本安防爆设计有哪些技术要求

  本安防爆设计是一项系统工程，其技术要求非常严格和具体，核心思想是通过限制电路中的能量(电火花和热效应)，使其在任何正常或故障状态下，都无法点燃规定的爆炸性气体环境。

  以下是本安防爆设计的主要技术要求，可以从系统层面和部件层面两个角度来理解：

  一、 系统层面的核心要求：能量限制

  本安系统通常由三部分构成：现场设备(本安设备)、关联设备(安全栅) 和连接电缆。技术要求围绕着确保整个回路的能量受控。

  1. 能量限制原则：

  · 必须确保在正常工作情况和规定的故障情况下，电路中产生的电火花或热表面能量，都低于可点燃特定爆炸性气体混合物的最小能量。

  · 这是通过“实体概念”或“系统性概念”来实现的，简单说就是“一个本安设备必须由一个或多个关联设备供电和保护”。

  2. 设备分类与组合：

  · 本安设备 [Ex ia / Ex ib / Ex ic]：安装在危险场所的设备。

  · Ex ia：最高保护等级，在施加两个计数故障后仍能保证安全。可用于0区(爆炸性环境持续或长期存在)。

  · Ex ib：在施加一个计数故障后仍能保证安全。可用于1区。

  · Ex ic：在正常工作时保证安全。可用于2区。

  · 关联设备(安全栅)：安装在安全场所的设备，用于限制输送到危险场所的能量。主要类型有：

  · 齐纳式安全栅：利用齐纳二极管进行电压钳位，熔断器进行电流限制，需要可靠的系统接地。

  · 隔离式安全栅：通过变压器和光耦进行电气隔离，同时实现能量限制。无需专用接地，抗干扰能力强，是现代设计的首选。

  · 组合认证：本安设备必须与特定的关联设备配套使用，并经过认证。不能随意混搭。认证文件(如防爆合格证)上会明确列出允许搭配的关联设备型号及其安全参数。

  3. 系统参数匹配(“实体参数”匹配)：

  这是设计中最关键的技术环节，必须确保以下参数在整个回路中匹配：

  · Um：关联设备能承受的最高允许电压。它必须大于或等于其所在非危险区电路的电压。

  · Uo / Ui：本安端最高输出电压(来自关联设备) / 本安设备最大输入电压。

  · 必须满足：Uo ≤ Ui

  · Io / Ii：本安端最大输出电流(来自关联设备) / 本安设备最大输入电流。

  · 必须满足：Io ≤ Ii

  · Po / Pi：本安端最大输出功率(来自关联设备) / 本安设备最大输入功率。

  · 必须满足：Po ≤ Pi

  · Co / Ci：关联设备允许的最大外部电容 / 本安设备内部电容及电缆分布电容之和。

  · 必须满足：Co ≥ Ci + Ccable

  · Lo / Li：关联设备允许的最大外部电感 / 本安设备内部电感及电缆分布电感之和。

  · 必须满足：Lo ≥ Li + Lcable

  · La / Ra：对于电感电路，有一个 L/R 比值 的限制，因为它影响火花放电的特性。

  二、 部件与电路设计的具体技术要求

  为了实现上述系统参数，对本安设备内部的电路和元器件有严格的设计要求。

  1. 元器件选择与降额使用：

  · 必须选择高质量、高可靠性的元器件。

  · 元器件的工作参数(电压、电流、功率)必须远低于其额定值(通常为额定值的50%-66%)，即“降额使用”，以提高可靠性并防止故障。

  2. 间距和爬电距离：

  · 电气间隙：两个导电部件在空气中的最短空间距离。

  · 爬电距离：两个导电部件沿绝缘材料表面的最短路径距离。

  · 这两个距离必须根据电路电压、材料组别(针对气体)和污染等级来确定，以防止短路或漏电起痕。在PCB布局时必须严格计算和控制。

  3. 封装与绝缘：

  · 电路板通常需要涂覆三防漆(Conformal Coating) 以提高绝缘性能、防潮和防污染。

  · 关键电路可能需要进行浇封(Potting)，用环氧树脂等材料完全封装，以限制能量并防止元件短路。

  4. 限能电路设计：

  · 冗余设计：对于Ex ia等级，关键限能元件(如电阻)可能需要冗余设计，即串联多个电阻，即使一个失效，另一个仍能起到限流作用。

  · 保护性元件：使用熔断器作为快速保护，限流电阻，稳压二极管(齐纳管) 进行电压钳位。这些元件本身需要满足高可靠性标准。

  5. 接地要求(尤其针对齐纳式安全栅)：

  · 齐纳式安全栅必须有一个独立、可靠的接地系统，接地电阻通常要求小于1Ω。如果接地失效，安全栅将失去保护作用。

  三、 布线、安装与文档要求

  1. 电缆要求：

  · 本安系统和非本安系统的电缆应分开敷设，或保持足够距离。

  · 电缆的分布电容(Ccable)和分布电感(Lcable)必须被计算在内，并确保不超过关联设备允许的Co和Lo值。

  2. 标识与铭牌：

  · 所有本安设备和关联设备必须有清晰、永久的铭牌，标明防爆标志、温度组别、设备保护级别(Ga, Gb, Gc)以及关键的安全参数(Ui, Ii, Pi, Ci, Li等)。

  3. 技术文档：

  · 必须提供详细的防爆合格证书和控制图，清晰地说明整个本安回路的构成、参数匹配和安装要求。

  总结

  本安防爆设计的技术要求是一个完整的体系，其核心是 “能量限制” 和 “参数匹配” 。设计师必须：

  · 正确选择设备类别(ia, ib, ic)。

  · 严格进行实体参数核算(Uo/Io/Po/Co/Lo vs. Ui/Ii/Pi/Ci/Li)。

  · 在电路设计上遵循间距、降额、冗余等原则。

  · 在安装和维护中确保接地、布线和标识符合规范。

  所有这些要求都旨在确保从源头到终端，在任何可预见的情况下，系统的能量都处于绝对安全的水平。实际设计必须严格遵循 GB 3836(中国标准) 或 IEC 60079系列(国际标准) 等权威规范。