本质安全仪表安全栅回路设计相关问题的探讨

自动化仪表四厂不规范的设计和安装有可能造成本质安全仪表回路的防爆性能失效，形成安全隐患，也可能影响仪表回路的功能。列举了本质安全仪表回路设计中容易忽视的一些问题，分别从安全栅的电气参数、本安设备的供电、本安回路接线箱的设计、本安电缆的选型及敷设等方面进行了探讨，并提出了相应的解决方案。

本质安全防爆（以下简称本安防爆）是石油化工装置仪表设计中常用的防爆方式之一，该防爆方式是一种低功率设计技术，从限制能量入手，通过将暴露于爆炸性环境中的仪表设备及连接导线可能产生的电火花或热效应限制在允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下不会引起周围可能存在的危险气体的爆炸。

本安仪表回路由处于危险区域的本安电路和处于安全区域的非本安电路组成，而本安电路由现场本安设备、本安连接电缆及安全栅构成。

本安设备及关联设备均需取得检验机构的认证，并出具认证证书。检验认证方法通常有３种：系统认可、参量认可和ＦＩＳＣＯ认可。工程设计中，主要采用后两种认可检验认证方法，在设计、采购时只需选用经过认证的产品，并依据参量认可的电气参数进行计算便可。

现有的设计规范对本安仪表及相关设备的选型、线路设计等都有了具体的规范和要求，本文不再赘述，而是就设计中一些容易忽略的问题进行探讨。

１安全栅的电气参数

安全栅是本安电路与非本安电路之间的隔离元件和接口设备，用于限制本安电路的能量。

１）安全栅通过以下参数来限制本安电路的功率，这些参数可以从认证证书或产品样本中获得：

ａ）非常高电压（交流有效值或直流值）Ｕｍ。施加到关联设备非本安连接装置上，而不会使本安性能失效的非常高电压。

ｂ）非常高输出电压（Ｕｏ）。施加电压达到非常高电压时，可能出现在电气设备连接装置上的非常高输出电压（交流或直流峰值）。

ｃ）非常大输出电流（Ｉｏ）。可从电气设备连接装置上获得的非常大电流（交流或直流峰值）。

ｄ）非常大输出功率（Ｐｏ）。可从电气设备获得的非常大功率。

ｅ）非常大外部电容（Ｃｏ）。可连接到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的非常大电容。

ｆ）非常大外部电感（Ｌｏ）。可连接到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的非常大电感。

ｇ）非常高输入电压（Ｕｉ）。可施加到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的非常高电压（交流或直流峰值）。

ｈ）非常大输入电流（Ｉｉ）。可施加到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的非常高电流（交流或直流峰值）。

ｉ）非常大输入功率（Ｐｉ）。可施加到电气设备连接装置上，而不会使本安性能失效的非常大功率。

ｊ）非常大内部电容（Ｃｉ）。呈现在电气设备连接装置上的电气设备非常大等效内部电容。

ｋ）非常大内部电感（Ｌｉ）。呈现在电气设备连接装置上的电气设备非常大等效内部电感。

２）作为传输介质的连接电缆，从系统获得能量后，由于存在电感和电容储能，也可能成为危险气体的点燃源，因此电缆的电感和电容也是本安电路的安全参数之一。电缆的电气参数可从产品样本或说明书中获得：

ａ）非常大电缆电容（Ｃｃ）。可以连接到本安电路上，而不会使本安性能失效的互连电缆的非常大电容。

ｂ）非常大电缆电感（Ｌｃ）。可以连接到本安电路上，而不会使本安性能失效的互连电缆的非常大电感。本安电路中，电

气设备和电缆的电气参数必须满足表１所列的安全参数匹配条件不等式。然而，不同检验机构所遵循的认证标准不一样，非常后得到的认证参数也是不一致的，不同的认证参数进而会对设计造成影响。

由于电缆的非常大电缆电感Ｌｃ远小于非常大外部电感Ｌｏ，因此在计算本安电缆长度时通常以满足本安电路的电容匹配条件不等式作为计算依据，如式（１）所示：式中：Ｌ———电缆长度；Ｃｋ———电缆单位长度分布电容。

为了简化计算，假设现场仪表的非常大内部电容Ｃｉ＝０，电缆从现场仪表直接接至安全栅。根据某品牌某型号安全栅的不同认证机构认证参数所计算得到的允许敷设非常长电缆长度。

同一安全栅采用不同的标准认证，即使采用同样的本安电缆，允许敷设的电缆长度也不相同。因此，在设计时应先确定所遵循的标准及认证机构，所有本安设备及关联设备采用同一认证机构认可的电气参数，并据此进行设计。

２本安设备供电

本安回路中现场本安设备的供电有两种方式：非常好种是采用本安电源对电气设备供电；第二种为供电电源经过安全栅限能后对现场电气设备供电，如两线制变送器、电磁阀等。因此，在设计选型时应查验安全栅的输出特性图和非常大输出电流，保障电气设备能正常工作。

某工程项目选用某品牌的安全栅，出现了无法驱动本安电磁阀现象。该项目由控制阀成套提供的直动式本安电磁阀非常小工作电流为８０ｍＡ，本安回路中所选用的开关量输出安全栅１认证参数为Ｕｏ＝２５Ｖ，Ｉｏ＝１８５ｍＡ。安全栅１限制输出电流Ｉ限制６０ｍＡ，开路时电压Ｕ开路为２１．４Ｖ。该安全栅样本上提供了信号输出内部等效电路图和信号输出特性

电源的输出电流被限制在６０ｍＡ，小于电磁阀所需要的非常小工作电流８０ｍＡ，因此无法驱动该电磁阀动作。安全栅１已是该项目中输出电流非常大的产品，仍无法使电磁阀可靠工作。后来控制阀供货商推荐了其他品牌的安全栅２，其技术参数如下：Ｕｏ＝１７Ｖ，Ｉｏ＝２７１ｍＡ，Ｐｏ＝１．１５２Ｗ。安全栅２非常大输出电流１００ｍＡ，输出电压不小于１０Ｖ，开路时电压１６．２Ｖ。信号输出内部等效电路图和信号输出特性如图４所示。更换该安全栅后，电磁阀工作正常。

３接线箱的选型

接线箱由外壳、端子、安装导轨、电缆引入装置（电缆密封接头）等无源元件组成，属于简单设备，当用于本安电路时，可以不经过认证。在设计本安回路的接线箱时，往往存在两种倾向：认为在本安电路中，接线箱为简单设备，可以任意采用各种接线箱；认为接线箱处于爆炸环境中，应采用防爆接线箱。笔者认为两种观念都有些偏颇。按照规范ＧＢ３８３６．４—２０１０《爆炸性环境第４部分：由本质安全型“ｉ”保护的设备》第５章第７节“简单设备”的要求，放置在爆炸环境本安电路中的简单设备虽然无需本安认证，但是也有一些必须考虑的要点。对于接线箱而言，用于危险场所的非金属外壳和含有轻金属的外壳应符合ＧＢ３８３６．１—２０１０《爆炸性环境第１部分：设备通用要求》中７．４和８．１的规定。

为了防止静电电荷在非金属材料外壳积聚，从而引起点燃危险，ＧＢ３８３６．１—２０１０中７．４节对危险场所的电气设备的非金属外壳的表面积及厚度等参数作了限制，应满足下列要求之一：表面绝缘电阻不大于１ＭΩ；限定外壳非金属部件的表面积。

对于非金属接线箱，表面积一定会突破规范限制的，因此唯一的途径是通过合理选材，使表面绝缘电阻满足规范要求。

ＧＢ３８３６．１—２０１０《爆炸性环境第１部分：设备通用要求》中８．１针对不同保护级别（ＥＰＬ）的电气设备金属外壳，对铝、镁、钛、锆等金属质量分数提出了要求。对于石油化工装置常用的Ⅱ类电气设备外壳材料，上述金属材质的质量分数应符合下列要求：１）对于ＥＰＬＧａ。铝、镁、钛和锆的质量分数为１０％；镁、钛和锆的质量分数为７．５％。２）对于ＥＰＬＧｂ。镁和钛的质量分数为７．５％。３）对于ＥＰＬＧｃ，除风扇、风扇罩和通风孔挡板应符合ＥＰＬＧｂ的要求外，无其他要求。

虽然按照相关规范，本安电路中的接线箱可以无需认证，但相关规范对用于危险场所的接线箱外壳材料、表面绝缘电阻等都有具体的规定，在工程实践中，为了避免繁琐的试验、查证等工作，可以直接采用经过认证的防爆产品。从成本、维护等多方面考虑，建议采用增安型接线箱。为避免非本安电路接入本安电路接线箱，而接线箱内又未按要求做好隔离措施，本安接线箱应有颜色、文字等明显标识。

４本安电缆选型

从结构上看，本安电缆与普通屏蔽电缆差不多，只是护套颜色不同而已，因此有些设计人员认为在工程中可以用普通电缆替代本安电缆。

本安电路中电缆的选择和敷设应使本安性能不受外界电场或磁场的干扰。ＧＢ／Ｔ３８３６．１８—２０１７《爆炸性环境第１８部分：本质安全电气系统》第９章对用于本安电路的电缆结构、所能承受的介电强度实验和屏蔽有具体要求，不满足要求的电缆不允许使用在本安电路中。

１）该规范９．１节要求本质安全电路应采用绝缘能够承受至少５００Ｖ交流电压或７５０Ｖ直流电压的耐压试验的绝缘电缆。

２）该规范９．３节对本安多芯电缆提出了要求。对于多芯电缆，每根芯线绝缘层的厚度应与导线直径和绝缘要求相适应，至少为０．２ｍｍ。多芯电缆应能承受下列介电强度试验：

ａ）铠装护套和／或屏蔽连接在一起，所有芯线连接在一起，二者之间施加５００Ｖ交流电压或７５０Ｖ直流电压。

ｂ）５０％电缆芯线捆扎在一起，另外５０％电缆芯线绑扎在一起，二者之间施加１ｋＶ交流电压值或１．５ｋＶ直流电压。

３）该规范９．４节要求本安电缆屏蔽的覆盖率至少应为表面积的６０％。

同时，为了限制电缆本身的储能，满足表１所列安全参数匹配条件不等式，本安回路连接电缆的分布电感和分布电容应尽量低。美国国家防火协会（ＮＦＰＡ）对用于１区的本安回路的连接电缆的非常大分布电容和分布电缆曾有过要求，即［３］：Ｌｃ≤０．６６μＨ／ｍ，Ｃｃ≤１９７ｐＦ／ｍ。对于注明本安电缆的电缆产品，均应严格按照规范要求设计和制造，并以低分布电容和低分布电感作为产品特点。因此，在工程中对于本安信号的传输，应采用专用的本安电缆。本安电缆应按照规范要求采用浅蓝色外护套，以与非本安电路区分。

５本安电缆敷设

本安电缆的敷设和安装应确保本安电路不会因为人为疏忽或电缆的破损而连接到非本安电路中。为此，规范一般都要求本安电缆与非本安电缆分开敷设。具体要求：１）本安电路与非本安电路不应使用同一根多芯电缆。

２）本安电路电缆与非本安电路电缆敷设在不同的电缆桥架内或在同一桥架内宜采用牢固接地的金属隔板加以隔离。但是，对于铠装电缆而言，当铠装层接地后，一方面铠装层对电缆提供了机械保护，同时也起到了良好的隔离作用，这时可不要求本安电缆与非本安电缆采取其他隔离措施，即两种电缆可以敷设在同一电缆桥架内。ＨＧ／Ｔ２０５１２—２０１４《仪表配管配线设计规范》８．３．３在要求本安信号和非本安信号线及其他各种需隔离信号线应分开敷设的同时，也指出：铠装电缆、光缆可以不分开敷设。

ＧＢ／Ｔ３８３６．１５—２０１７《爆炸性环境第１５部分：电气装置的设计、选型和安装》１２．２．２．５．１在提出的防止本安电路电缆不能因疏忽而连接到非本安电路电缆上的措施中，除第ａ）条要求不同类型的电路应隔离外，还可采用其他措施，第ｃ）条为：特定类型的电路使用铠装、金属护套或屏蔽电缆（例如，所有非本质安全电路使用铠装电缆，或所有本质安全电路使用铠装电缆）。ＮＦＰＡ７０ＮａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｄｅ５０４．３０在要求本安电缆与非本安电缆在桥架敷设时应隔离的同时，也提出了４种例外，其中之一便是：所有本安电缆或所有非本安电缆带金属护套或金属外层，金属护套或外层接地以便将有害电流导入地下。另外，如果采用保护管敷设电缆，应注意如果保护管跨越危险区和非危险区，保护管在危险区的端口应封闭，以防止危险气体经过穿线管进入非危险区。

６结束语

本安防爆设计的要点是限制爆炸环境中能量水平和阻止外界能量的窜入，而不是通过其他额外的防护措施来达到防爆的目的。自动化仪表四厂设计和安装中的一些疏忽或一些细节的把握失当就有可能影响本安回路的防爆性能，也有可能影响仪表回路的监控性能，造成安全隐患。