朱東利

(中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210000)

本安回路參數(shù)匹配驗證

朱東利

(中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210000)

本安回路的設(shè)計理念在石化裝置中已被廣泛接受，但對本安回路匹配性進(jìn)行驗證的工程比較少，針對目前一些建設(shè)單位提出的本安回路計算要求，介紹了本安回路驗算的參考標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60079-14和GB 3836.15)、概念及基本方法。介紹了本安回路的組成及現(xiàn)場本安儀表、本安電纜和安全柵的作用，提出了本安回路參數(shù)匹配性驗證的方法；給出了常見品牌變送器、安全柵的本安認(rèn)證參數(shù)，并對其構(gòu)成的簡單本安回路進(jìn)行匹配性驗證；對比了回路內(nèi)引入不同組合方式的電涌防護(hù)器對本安回路匹配性驗證結(jié)果的影響。通過案例分析得出本安回路設(shè)計時的注意事項，以及需要重點注意本安回路匹配性驗證的場合，供石化工程設(shè)計過程中快速判斷本安回路的匹配性，減少本安回路匹配性驗證工作的工作量。

本安回路； 本安電纜； 認(rèn)證參數(shù)； 匹配性； 驗證； 浪涌保護(hù)器； 儀表設(shè)計； 電容； 電感

0 引言

儀表本安回路廣泛應(yīng)用在石化裝置中，部分外資建設(shè)項目對本安回路參數(shù)匹配性有計算的要求，而目前國內(nèi)大部分建設(shè)項目未重視此項工作。隨著國內(nèi)業(yè)主方安全管理意識、專業(yè)水平的提高，以及國內(nèi)工程公司業(yè)務(wù)國際化轉(zhuǎn)移的趨勢，本安回路計算將成為設(shè)計工作中必不可少的組成部分。

本安回路的驗證方法由《Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design,selection and erection》(IEC 60079-14)提出，國內(nèi)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為《爆炸性環(huán)境 第15部分：危險場所電氣安裝(煤礦除外)》(GB 3836.15)。

1 本安回路構(gòu)成

本安回路一般由現(xiàn)場本安儀表、本安電纜、安全柵組成。

①現(xiàn)場本安儀表：在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產(chǎn)生的任何火花或任何熱效應(yīng)應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路構(gòu)成的電氣設(shè)備。本安儀表本身產(chǎn)生的能量不足以引起爆炸，但如果外加能量超過其最大值時，將破壞其本質(zhì)安全性。

②本安電纜：電纜的相鄰導(dǎo)線、導(dǎo)線與屏蔽層之間都具有一定的電容，它對電路的影響等于給電路并聯(lián)了一個電容器[1]；當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)電流發(fā)生變化時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場又會在導(dǎo)線上產(chǎn)生電動勢，相當(dāng)于給電路串聯(lián)了一個電感器。當(dāng)線路發(fā)生開路或短路時，電纜中的分布電容、分布電感存儲的能量會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放。相對于普通電纜，本安電纜有更小的分布電容和分布電感，能夠防止因電纜中存儲的能量而影響系統(tǒng)的本安性能。

③安全柵：能夠?qū)踩珗鏊姆潜景不芈穫鞯轿ｋU場所的本安設(shè)備的能量，抑制在最小點燃能量以下。

2 本安回路計算方法

目前，本安回路驗證方法有系統(tǒng)認(rèn)可和參量認(rèn)可。由于系統(tǒng)認(rèn)可需對現(xiàn)場設(shè)備、電纜、安全柵進(jìn)行聯(lián)合認(rèn)證，組合靈活性差，因此，參量認(rèn)可的方式[2]更為適用。

本安回路參量認(rèn)可方式中，安全柵、本安電纜、本安儀表需滿足以下5個條件[3]：

(1)

式中：Uo為安全柵可輸出的最大電壓，V；Io為安全柵可輸出的最大電流，mA；Po為安全柵可輸出的最大功率，W；Co為安全柵允許外接的最大電容，μF；Lo為安全柵允許外接的最大電感，mH；Ui為本安儀表最大可接收的電壓，V；Ii為本安儀表最大可接收的電流，mA；Pi為本安儀表最大可接收的功率，W；Ci為本安儀表內(nèi)部總等效電容，μF；Li為本安儀表內(nèi)部總等效電感，mH；∑Cc為本安電纜分布電容，μF；∑Lc為本安電纜分布電感，mH。

上述參數(shù)可從本安設(shè)備的防爆認(rèn)證證書上獲取。值得注意的是，IEC 60079-14規(guī)定：當(dāng)本安回路現(xiàn)場有多個本安設(shè)備時，Ui和Li分別為所有本安設(shè)備等效電容和等效電感之和；當(dāng)∑Ui>1%Uo且∑Li>1%Lo時，安全柵的Uo和Lo應(yīng)除以2后再代入式(1)中進(jìn)行本安回路驗算[4]。

3 常見本安回路驗證

本文選取常見的儀表本安回路，并以知名品牌為例，選擇爆炸危險組別為IIC，進(jìn)行本安回路參數(shù)匹配認(rèn)證。部分知名型號現(xiàn)場儀表本安參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場儀表本安參數(shù)

部分知名型號安全柵(一進(jìn)一出模擬量輸入/輸出隔離安全柵)本安參數(shù)如表2所示。

表2 安全柵本安參數(shù)(IIC組別)

通過比較電壓、電流和功率，可以看出百特FB8326雷達(dá)液位計Ui為26.4 V，能和辰竹的模擬量安全柵(Uo=25.4 V)配套使用，而和其他幾種品牌安全柵配套使用則無法構(gòu)成本安回路；ASCO 630先導(dǎo)式本安電磁閥(Pi=0.9 W)與MTL5521 DO安全柵(Po=0.919 W)配套使用，無法構(gòu)成本安回路。

以安徽長通電纜IA-DJYVPR橫截面積1.5 mm2的本安型計算機(jī)控制電纜為例，電纜分布電容Cc≤80×10-6μF/m，分布電感Lc≤0.6×10-3mH/m。由分布電容和分布電感分別計算出的本安電纜最大長度為：

(2)

(3)

取SC和SL的較小值為本安電纜的最小長度。

假設(shè)Rosement 3051與辰竹模擬量隔離式安全柵構(gòu)成本安回路，將Ci=10 nF、Li=0.01 mH、Co=0.083 μF、Lo=4.2 mH代入式(2)、式(3)，得出本安電纜長度SC≤912 m、SL≤6 983 m，取二者較小值，則該本安回路電纜最長為912 m，超過此長度則本安回路驗證不通過。

當(dāng)采用接線箱將分支電纜匯成主干電纜時，應(yīng)確定分支電纜長度后，再根據(jù)多芯電纜的Cc、Lc進(jìn)行主干電纜的長度計算。

4 內(nèi)含電涌防護(hù)器的本安回路驗證

《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》(SH/T3164-2012)5.1.2條規(guī)定：“防雷等級為一級的區(qū)域和控制室應(yīng)實施儀表系統(tǒng)防雷工程”。圖1給出了電涌防護(hù)器的本安回路?，F(xiàn)場儀表可選擇含“簡單設(shè)備”的串聯(lián)(或并聯(lián))型現(xiàn)場安裝式電涌防護(hù)器，如圖1(a)所示；也可選擇非“簡單設(shè)備”的電涌防護(hù)器，如圖1(b)所示。

圖1 電涌防護(hù)器的本安回路示意圖

SH3164-2012 10.1.1.3規(guī)定：“同一本安線路中的現(xiàn)場儀表電涌防護(hù)器和控制室端電涌防護(hù)器，如果不是‘簡單設(shè)備’，則應(yīng)將兩者的本安參數(shù)綜合考慮”。而10.1.2.1條文解釋：“現(xiàn)場儀表的電涌防護(hù)器應(yīng)為本安設(shè)備，控制室的電涌防護(hù)器不是本安設(shè)備而是本安電路的關(guān)聯(lián)設(shè)備”[5]。

圖1(a)中的現(xiàn)場串聯(lián)安裝的CZLBX-48-S型電涌防護(hù)器，是由氣體放電管、電阻和二極管組成的“簡單設(shè)備”，具有不存儲也不產(chǎn)生點火能量的特性。非簡單設(shè)備的T-24-EX-L的本安認(rèn)證參數(shù)為：Ui=28 V，Ii=100 mA，Pi=0.7 W，Ci=0 μF，Li=0 mH。因電涌防護(hù)器串聯(lián)在本安回路內(nèi)，電涌防護(hù)器的輸出電氣參數(shù)Uo、Io、Po、Co、Lo與配套使用的隔離安全柵認(rèn)證參數(shù)一致。

圖1(a)在一般本安回路內(nèi)增加“簡單設(shè)備”的現(xiàn)場安裝型電涌防護(hù)器，以控制室設(shè)置的電涌防護(hù)器作為關(guān)聯(lián)設(shè)備，不影響回路本安驗算結(jié)果。

圖1(b)的方案相當(dāng)于本安回路危險區(qū)有2個本安設(shè)備，在進(jìn)行本安回路驗證時，需取2個本安設(shè)備的Ui、Ii、Pi中的最小值以及Ci與Li之和參與式(1)的運(yùn)算。經(jīng)過運(yùn)算可知，圖1(b)中增加2個非“簡單設(shè)備”的電涌防護(hù)器不影響本安回路驗算結(jié)果。

5 結(jié)束語

雖然工程實踐中絕大部分本安回路參數(shù)匹配驗證是可以通過的，但在本安回路設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項。

①在選用Ui<28 V現(xiàn)場本安設(shè)備或本安型電磁閥時，需重點驗證其本安回路參數(shù)匹配性。

②當(dāng)單根電纜長度超過500 m時，宜進(jìn)行本安回路計算。

③應(yīng)避免現(xiàn)場本安設(shè)備輸出2路本安信號的設(shè)計，此類本安回路驗算比較復(fù)雜[6]。

④對于熱電阻、熱電偶、開關(guān)等“簡單設(shè)備”組成的本安回路，可不對其回路進(jìn)行驗證。

⑤多芯本安電纜應(yīng)采用總屏加分屏對絞的計算機(jī)控制電纜，避免多芯電纜之間的疊加影響。敷設(shè)儀表線路時，應(yīng)嚴(yán)格遵循規(guī)范要求，與強(qiáng)電線路保持一定的距離，以防止因產(chǎn)生感應(yīng)電流而破壞本安回路的性能[7]。

[1] 杜建華,王長水.控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，28(9)：120-122.

[2] 李勝利.本安防爆系統(tǒng)設(shè)計中安全柵的選用[J].石油化工自動化，2000(1):6-7.

[3] 國家機(jī)械局.GB 3836.15 爆炸性環(huán)境 第15部分：危險場所電氣安裝(煤礦除外)[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000:26-28.

[4] IEC/SC 31J.IEC60079-14-2013 Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design，selection and erection[S].瑞士：國際電工委員會，2013：56-57.

[5] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.SH3164-2012石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2013：15.

[6] 王珍.本質(zhì)安全儀表回路設(shè)計方法探討[J].石油化工自動化，2009(4)：65-70.

[7] 范紅衛(wèi)，常新宏，洪強(qiáng),等.本安系統(tǒng)設(shè)計問題探討[J].礦冶，2006，15(2)：74-77.

Parameter Matching Verification of the Intrinsically Safe Loop

ZHU Dongli

(China Construction Installation Engineering Co.,Ltd.，Nanjing 210000，China)

The design concept of intrinsically safe (IS) loop has been widely accepted in petrochemical plants,but there are few of projects to validate the matching performance of intrinsically safe loop.In accordance with the calculation requirements of some construction organizations,the reference standards IEC 60079-14 and GB 3836.15,the concept and calculation methods of IS loop are introduced.The composition of IS loop and the functions of field IS instruments,IS cables and safety barriers are presented,and the verification method of the parameter matching of IS loop is proposed; commonly seen brands of transmitters,barriers and IS verification parameters,the matching verification of the simple IS loops are conducted; and the influence of introducing different combination of surge protection devices into IS loop on the results of matching verification is given.Through analyzing certain cases,the cautions in designing the IS loops,and in which occasions the matching verification shall be emphasized are obtained. These make rapid judgement of the matching performance in design procedures and reduce the workload in matching verification of IS loop.

Intrinsically safe loop； Intrinsically safe cable； Authentication parameter ； Matching； Verification； SPD； Instrument design； Capacitance; Inductance

朱東利(1987—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事石油化工儲運(yùn)醫(yī)藥的自控設(shè)計方向的研究。E-mail：515914681@qq.com。

TH811;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706021

修改稿收到日期:2016-11-07