备时给出它们的整体参数:

Vmax——最大允许电压;
Imax——最大允许电流;
Ci——内部电容;
Li——内部电感。

1.2关联设备

  关联设备作为限能设备能有效地保护危险场所的现场设备,在正常工作条件下能使系统完好地工作,而在故障条件下能限制到达危险场所的电压、电流。其主要参数包括:

Voc——最高开路电压;
Isc——最大短路电流;
Ca——最大外部电容;
La——最大外部电感。

  在实践应用中关联设备主要是指安全栅,它又分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅。它们的特点如表1所列。

1.3连接电缆

  由于关联设备与现场设备间的连接电缆存在分布电容和分布电感,因此其储能势必对本安系统的防爆性能造成影响。在实践中通常将电缆按集中参数处理,其参数主要包括:

Cc——本安系统最大允许电容;
Lc——本安系统最大允许电感。

2 本安系统安全性评定和关联设备(安全栅)的选取

2.1本安系统安全性评定

  目前,典型本安系统采用“回路认证(LmPAp-Proval)”即“系统认证(System Approval)”。这也是我国现行的本安防爆系统认证技术——联合取证。这种组合一经认定,其本安设备或关联设备就不能用未经检验机构认证过的其他型号规格的设备替代。而国际上采用“参量认证”的方式,即对关联设备与现场设备分别给出一组安全参数,并可由用户自由地将不同生产厂商的电气设备进行组合,从安全性角度出发只须满足如下关系:

Vmax≥Vo Imax≥Isc
(Cc+Ci)≥Ca (Lc+Li)≥La2.2关联设备的选取原则

本安防爆系统安全性的保障主要取决于关联设备(安全栅)。下面以齐纳式安全栅为例,简要说明其选用原则,并结合应用较广泛的变送器系统进行实例分析。

1)齐纳式安全栅的选用原则

  a)根据现场防爆要求,确定所需安全栅的防爆等级;
  b)检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压,确定安全栅最高允许电压; 
  c)根据现场设备的信号、电源对地的极性,确定安全栅的极性;
  d)考虑安全栅端电阻压降的影响,确定系统能否正常工作;
  e)共模电压和漏电流的影响对信号响应的精度;
  f)安全栅允许的分布参数是否合乎要求。

2)现场设备涉及的种类繁多,对不同的设备须在上述原则的基础上再进一步深入考虑,表2列出了各类现场仪表配用安全栅的大致情况。

3)变送器本安系统安全栅选用实例(图2)

  由变送器构成的防爆系统在选取关联设备(安全栅)时,应该从电路工作性能(特别是20mA信号时)和安全性能两个角度出发。而在选用齐纳式安全栅之前必须知道变送器的最低工作电压及二次仪表的供电电压大小(一般为24V),然后选用一个内阻合适的安全栅以保证变送器能正常工作。

   a)安全栅内部电阻及i(端电阻)的选用:若Ri值较大,其在20mA信号附近可能由于压降太大而使系统无法正常工作;但若及i值较小,则安全栅Isc较大可能使Isc≥Imax从而不满足安全性能。因此选择确切的Ri值必须通过计算其允许的压降来实现。

   b)提高系统的性能:从图2可以看出,仅有转换电阻Rc(2500)和安全栅端电阻Ri可以减小,以提高变送器的工作电压,若Rc减小到100Ω,则4-20mA信号将变为0.4-2.0V,而这对DCS的安装和应用提出了新的要求,显然是一种不切实际的方案。      

  因此最好的方案是选用低内阻的安全栅。而对一般危险场所选用HB产品能满足要求就尽量采用HB产品。表3列出了ⅡB与ⅡC产品各项参数的比较。显然,ⅡB比ⅡC产品有小得多的内部电阻Ri,即相应它上面的压降很小,但同时却有相当高的Isc。

3 本安系统的安装与维护

  本安防爆系统设备的选用与参数的完全匹配,仅仅是从理论上实现了本安系统的构想。而实践中系统的安装和维护是至关重要的。首先,必须对本安电路接线加以识别(如用淡蓝色端子和线路)并且与其他电路相隔离。其敷设可采用单独的安装管道或者在同一管道中本安与非本安线路用绝缘挡板隔开。此外,本安防爆系统是否可靠合理地接地,对系统安全性的影响也极为重大。接地原则为单点接地,图3示出了正确接地的方法。

1)本安系统接地必须满足如下要求:

  a)安全栅接地电阻必须小于1Ω;
  b)接地导线截面积不小于4nW2(铜芯)或6mm2(钢芯);  
  c)所有接地必须牢固可靠,并利于例行检查;
  d)为提高接地可靠性应采用冗余设计,即在同一接地极上用双根导线并联接地。

2)若本安电路系统在安装完好并供电之后依然不能工作,则应从以下几方面人手寻找解决问题的根源。

  a)确认线路连接可靠;
  b)检查电路是否正常供电;
  c)检查安全栅的熔丝。

  当上述假定故障不存在时,应判断安全栅的熔丝是否被熔断。对熔丝已烧断的安全栅只能进行整体更换,但必须遵守以下顺序:断开非本安端接线、断开本安端接线’断开接地线、处理裸露接线→取下安全栅并更换掉,随后按相反顺序接线。

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