能量限制防爆技术的工程设计及应用

冯省利

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安710075）

工业生产中，尤其是石油化工工业，大量使用易燃易爆物质，防爆问题是关系到安全生产的重大问题。因此，合理地选用适当的防爆电气设备是自控工程设计中的关键问题。目前，中国接受的电气设备防爆型式主要有：隔爆型（Ex d）、增安型（Ex e）、本质安全型（Ex i）、正压型（Ex p）、浇封型（Ex m）和“n”型（Ex n）等。每一种技术措施都有各自的特点和适用范围。其中，“n”型是一种专门适合于爆炸性气体危险场所2区使用的电气设备防爆型式，该类电气设备，在正常运行时和相应标准规定的一些异常条件下，不能点燃周围环境中的爆炸性气体。“n”型防爆技术分为5种不同的类型，分别是无火花型设备（Ex nA）、限制呼吸外壳（Ex nR）、限制能量设备（Ex nL）、具有简单正压（Ex nZ）和有火花型设备（Ex nC）。其中，“nL”能量限制技术由于采用和本质安全防爆技术一样的限能原理，不仅具有质量轻、体积小、成本低的特点，而且还可实现带电维护操作。因此，这种防爆技术已被越来越多的防爆仪器仪表制造商和用户所选用。

1 “nL”能量限制防爆技术的基本概念及构成

1.1 基本概念

“nL”能量限制防爆技术，简称限能技术，是一种应用于危险2区的防爆技术。其定义为采用能量限制技术，电气设备在正常工作情况下，电路或操作电弧和火花中所储存的能量不足以引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。限能技术是以本质安全原理为依据的应用于爆炸性危险场所2区的防爆技术。由于2区场所相对比较安全，设计时只考虑正常工作，不需考虑故障状态。

与IEC标准规定一样，GB3836.14—2000和GB50058—92均根据爆炸性气体环境出现的频率和持续时间，把爆炸性气体危险场所分为0区，1区，2区三个区域（zone）。2区是指在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境。如果出现，也是偶尔发生并且仅是短时间内存在的场所。据资料显示，典型的爆炸性危险场所被划分为Zone 0，Zone 1，Zone 2的百分比分别约为2%，28%和70%；而按北美被划分为Division 1和Division 2的百分比分别约为5%和95%［1］。并且，GB3836.14—2000特别指出应通过设计或适当的操作方法，将0区或1区场所在数量或范围上减至最小。换句话说，工厂和其设备安装场所的大部分应该为2区或非危险场所［2］。因此，以“nL”能量限制技术为代表的2区防爆技术越来越受到重视。

1.2 系统配置

“nL”能量限制防爆系统简称“限能回路”，由限能设备、电缆及关联限能设备组成。系统回路以关联限能设备为界，分为限制能量电路和非限制能量电路。从关联限能设备通过电缆连接到现场限能设备所构成的电路为限制能量回路；从关联限能设备到DCS控制器及到供电电源的电路为非限制能量回路，其基本配置如图1所示。

图1 典型限能回路基本配置

1.2.1 限能设备

从现场设备的储能元件角度考虑，对处于气体爆炸危险2区中的现场设备按照限制能量设备要求设计，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，以保证该设备正常工作时不会产生由火花和热源引起的点燃。限能设备的外壳材料、机械强度、外壳防护等级、电气间隙、爬电距离和电缆引入等制造和试验必须符合GB3836的要求。限能性能的主要参数是在正常状态下的最高输入电压（Ui）、最大输入电流（Ii）、最大输入功率（Pi）及限能设备的最大内部等效电容（Ci）和等效电感（Li）。

1.2.2 连接电缆

由于连接电缆存在分布电容和分布电感，连接电缆成为储能元件。一旦当线路出现开路或短路时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响系统的防爆性能。特别是在距离较远情况下，需要考虑电缆分布参数和限制配线长度。表征连接电缆限能性能的基本参数是电缆最大允许分布电容（Cc）和电感（Lc），其关系如下：

式中：Ck——电缆的单位长度分布电容；Lk——电缆的单位长度分布电感；L——实际配线长度。

1.2.3 关联限能设备

关联限能设备一般安装在安全区，连接在限能电路与非限能电路之间，其作用是在系统处于正常工作状态下，能够将从安全场所的非限能回路传到危险场所的限能设备的能量抑制在点火极限（最小点燃能量）以下。表征关联限能设备限能的基本参数有：最高输出电压（Uo）、最大输出电流（Io）、最大输出功率（Po）、允许的最大外部电容（Co）、允许的最大外部电感（Lo）。最典型的关联限能设备就是安全栅。目前，有些DCS厂商的I／O卡件已经获得“Ex nL”认证，即I／O卡件担当关联限能设备的功能，回路无需另外设置安全栅，大大节省了成本。

1.3 能量限制防爆系统的评定

类似于本质安全防爆系统，限能防爆系统也是系统概念，需要对由限能设备、电缆及关联限能设备组成的回路进行评定。根据现行GB3836.8—2003《爆炸性气体环境用电气设备第8部分：“n”型电气设备》规定，能量限制技术是以本质安全原理为依据的，其评定和试验方法都采用本安防爆标准GB3836.4中的相关规定［3］。GB3836.4标准在2000版之后已采纳“参量认可”评定方式。同理，采用限能回路“参量认可”评定方法时，使用者只需比较限能设备、关联限能设备和电缆的安全参数匹配。当它们满足表1中的5个不等式时，就可构成限能回路。

表1 限能回路评定计算的5个不等式

2 “nL”能量限制防爆技术的性能及注意事项

2.1 技术特点

a）它是仅限于应用在爆炸性气体危险场所2区的电气设备防爆型式。

b）电路与结构设计方面的限能措施，如限制电压、限制电流、限制能量（含电容和电感储能元件）、结构及电路的分隔措施、合理选择元器件额定参数和载流导线截面等。

c）基于本质安全防爆原理，本质安全最小点燃曲线是电路设计和评定的主要依据。但仅在设备正常运行情况下对电路进行火花点燃试验和评定，并且施加1.0倍安全系数。

d）设备的温度组别由电路、元器件，甚至导线的表面温度确定。

e）“nL”型限能设备是Ⅱ类电气设备，根据使用场所的可燃性气体不同，按最大试验安全间隙和最小点燃电流比分成ⅡA，ⅡB，ⅡC三级。电气设备的最高表面温度分组相同于可燃性气体的自然温度分组（分成T1～T6，共6组）。

2.2 优 点

a）限能技术是一种低功率设计技术，它能很好地适合于工业自动化仪表。

b）可靠性高，已被欧洲多年实践证明安全的2区防爆技术，在国内一些大型石化项目中得到了成功应用。

c）应用区域广泛。除了通风不良的区域，化工装置的爆炸危险区域大部分被定义为2区，并且比例仍呈增长趋势。

d）经济性好。设备制造工艺简单、体积小、质量轻、造价低，并可避免2区用设备高选的问题。

e）可带电操作与维护，可有效避免人员触电伤亡事故发生。

f）应用成本低，使用具有（Ex nL）认证的DCS输入输出卡件可省去安全栅，机柜数量亦可大幅减少。

2.3 注意事项

a）只要安全参数匹配，本安设备可直接作为限能设备，用于“nL”回路。但要求设备外壳具有IP54的外壳防护等级和承受7J的机械冲击的能力。

b）限制能量回路仅能保证设备在正常情况下的安全性能，在故障条件下设备可能受到不利于设备原有限能性能保持的高电压和／或大电流的冲击。因此，被用于限制能量回路的本安设备，应赋予适当标识，以明示其实际用途，且本安设备一旦用于限制能量回路，严禁再用于本质安全回路，这对业主的防爆管理水平有较高要求。

c）限制能量电路和其他电路之间（包括本安回路）应相互分开走线。建议限制能量电路使用灰色电缆，并在相关的用户文件中予以说明。

3 “nL”能量限制技术与本安防爆技术的异同

限能技术和本安防爆技术的原理是相同的，都是以抑制点火源能量为防爆手段的安全技术；回路的基本配置和认证方法相同。但在产品应用和制造标准上存在很多差异，主要体现在：

a）应用区域不同。“nL”限能技术仅应用在爆炸性气体危险场所2区的技术；本安防爆技术“ib”保护等级可应用于2区和1区危险场所，“ia”保护等级可应用于2区、1区和0区危险场所。

b）安全级别不同。“ia”是指在正常工作和1个计数故障及2个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。“ib”是指在正常工作和1个计数故障情况下不能点燃爆炸性气体混合物。而“nL”能量限制技术只需满足电路在正常工作情况下可能产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物即可。

c）安全系数不同。安全系数是指最小点燃电流（或电压、能量）与本安电路的电流（或电压、能量）相比的倍数。通常，安全系数施加在电路的电流或电压上。不同保护等级对安全系数的要求见表2所列。

表2 安全系数要求

d）设备的电气间隙、爬电距离和间距等制造要求不同。“ia”和“ib”保护等级的要求比“nL”保护等级高。

e）设备外壳防护等级要求不同。“ia”和“ib”保护等级要求外壳防护等级不低于IP20；“nL”保护等级要求外壳防护等级不低于IP54。

f）电缆颜色不同。“ia”和“ib”保护等级使用天蓝色电缆；“nL”保护等级建议用灰色电缆，不仅要与其他非本安电路分开布线，而且也应与本安电路分开布线。

g）同类型的设备，限能型和本安型的防爆认证参数不同。和本安型设备相比，现场限能设备允许接受的能量高于本安型设备。具体防爆认证参数见表3所列。

表3 限能型和本安型现场设备防爆认证参数比较

4 限能技术在现场总线系统中的应用

现场总线系统防爆认证以“参量认可”为基础，并发展为现场总线本质安全概念，即FISCO（Fieldbus Intrinsically Safe Concept）。伴随着“nL”能量限制防爆技术标准规范的日趋完善和在2区的推广应用，使之开始在现场总线产品及其系统中得到广泛应用。特别是2008年经修订后推出的IEC 60079－27《爆炸性气体环境用电气设备第27部分：现场总线本质安全概念（FISCO）》标准，在其原有的FISCO概念基础上，增加了适用于能量限制技术“nL”的FNICO（Fieldbus Non－Incendive Concept）概念，并系统描述了FNICO概念的系统配置和安全参数设计要求。

本安现场总线系统与传统本安系统的最大区别：本安现场总线系统中具有多台本安现场总线设备，即具有“多负载”特征，并要求满足“可互换性”和“可互操作性”的要求。2区“nL”型限能防爆技术基于本安防爆原理，并且只需考虑正常工作情况，“nL”供电电源允许有更大的输出参数，相应的允许挂接的负载数更多。因此，基于限能技术的FNICO概念将允许FNICO现场总线系统具有更大的安全参数，这一点更加体现出现场总线系统“多负载”的特征。

FNICO的系统配置要求及其安全评定准则与FISCO概念基本一致。原则上，构成FNICO系统的所有设备（包括供电电源、现场设备、终端器和电缆）均应满足上述规定要求，并取得防爆检验机构的认证。并且，虽未经FNICO认证，但被认证为符合FISCO系统要求的设备，或被认证为符合GB 3836.4的本安设备，或被认证为符合GB 3836.8的“nL”限能型现场设备，只要其认证的安全参数满足Ui≥17.5V，Li≤20μH和Ci≤5nF的要求，都可用于FNICO系统。这一点最大程度地体现了“可互换性”和“可互操作性”的要求，但要特别注意确保这些被用于FNICO系统的本安设备不再应用于本安系统。并且，FNICO系统不仅要与其他非本安电路分开布线，而且也应与本安电路分开布线，并建议采用灰色电缆或灰色套管。

5 限能和本安防爆技术的最新发展

GB 3836《爆炸性气体环境用电气设备》系列标准直接等同采用IEC 60079系列标准。近年来，IEC 60079系列标准更新很快，尤其在本安防爆领域，引入了很多新概念。2010年8月，中国根据IEC 60079系列标准的最新变化发布了2010版GB 3836系列标准，并于2011年8月开始实施。和GB 3836 2000版标准相比，该次修订在限能和本安防爆领域的主要变化有：

a）GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备 通用要求》中，标准名称将“爆炸性气体环境”修改为“爆炸性环境”；将爆炸性粉尘环境的要求并入该部分；设备分类增加了Ⅲ类（爆炸性粉尘环境用电气设备）；增加了设备保护级别（EPL）；将“n”型电气设备纳入通用要求，即首先要符合通用要求的规定［4］。

b）GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的显著变化是增加了“ic”保护等级（即“n”型中的“nL”）。“ic”保护等级仅用于2区场所［5］。

c）GB 3836.19—2010《爆炸性环境第19部分现场总线本质安全概念（FISCO）》中，该部分与IEC 60079－27：2008相比，用“ic”等级FISCO系统的要求取代了FNICO的要求。“ic”等级FISCO系统用于2区场所。IEC 60079－27：2005标准引入了FNICO概念，涉及在2区用“nL”限能型概念的现场总线概念。GB 3836.19—2010标准用“ic”概念代替了限能概念，但允许继续使用FNICO和“nL”设备［6］。

从以上标准变化可以看出，GB 3836标准和IEC标准都已经正式将“nL”型限能防爆技术定义为第三种本安防爆保护类型，即“ic”保护等级，并且技术要求等同于“nL”型设备。同时，标准规定允许继续使用“nL”和FNICO设备。可以看出，在今后相当长的一段时间内，“ic”型和“nL”型设备会同时存在。但从长远来看，最终“nL”型会被“ic”型取代。

6 应用与实践

“十五”期间，数个中外合资的年产百万吨级的超大型一体化联合石化装置陆续引进中国，扬子石化－巴斯夫有限责任公司的IPS项目就是其中有代表性的项目。在此项目中，2区应用了“nL”能量限制防爆技术，这也是限能防爆技术首次在国内大型石化项目的成功应用。此后，德国巴斯夫集团在上海投资的IIP项目同样采用“nL”能量限制防爆技术。这两个项目DCS都采用Emerson公司的DeltaV系统，其DI，AI和AO卡件都取得“nL”认证，可直接连接现场限能仪表，应用于2区，省去大量的安全栅和机柜，经济效益显著。扬巴公司自2005年投入商业运行以来，从未发生爆炸安全事故，再次验证了在2区使用“nL”能量限制防爆技术是安全可靠的。

在实际应用中也遇到些问题，主要体现在：

a）防爆认证问题。目前国外主流仪表厂商（如E＋H，Emerson等）的现场仪表都已取得Ex nL认证，但国内仪表厂商对“nL”限能技术认知程度低，取证较少。虽然，本安仪表如通过回路评估可应用于“nL”回路，但同时又带来防爆管理方面的问题。“nL”限能技术有待进一步推广。

b）“nL”回路电缆采用灰色电缆，并且需要与本安电缆和其他非本安电缆分开布线，给工程应用带来不便。此问题在“ic”保护等级回路中有望得到解决。

7 结束语

随着欧洲和国内对2区防爆技术的长期探索和实践，“nL”型限能防爆技术已经逐渐成熟。其具有可靠性、实用性、经济性等多方面的优势，值得在工程界推广应用。

［1］ 徐建平.工业防爆技术与产品认证体系［J］.化工自动化及仪表，2007（04）：1－8.

［2］ 国家质量技术监督局.GB3836.14—2000爆炸性气体环境用电气设备第14部分：危险场所分类［S］.北京：中国标准出版社，2000.

［3］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB3836.8—2003爆炸性气体环境用电气设备第8部分：“n”型电气设备［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［4］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 3836.1—2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［5］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 3836.4—2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［6］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 3836.19—2010爆炸性环境第19部分现场总线本质安全概念（FISCO）［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［7］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 3836.18—2010爆炸性环境第18部分：本质安全系统［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［8］ IEC.IEC60079－15：2005Electrical Apparatus for Explosive Gas Atmospheres－Part 15：Construction，Test and Marking of Type of Protection“n”Electrical apparatus［S］.International Electrotechnical Commission，2005.

［9］ 王珍.本质安全仪表回路设计方法探讨［J］.石油化工自动化，2009，45（04）：65－70.

［10］ 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册［M］.3版.北京：化学工业出版社，2000：1087－1099.