本安防爆設計有哪些技術要求

  本安防爆設計是一項系統工程，其技術要求非常嚴格和具體，核心思想是通過限制電路中的能量(電火花和熱效應)，使其在任何正常或故障狀態下，都無法點燃規定的爆炸性氣體環境。

  以下是本安防爆設計的主要技術要求，可以從系統層面和部件層面兩個角度來理解：

  一、 系統層面的核心要求：能量限制

  本安系統通常由三部分構成：現場設備(本安設備)、關聯設備(安全柵) 和連接電纜。技術要求圍繞著確保整個回路的能量受控。

  1. 能量限制原則：

  · 必須確保在正常工作情況和規定的故障情況下，電路中產生的電火花或熱表面能量，都低于可點燃特定爆炸性氣體混合物的最小能量。

  · 這是通過“實體概念”或“系統性概念”來實現的，簡單說就是“一個本安設備必須由一個或多個關聯設備供電和保護”。

  2. 設備分類與組合：

  · 本安設備 [Ex ia / Ex ib / Ex ic]：安裝在危險場所的設備。

  · Ex ia：最高保護等級，在施加兩個計數故障后仍能保證安全。可用于0區(爆炸性環境持續或長期存在)。

  · Ex ib：在施加一個計數故障后仍能保證安全。可用于1區。

  · Ex ic：在正常工作時保證安全。可用于2區。

  · 關聯設備(安全柵)：安裝在安全場所的設備，用于限制輸送到危險場所的能量。主要類型有：

  · 齊納式安全柵：利用齊納二極管進行電壓鉗位，熔斷器進行電流限制，需要可靠的系統接地。

  · 隔離式安全柵：通過變壓器和光耦進行電氣隔離，同時實現能量限制。無需專用接地，抗干擾能力強，是現代設計的首選。

  · 組合認證：本安設備必須與特定的關聯設備配套使用，并經過認證。不能隨意混搭。認證文件(如防爆合格證)上會明確列出允許搭配的關聯設備型號及其安全參數。

  3. 系統參數匹配(“實體參數”匹配)：

  這是設計中最關鍵的技術環節，必須確保以下參數在整個回路中匹配：

  · Um：關聯設備能承受的最高允許電壓。它必須大于或等于其所在非危險區電路的電壓。

  · Uo / Ui：本安端最高輸出電壓(來自關聯設備) / 本安設備最大輸入電壓。

  · 必須滿足：Uo ≤ Ui

  · Io / Ii：本安端最大輸出電流(來自關聯設備) / 本安設備最大輸入電流。

  · 必須滿足：Io ≤ Ii

  · Po / Pi：本安端最大輸出功率(來自關聯設備) / 本安設備最大輸入功率。

  · 必須滿足：Po ≤ Pi

  · Co / Ci：關聯設備允許的最大外部電容 / 本安設備內部電容及電纜分布電容之和。

  · 必須滿足：Co ≥ Ci + Ccable

  · Lo / Li：關聯設備允許的最大外部電感 / 本安設備內部電感及電纜分布電感之和。

  · 必須滿足：Lo ≥ Li + Lcable

  · La / Ra：對于電感電路，有一個 L/R 比值 的限制，因為它影響火花放電的特性。

  二、 部件與電路設計的具體技術要求

  為了實現上述系統參數，對本安設備內部的電路和元器件有嚴格的設計要求。

  1. 元器件選擇與降額使用：

  · 必須選擇高質量、高可靠性的元器件。

  · 元器件的工作參數(電壓、電流、功率)必須遠低于其額定值(通常為額定值的50%-66%)，即“降額使用”，以提高可靠性并防止故障。

  2. 間距和爬電距離：

  · 電氣間隙：兩個導電部件在空氣中的最短空間距離。

  · 爬電距離：兩個導電部件沿絕緣材料表面的最短路徑距離。

  · 這兩個距離必須根據電路電壓、材料組別(針對氣體)和污染等級來確定，以防止短路或漏電起痕。在PCB布局時必須嚴格計算和控制。

  3. 封裝與絕緣：

  · 電路板通常需要涂覆三防漆(Conformal Coating) 以提高絕緣性能、防潮和防污染。

  · 關鍵電路可能需要進行澆封(Potting)，用環氧樹脂等材料完全封裝，以限制能量并防止元件短路。

  4. 限能電路設計：

  · 冗余設計：對于Ex ia等級，關鍵限能元件(如電阻)可能需要冗余設計，即串聯多個電阻，即使一個失效，另一個仍能起到限流作用。

  · 保護性元件：使用熔斷器作為快速保護，限流電阻，穩壓二極管(齊納管) 進行電壓鉗位。這些元件本身需要滿足高可靠性標準。

  5. 接地要求(尤其針對齊納式安全柵)：

  · 齊納式安全柵必須有一個獨立、可靠的接地系統，接地電阻通常要求小于1Ω。如果接地失效，安全柵將失去保護作用。

  三、 布線、安裝與文檔要求

  1. 電纜要求：

  · 本安系統和非本安系統的電纜應分開敷設，或保持足夠距離。

  · 電纜的分布電容(Ccable)和分布電感(Lcable)必須被計算在內，并確保不超過關聯設備允許的Co和Lo值。

  2. 標識與銘牌：

  · 所有本安設備和關聯設備必須有清晰、永久的銘牌，標明防爆標志、溫度組別、設備保護級別(Ga, Gb, Gc)以及關鍵的安全參數(Ui, Ii, Pi, Ci, Li等)。

  3. 技術文檔：

  · 必須提供詳細的防爆合格證書和控制圖，清晰地說明整個本安回路的構成、參數匹配和安裝要求。

  總結

  本安防爆設計的技術要求是一個完整的體系，其核心是 “能量限制” 和 “參數匹配” 。設計師必須：

  · 正確選擇設備類別(ia, ib, ic)。

  · 嚴格進行實體參數核算(Uo/Io/Po/Co/Lo vs. Ui/Ii/Pi/Ci/Li)。

  · 在電路設計上遵循間距、降額、冗余等原則。

  · 在安裝和維護中確保接地、布線和標識符合規范。

  所有這些要求都旨在確保從源頭到終端，在任何可預見的情況下，系統的能量都處于絕對安全的水平。實際設計必須嚴格遵循 GB 3836(中國標準) 或 IEC 60079系列(國際標準) 等權威規范。