目前，對處于裝置現場爆炸危險區域范圍內的儀表，一般通過選用能夠滿足規范要求的防爆型儀表設備來避免危險的發生。而最常用的儀表設備防爆類型分為隔爆型及本安型。相比于隔爆型儀表設備，本安型儀表可實現帶電狀態下的開蓋檢修維護，其中“ia”級產品更是能應用于0區爆炸危險性場所(GB/T3836.1-2021)，除此以外，本安型儀表的價格通常要低于同配置的隔爆型儀表設備。因此，在化工裝置中，本安型的儀表設備應用越來越普遍。儀表設備的本安防爆類型作為一種本質安全型的防爆設計方案，廣泛應用于各類具有爆炸危險性風險的化工裝置中。但是在目前的工程實踐中，通常只注重本安產品的選用，卻忽視了對本安回路系統的驗證，因而無法保證系統的本質安全性能。筆者結合具體產品的安全參數，提出本安回路計算在工程設計中的具體應用思路及方法。
1、本安回路系統
1.1 本安防爆原理
本安防爆技術的基本原理是從限制儀表回路的能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在允許的范圍內，以保證儀表設備在正常工作或發生短路及元器件損壞等故障情況下產生的電火花或熱效應，不至于引起其周圍可能存在的可燃性氣體的爆炸。本安型儀表設備與隔爆型儀表設備相比具備前言所述的諸多優點。
1.2 本安回路的構成
盡管本安儀表在應用中具有諸多優勢，但并非只要選用了本安型儀表設備，就一定能確保現場設備運行的本質安全。本安回路通常由本安儀表設備、本安電纜、關聯設備(安全柵)3部分構成，其典型結構如圖1所示。
圖1 本安回路典型結構示意圖
第1部分，本安儀表設備可分為本安儀表及簡單設備。本安儀表本身具備儲能元件，需要經過相應的防爆認證，如常用的智能型變送器、閥門定位器等；簡單設備通常指無源的元件或者可產生的電壓不超過1.5V、電流不超過100mA、功率不超過25mW(GB/T3836.4-2021)的設備，如熱電阻、熱電偶、機械開關等，此類儀表設備無需進行防爆認證，可直接應用于本安回路中。
第2部分，本安電纜是指具備低分布電容、低分布電感的計算機屏蔽電纜，該電纜同時具備良好的屏蔽性能和抗干擾性能。
第3部分，關聯設備指含有本質安全電路和非本質安全電路，且結構使非本質安全電路不能對本質安全電路產生不利影響的電氣設備。在工程應用中，常見的關聯設備即為安全柵，安全柵通常安裝在位于非爆炸危險區(安全區)的控制室內，安全柵通過限流電阻電路及限壓二極管限制送往現場本安儀表設備的能量，從而有效阻止危險能量串入本安回路中。
2、本安回路的參數驗證
一個儀表回路系統最終能否構成本安回路，需要經過本安回路的認證。目前，本安回路的認證方法主要有系統認可及參量認可兩種(另外一種FISCO認可方法主要針對總線結構的儀表系統)。其中，系統認可屬于整體認證，一旦獲得認證就不能更改組成結構中的任一個部分，因此在項目中應用的可行性較差。工程實際中，目前最常用的是本安回路的參量認可法。參量認可是指對單臺設備進行的認可，并給出一組相應的安全參數。采用這種方法認證的本安儀表設備可以與具備相兼容的安全參數的關聯設備連接使用而構成本質安全回路。下面具體介紹參量認可法涉及的安全參數及參量認可法的相關不等式。
2.1 本安儀表設備的安全參數
本安儀表設備的安全參數具體定義如下：
a、最高輸入電壓(Ui)。可施加到設備的連接件上，不會使防爆型式失效的最高電壓(交流或直流)。
b、最大輸入電流(Ii)。可施加到設備的連接件上，不會使防爆型式失效的最高電流(交流或直流)。
c、最大輸入功率(Pi)。可施加到設備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大功率。
d、最大內部電容(Ci)。連接件上出現的設備的最大等效內部電容。
e、最大內部電感(Li)。連接件上出現的設備的最大等效內部電感。
2.2 關聯設備(安全柵)的安全參數
安全柵的安全參數具體定義如下：
a、最高輸出電壓(Uo)。任何施加電壓達到最大電壓的設備的連接件上出現的最高電壓(交流或直流)。
b、最大輸出電流(Io)。可從設備的連接件獲得的設備中的最大電流(交流或直流)。
c、最大輸出功率(Po)。可從設備獲取的最大電功率。
d、最大外部電容(Co)。可連接到設備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大電容。
e、最大外部電感(Lo)。可連接到設備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大電感。
2.3 本安電纜的安全參數
連接電纜存在分布電容和分布電感，這使得連接電纜成為儲能元件。本安電纜對其單位長度的分布電容及分布電感有嚴格要求。本安電纜的安全參數可從電纜樣本中獲得，參數的具體定義(GB/T3836.18-2017)如下：
a、最大電纜電容(Cc)。可以連接到本質安全電路上，而不會使本質安全性能失效的互連電纜的最大電容。
b、最大電纜電感(Lc)。可以連接到本質安全電路上，而不會使本質安全性能失效的互連電纜的最大電感。
最大電纜電容及最大電纜電感的計算式分別為：
Cc=Ck×L
Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長度分布電容，參考電纜樣本，該數值一般取最大90pF/m；L為電纜長度；Lk為電纜單位長度分布電感，參考電纜樣本，該數值一般取最大0.6μH/m。
2.4 本安回路計算關系式
采用參量認可法進行本安回路認證時，只需比較本安儀表設備、本安電纜及安全柵的各項參數。當它們滿足表1關系式時，不必經檢驗機構認可即可認為構成了本安回路系統。
表1本安回路參數驗證不等式
需要指出的是，表1的驗證不等式僅限用于圖1所示的簡單本安回路的驗證。當本安儀表回路中串入了現場指示儀時需要對驗證不等式進行修正(GB/T3836.15-2017，IEC60079-14:2013)。另外，對于涉及多臺本安儀表或多臺安全柵之間串聯的回路，本安系統的驗證計算比較復雜，設計中應盡量避免。
筆者著重討論單臺本安儀表設備與單臺安全柵連接的本安回路計算方法以及其對工程應用的指導意義。
3、本安回路計算的具體應用
對于參數驗證不等式1～3(表1)，只需在儀表選型時對安全柵及現場本安儀表設備的安全參數進行對比，即可得知該配置是否能夠滿足本安參數驗證的要求。當發現供應商提供的參數不能滿足參數驗證不等式1～3(表1)中的任一條時，應及時調整儀表選型或更換其他品牌產品。
由式(1)及不等式4(表1)可得Co≥Ci+Ck×L，即本安電纜長度；同樣，由式(2)及不等式5(表1)可得Lo≥Li+Lk×L，即本安電纜長度。由于本安電纜的長度需同時滿足以上兩個不等式，由此可得本安電纜長度應滿足以下關系式：
以下著重介紹本安回路計算在本安電纜長度核算中的應用。
3.1 常用安全柵的安全參數
進行本安回路計算前，需要獲得安全柵的安全參數信息，該信息可從相應產品的本安認證證書或樣本資料中取得。常用安全柵品牌的安全參數見表2。
表2 安全柵安全參數(ExiaⅡC)
3.2 現場變送器的本安回路計算
智能型變送器是化工項目中使用量最大的儀表類型之一，主要包括通用型的壓力變送器、溫度變送器。
常用的智能型變送器產品的安全認證參數列于表3。
表3 本安型變送器安全參數(ExiaⅡC)
根據以上數據可知，對于本安回路參數驗證不等式1～3(表1)，目前化工項目中常用的變送器儀表均能通過參數驗證。
對于電纜長度的驗算，分別選取Co值最大的MTL5500系列安全柵及Co值最小的優倍C系列安全柵與Ci值較大的EJAE系列的變送器進行組對，將其安全參數分別代入式(3)進行對比計算，得到結果如下：
由此可得，當采用MTL5500+E系列配置方案時，如果電纜長度大于1133m，該本安回路將無法通過驗證；而當采用優倍C系列+E系列配置方案時，如果電纜長度大于333m，該本安回路即無法通過驗證。
3.3 閥門定位器的本安回路計算
化工項目中常用的調節閥智能型定位器產品的安全參數見表4。
表4本安型定位器安全參數(ExiaⅡC)
根據以上數據可知，對于本安回路參數驗證不等式1～3(表1)，目前化工項目常用的閥門定位器均能通過參數驗證。
但是，從表4數據可以看出，美卓ND9100及山武AVP302定位器的Ci值遠高于另外兩個品牌。在選擇配套安全柵時，若選擇優倍C系列的安全柵，則Co值即已小于Ci值，本安回路參數驗證無法通過。選擇Co值稍大的辰竹及P+F安全柵，按式(3)計算可得：
由以上計算結果可知，當選用辰竹或P+F的安全柵與美卓或山武的定位器進行搭配使用時，在滿足本安回路計算要求的前提下，電纜的敷設距離亦比較有限。因此，在此例中，若選擇了山武或美卓的定位器，應優先選用Co值較高的MTL安全柵；或者可選用Ci值較低的Fisher或西門子定位器，以達到延長本安電纜敷設距離的目的。
3.4 電磁閥的本安回路計算
化工項目中常用的電磁閥產品的安全參數見表5。
表5本安型電磁閥安全參數(ExiaⅡC)
由于本安型電磁閥的Ci、Li值一般均近似為0，因此在電纜長度校驗時僅需考慮本安電纜本身的分布電容及分布電感數值大小即可。需要注意的是，MTL5500系列安全柵的Po值較大，選用的本安電磁閥Pi值可能存在小于該Po值的情況，在選型時應予以避免。
3.5 其他現場儀表的本安回路計算
除以上類型的儀表以外，化工項目中還經常會使用到各種測量原理的流量計、液位計等儀表。此類儀表品牌及種類繁多，在工程設計時，需針對具體的安全參數進行計算驗證。表6列出了較知名的一些廠家產品安全參數供[3]參考。
表6本安型現場儀表安全參數(ExiaⅡC)
從以上數據中可以看出，除上海信東的轉子流量計Pi值偏小，選擇安全柵時應特別注意以外，其余儀表一般均能滿足本安回路參數驗證不等式1～3(表1)的要求。而根據表6的Ci值，通過式(3)計算，可知大部分現場本安儀表的敷設距離都可達到400m以上。
4、本安回路計算對工程設計的指導意義
由第3節的分析可知，針對本安回路計算的要求，安全柵的Uo、Io、Po參數值越小將越容易通過本安回路的參數驗證。
對于本安電纜敷設長度的核算，需主要關注安全柵的Co值與現場本安儀表設備的Ci值，Co-Ci的值越大本安電纜可敷設的距離越長。而當現場儀表的Ci值大于0.01μF時即應引起足夠重視，核算該回路在當前敷設距離下能否通過本安回路的驗證。當然，電纜的敷設距離除需滿足本安回路計算的要求以外，還需考慮信號傳輸過程中的電壓損耗。綜上，建議現場儀表至控制室的電纜長度不大于500m。
當現場本安儀表至控制室的電纜長度大于500m時，宜逐個進行本安回路計算。若計算無法通過時，可采取以下改進措施：
a、改變本安回路的配置，選擇Co-Ci的值更大的配置方案，并重新進行本安回路參數驗證。
b、如裝置區儀表點較多且距離控制室距離大于500m，可以考慮在裝置附近的非爆炸危險區域內設置現場機柜間。如此，一方面可減少電纜的投資，另一方面能夠使本安儀表回路更容易通過本安參數驗證。
c、改變儀表選型，對個別無法通過本安回路參數驗證的儀表，可以將儀表防爆類型改為隔爆型，以避免本安參數驗證無法通過的問題。
d、當儀表點數不多時，可在現場設置遠程IO站，縮短本安電纜的敷設距離。目前，也有部分系統廠家推出了光纖總線系統，可應用于爆炸危險環境，大幅縮短了本安電纜的敷設距離。
5、結束語
雖然目前國內還沒有相關規范要求必須對本安回路進行逐個計算，大部分的工程公司在項目設計中亦沒有嚴格對每個本安回路進行參數驗證，但隨著中國防爆體系與國際防爆體系的接軌、中國工程公司開拓國外市場的需要以及國內安全監管部門對化工項目安全運行的重視，本安回路計算工作將越來越不可或缺。在工程設計中，本安回路計算將成為工程項目本質安全設計理念中的重要環節和支撐保障。這就要求工程設計人員要熟悉儀表廠家的安全參數數據，及時調整優化設計方案，為化工項目安全穩定的運行保駕護航。
作者：華霄峰、王澤方
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