本质安全系统的安全评判

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1、本质安全系统的安全评判南沙检验处 张俊前言：如果电气设备安装在可能出现爆炸性气体、蒸气而有爆炸危险的处所，则 应选用合格的防爆电气设备。本质安全型电气设备是符合防爆要求的一种类型， 相比其它类型具有高度的安全性、维护性和经济性。本文对简单本质安全系统进 行介绍，从系统各要素的角度出发对实现简单本质安全系统的安全组合进行说明 以便现场检验评判，从而保证本质安全设备的安全正常使用。关键词：本质安全本质安全系统安全栅电缆1 本质安全从防爆基本原理可知，爆炸性气体混合物发生点燃爆炸需要有三个要素，即： 可燃性物质、助燃物质和点燃源存在，如图 1 所示。点燃源可以是电火花或危险 温度。电火花指电容性电路

2、的短路放电、电感性电路的开路放电，电阻性电路周 期性的接通和断开放电以及炽热导线的熔断。危险温度指导线束发热，灼热发光 的灯丝发热以及元器件的表面高温。电火花的点燃特性取决于电路中的电气能量 当电路被接通或断开时总是以火花形式来释放一定的能量，该能量来源于供电电 源以及电路中的储能元件。例如点燃甲烷与空气的混合物需要280J,而点燃氢 气与空气的混合物需要20J。图 1 爆炸或燃烧的三要素传统的防爆方式采用将爆炸限制在防护外壳内、正压或者清除电气设备中的爆炸性气体。本质安全(Intrinsic Safety)为在标准规定条件下，包括正常工作 和规定的故障条件，产生的任何电火花或任何热效应均不能

3、点燃规定的爆炸性气 体环境。满足本质安全的电路为本质安全电路，所有电路为本质安全电路的电气 设备为本质安全设备。2 本质安全系统在船舶上，由于危险货物的装运、油漆的储存和蓄电池的存放等因素散发出 危险性爆炸气体，而又需要对这些处所进行信号采集和发送，因此需要安装电气 设备。本质安全系统是通过限制电气能量而实现电气防爆的电路系统，且不限制 使用场所和爆炸性气体混合物的种类，具有高度的安全性、维护性和经济性。本 质安全系统的基本配置如图 2 所示。In tri nsic Safety System图 2 本质安全系统(1) 现场本质安全设备(In tr in sic Safety Equipme

4、nt):从现场设备的储能 元件角度考虑，使处于气体爆炸危险环境中的现场设备按照本质安全要求设计， 对其中包含的电感和电容等储能元件回路采取相应措施，并使其尽可能减少的同 时，考虑回路元件的功耗及温升问题，以保证该设备不论是正常工作还是事故状 态，均不会产生由火花或热源引起的点燃。热电偶、RTDs、电磁阀、LED指示灯、 压力(液位或者流量)开关等都可以是现场本安设备，主要实现对爆炸性气体场 所进行信号检测和控制。(2) 安全栅(Intrinsic Safety Barrier):安全栅是本质安全电路的安全接口, 能在危险区(本质安全)和安全区(非本质安全)之间双向传递电信号，并可限 制因故障引

5、起的安全区向危险区的能量传递。安全栅安装于安全区，包含本质安 全电路和非本质安全电路，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本质安全 设备的能量，无论控制室设备(Control equipment room)处于正常或故障状态， 安全栅都能确保它传送给现场本安设备的能量是本质安全的。安全栅有齐纳式和 隔离式两种，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛的用途。(3) 电缆(Cable):由于连接电缆存在分布电容和分布电感，成为储能元 件。一旦当线路出现开路或短路时，信号传输过程中的储能就会释放出来，影响 系统的本质安全性能。3 本质安全系统的评定 本质安全系统必须由独立的机构进行测试和认可，以确保

6、其安全性，各国常 见的评定机构见表 1。本质安全系统的评定涉及到现场本安设备、安全栅及其连 接电缆。目前主要有两种评定方式，即系统认可和参量认可。表 1 各国常见的评定机构CountryUSACANADAGREAT BRITIANFRANCEGERMANYITALYBELGIUMCHINAagencyFM, ULCSABASEEFALCIEPTBCESIINEXNEPSI( 1 )系统认可系统认可将特定的现场本质安全设备与特定的安全栅配套，同时将连接电缆 的分布电容和分布电感以集中参数的方式给出。这种认可工作往往基于对电路分 析验证或必要的火花点燃试验，对特定的现场本质安全设备与特定的安全栅组

7、合 而成的系统进行合理性和安全性确认。图3 是系统认可的框图，该方式组合配套 关系明确，用户选用简单，整体防爆性能容易保证，但组合灵活性差。本质安全回路 非本质安全回路图 3 系统认可框图( 2 )参量认可参量认可是一种对要认可的现场本质安全设备和安全栅分别规定其安全参 数，然后对其单独评定安全性能，最后根据安全参数匹配的原则，将现场本质安 全设备与安全栅相连接的方式，其认可方式如图 4 所示。在参量认可方式中，将 现场本质安全设备与安全栅先“视作”断开状态，在各自的端子规定其安全参数额定值，见表2 所示。在参量认可方式中，只要掌握各要素的安全参数额定值， 可以自由选配实现本质安全系统的组合。

8、图 5 显示了固定式火灾探测与报警系统 中一个本质安全型感温头。图 4 参量认可框图表 2 本质安全系统各要素的安全参数要素现场本质安全设备安全栅连接电缆u.i最大输入电压Uo最大输出电压I最大输入电流I最大输出电流安全ioC最大允许分布电容P最大输入功率P最大输出功率c参数ioL最大允许分布电感Ci最大内部等效电容Co允许的最大外部电容cLi最大内部等效电感Lo允许的最大外部电感CansHium齐肝OlElb冋 *SalwicoWal Tctb*2-S匚*part M OJfiOIQ 罚曲 *2Tut Stdridardi; EH笔兰工 g f-/ui. 2i.2-Vrii- &3m Wi

9、I l : 図 I _* MXiE U：呷冲師-止2 s*rtal rr SLE ICEOfrlS*jf | 1G EElla IlCTSmlTOC:?y N0mkflMATEX1267X：C 0470 瓒JJUfd觀lei 图 5 本质安全型感温探头的参数认可3）保护等级评定根据在不同的故障条件下，本质安全电路能否引起点燃的性能，将本质安全 设备的保护等级分为“ia”、“ib”和“ic”三个等级。不同保护等级适用的爆 炸性气体危险场所如表 3 所示。表 3 不同保护等级的本质安全设备适用场所范围保护等级iaibic适用场所0区连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境1 区 在正常运行时可能出

10、现爆炸性气体混合物的环境2 区 在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境， 或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境1区2区2区（4）防爆类别和温度组别评定本质安全设备的防爆类别和温度组别评定同其它防爆类型的评定标准一致。 为有效限制可能引起爆炸性环境点燃的火花能量，须在每一个可能出现断开或连 接的点上对本质安全设备的电路进行试验，点燃不同的爆炸性气体混合物需要的 点燃能量不同，根据点燃试验对本质安全设备进行防爆类别分类。船舶电气设备 的防爆类别如表4 所示。为了表现本质安全设备的热点燃性能，对所有与爆炸性 气体环境可能接触的元件、外壳和导线的表面进行最高表面温度的试验，1、11

11、类电气设别的最高表面温度分组如表5 所示表 4 电气设备的防爆类别防爆类别代表性气体点燃能量I甲烷280 M JIIA丙烷180 M JII B乙烯60 M JIIC氢气20 M J表5丨、11类电气设备的温度组别I类电气设备表面可能堆积煤尘表面不会堆积煤尘II类电气设备温度组别T1 T2 T3 T4 T5 T6最高表面温度/C45030020013510085150450（5）本质安全系统的保护等级、防爆类别和温度组别评定通过对本质安全系统的独立获证设备信息的研究，来确定系统的保护等级、防爆类别和温度组别。评定原则是采用独立本质安全设备保护等级、防爆等级和 温度组别的最低级别。因此本质安全系

12、统的任一设备是“ib”,则该系统就是“ib”。 按照IIC、IIB、IIA安全递减次序确定防爆等级。4 本质安全系统的组合为保证设备安全正常使用，本质安全系统各要素间必须满足以下条件： 现场本质安全设备的防爆标志级别不能高于安全栅的防爆标志级别； 安全栅与现场本质安全设备之间须同时满足：u。；-已；popt； m 同时，连接电缆的长度分布参数须满足：C C C. ；L L 厶.C0I C0I（1）对现场本质安全设备的要求 安装于危险场所的现场设备可以是经防爆检验机构认可的本质安全电气设 别，也可以是简单设备。按照标准规定，对于电压不超过1.5 V、电流不超过0.1A, 且其能量不超过20 mJ

13、或功率不超过25 mW的电气设备可视为简单设备，其中 最常见的有热点偶、热电阻、应变片和开关。简单设备的典型特点是其内部等效 电感厶丫 = 0，内部等效电容q = 0。现场本质安全设备的防爆标志规定的等级是否适用使用危险场所的安全要 求，如表6 所示。还需注意本质安全电路是否接地或者接地部分的本质安全电路 是否加以有效的隔离。表 6 船舶处所与防爆类别、温度组别对应表处所防爆类别温度组别蓄电池室IICT1油漆间II BT3氨装置室IIAT3乙炔储藏室IICT2危险货物舱按载运危险货物的类别按载运危险货物的类别60 C及以下闪点的油管管隧IIAT3（2）对安全栅的要求 如若本质安全电路不带现场接

14、地或者部分的本质安全电路并未与安全栅接 口部分加以有效隔离，同时电路与仪器仪表机壳间具有500 V的绝缘耐压，则可 以优先采用成本较低的齐纳式安全栅。图6显示了2种典型的接地示意图。反之，若本质安全电路本身是接地的或者可能会产生接地（如一体化接壳式热电阻或热 电偶温度变换器和电容式液位计）且电路内部未采取隔离措施，则应选用隔离式 安全栅，以防构成本质安全系统的电路将可能存在的两个接地点而产生的电位差 所形成的地电流。Hazardous AreaiSafe Are-aPcsitivE8 sint|iie- ch a,nine I Ze-Rer B- a*r i tr with ncg：-atiw

15、e groundPasitcve dual-chiann-e-L Zener Karr ier with -ftnatirBg： Lcads.图6齐纳式安全栅（Zener Barrier）接地示意图另外，对安全栅还有以下要求：安全栅要与现场本质安全设备的安全极性及 信号传输方式相匹配；避免安全栅的漏电电流影响本安现场设备的正常工作，应 做好防护工作。（3）对连接电缆的要求 用于本质安全系统中连接现场本质安全设备与安全栅的电缆，对分布电容、 分布电感有要求，限制了电缆中的储能（电缆也是储能元件）。因此，必须符合 以下条件： 连接电缆规格：电缆的绝缘应能承受导体对地、导体对屏蔽和屏蔽对地 至少为交

16、流500 V 的试验电压。每根导线的直径应不小于0.1 mm。 连接电缆长度的限制：在本质安全系统中，现场本质安全设备和连接电 缆同为安全栅的负载，当安全栅与现场本质安全设备选定后，也就决定 了连接电缆的长度。其具体方法如下：I = min C C. , L L1c k c k式中：Ck , Lk分别为电缆单位长度分布电容和电感 电缆铠装接地：每个布线的电缆终端均应通过电缆引入装置或同类物将 电缆的铠装连接在等电位系统上，在中间有接线盒或其他电气设备时， 通常在这些中间点将铠装通过类似的连接接在等电位系统上，如果铠装 不能在中间点上连接等电位系统，应注意确保所有敷设电缆铠装自始至 终的连续性。

17、 导体屏蔽的接地：如电缆要求有屏蔽，屏蔽应在非危险区电路回路终端 处接地。 电缆的隔离：带本质安全电路的安装应使其本质安全性不受外界电磁场 的干扰，例如由附近上方供电线路或单芯电缆大电流的影响。这可以通 过例如屏蔽绞合电缆或与电磁场保持足够距离来实现。 电缆的标志IEC 的要求：有本质安全电路导线的电缆应标示出来。如果护套或表层用 颜色标志，该颜色应为淡兰色，该标志的电缆不应用于其他目的。如果 本质安全或非本质安全电路电缆已有铠装金属护套或屏蔽，不需再做标 志。ccs钢规要求：本质安全电路电缆的外护套应为蓝色或具有蓝色条纹 标识。蓝色条纹应清晰可见。通过以上的内容，可以对大家可能遇到的疑问进行

18、解答： 只要本质安全系统的连接电缆满足组合要求，通过计算如果回路的储能 在危险水平之下（即发生故障时其能量不足以引爆环境气体），电缆就 是本质安全电缆，并没有特别的本质安全电缆标准，但有电缆制造厂家 根据本质安全系统设计的本质安全用特殊电缆满足低分布电感和低分布 电容的特点，其生产出的电缆能满足大多数本质安全系统的要求。 本质安全电缆与其他电缆的 50mm 的间距并不是一定的，这个距离可能 是设计部门为达到隔离要求而确定的一个距离，也可以采取隔板隔开的 措施。5 本质安全系统安全判定实例如图7 所示，该本质安全系统包括两个本质安全回路，在危险区域有两个本 质安全设备，分别为rtd（温度传感器）

19、和温度变送器（配有安全栅），通 过安全区域的安全栅连接到计算机。1）本质安全回路 01 的安全判定本质安全回路01 的防爆安全参数如图8 所示，其安全判定过程如表 7 所示 满足本质安全系统的安全组合条件。表 7 本质安全回路评判表 Classification ia IIC-Cab4e 闻命 meters 80 n 斥 3.0 mH; 55 jjH/Q feolatedlemperdture RnsmltterType MTL5541-dais陶 365$ (example)MTLLMJLutDnUKPan inc., Bnsten, USA|EEx ialCbyEECSEX la IICT

20、4byFUML NO. 983D65NO. BASeeia07ATEX0W123Tainb = YFCto kOOCTamb=-2DCto+60flCLB TerminalsSafelyIIC既30 VParametersParameWfSIk 120 mAUm： 250 VCo；93nFPt1WUfl: 28Vlo； 3.D5mHCI;3flF忱阴耐Lem： 56uH/QU;1OUH池 651 tnVfMotel：a N cabte uecdnes pan ol a muticore, men 由憧 mutfioarB cable musi Be aTypa A GrB1. as 卸加lie

21、d in IEC 60D79-H.b) Gable 7 h昭 c即肚itiug ImihiiQfi 6D nF in IIIC; 647 nF in IIB安全栅输出端温度变送器输入端连接电缆是否符合U28 V30 V-是I93 mA120 mA-是P651 mW1 W-是C83 nF3 nF80 nF是L3.05 mH10 uH3.0 mH是图 8 本质安全回路 01 的安全参数2）本质安全回路 02 的安全判定本质安全回路02的防爆安全参数如图9所示。RTD属于简单设备，其电压 不超过1.5 V、电流不超过0.1A，且其能量不超过20 mJ或功率不超过25 mW, 内部等效电感九=0,内部

22、等效电容q = 0。根据本质安全系统的安全组合条件， 该回路满足要求。Zone (VI Hazardous Area1D RTDTemperature TransmitterType: 3&5S (ckample)Pan Inc., Boston. USAExb IICT4hyRJMLN1j.TO&5 Ambient l&mperalirt 一40记 to +BQXTerminals JA1Uo：1.07Io： 10 mA阳:2.5 mWCk100Q|iFLo: 350 mHItotK If cable becomes part of a multicore. then Ulis mullic

23、ore cahle must he h Type _A or B, as spkcifled in IEC60079-H.-Classiticatior ia IIC-Cable parameters lOOOpF.350耐-EarttiRd at RTDNote: 11 class detarmimd by nanmuin neasKed lemperaiun?.RTD Type: 35OL (example Peter Pty. SAiey. Australia Simple Apparalus h IEC 60079-11Passive cnmporwnt io gubclausfl S

24、.4aType: PSDfilMatirTHim operating lemperaKirft別忙 TsiriijeralLMg 出羽ili 饲 tion determined by maximum meirerl tumperature.图 9 本质安全回路 02 的安全参数6 结论本质安全系统防爆为回路概念，包括三个环节：现场本质安全设备，本质安 全电缆，安全栅，一个环节失效即失去了防爆安全的意义。本文仅对简单本质安全系统的安全评判进行介绍，至于多源组合电路、非线 性和线性本质安全电路的互连（如便携式测量设备在危险处所的应用）还需进行 深入的探讨。7 参考文献1. GB 3836.4-20

25、10.爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备.IEC 60079-11:2006, MOD.2. GB 3836.15-2000. 爆炸性气体环境用电气设备_第15部分：危险场所电气 安装（煤矿除外）. eqv IEC 60079-14:1996.3. GB 3836.18-2010. 爆炸性环境第 18 部分：本质安全系统. IEC 60079-25:2003, IDT.4. 钢制海船入级规范第四篇. 2012. CCS5.本安系统一般设计要求. 徐建平. 上海仪器仪表自控系统检验测试所.6. AN9003 - A Users Guide to Intrinsic Safety . Cooper Crouse Hinds.Retrieved 25 Sep 2012.7. Intrinsic Safety Equipment Introduction. 1-888-TC-OMEGA8. Applying Intrinsic Safety. Scientific Technologies Inc.9. Intrinsic Safety Barriers. RONAN ENGINEERING COMPANY.