隔爆和本安系统防爆原理和选用原则

付奇

摘 要：本文介绍了自动化仪表系统在爆炸危险场所安全应用的防爆技术，并重点讲述了自动化仪表产品最为常用的隔爆型和本质安全型防爆技术的特点，最后阐述了冶金行业设计中对于这两者的选用原则。

关键词：本安 隔爆 安全栅

中图分类号：TD53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）0084-01

在现代化工业生产中，仪表已经不仅仅是用于正常的生产过程测量与控制，同时仪表本身还应具有安全检测和防爆功能。所以如果在设计时遇到有爆炸性气体或粉尘的场所，就必须考虑自动化仪表及其系统自身的电气防爆问题。

1 爆炸的产生条件

不论是何种形式的爆炸都必须具备3个条件才能发生。

（1）爆炸性物质：能与氧气发生化学反应的物质。包括氫气，酒精，粉尘等。（2）氧气：空气。（3）点燃源：使爆炸性物质与氧气的混合物发生化学反映的物质。包括明火、电气火花、高温、光能等。

若想防止爆炸，就要设法避免上述3个条件同时出现。但实际上许多工业现场满足爆炸条件：浓度到达爆炸极限范围内的爆炸性物质与氧气的混合物，只要出现爆炸源，就将引发爆炸。因此就必须采取必要的防爆措施。最直截了当的方法就是在生产现场避免出现可能成为点燃源的电气设备，而将其安装在安全场所，但有些实际生产现场并不具备这样的条件，必须要求仪表安装在现场使用，那么就要把仪表成为点燃源的可能性消除掉，此时，就必须采用必要的防爆措施，以避免事故的发生。

2 危险场所区域等级的划分

危险场所区域的含义，是对该地区实际存在危险可能性的量度，由此规定其可适用的防爆型式。

国际电工委员会/欧洲电工委员会划分的危险区域的等级分类：

0区（Zone 0）：连续出现或长期出现爆炸性混合物的环境。

1区（Zone 1）：正常运行时可能出现爆炸性混合物的环境；

2区（Zone 2）：正常运行时不可能出现爆炸形混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性混合物的环境。

3 仪表防爆的主要类型

防爆原理有三种：（1）间隙防爆。（2）控制点燃源能量。（3）阻止点燃源与爆炸形混合物相接处。根据不同的防爆原理，电气设备防爆形式也多种多样。在冶金行业中，自动化仪表最常用的防爆形式是本质安全型（Ex i）和隔爆型（Ex d）。下面详细说下这两种防爆类型的防爆原理和在设计中需要注意的问题。

3.1 本质安全型

本安就是通过限制点燃源的能量来实现的。这种点燃源一般是电火花和热效应。在正常工作和故障状态下，仪表产生的点燃源的能量小于这个能量时，就不可能点燃爆炸性混合物而产生爆炸。

本安防爆的原理是从限制能量入手，将电路中的电压和电流严格的限制在一个允许的范围内，并且能保证仪表在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不超过引爆周围的爆炸性气体的阀值。由于氢气环境的危险程度最高，最容易被引爆，所以规定必须将电路功率限制在1.3 W以下—— 即无法引爆氢氧混合物的功率以下。

本质安全型仪表设备按电路设计和使用危险区域不同，分为Ex ia和Ex ib。

Ex ia级本质安全仪表适用于0区、l区和2区，工作电流低于100 mA。

Ex ib级本质安全仪表仅适用于l区和2区。工作电流低于150 mA。

本质安全防爆系统由三部分组成：本质安全关联设备，本质安全电缆和现场的本质安全仪表。

关联设备是一种安装在没有爆炸性气体的安全场所，一般安装主控室的PLC柜或者仪表盘中，它是本安电气设备与非本安电气设备之间相连的电气设备，可以将传至现场本安设备（即危险场所）的能量限制在阀值内，从而确保现场不会出现可以引起爆炸的点燃源。通常包括齐纳式安全栅、隔离式安全栅和其他限制传输功率的保护装置。

本质安全电缆是一种低电容、低电感的电缆。具有更好的屏蔽性能和抗干扰性能，使信号在传输过程中不会由于电磁干扰使电路功率高于阀值。

现场本质安全仪表是指各种电路功率小于1.3W的一次检测本安仪表，通常用于危险场所。通常此类仪表是两线制仪表。

典型本安系统回路如图1所示。

3.2 隔爆型

隔爆型仪表主要是依靠物理防爆—— 即用其仪表外部的机械外壳可以承受壳内发生爆炸产生的压力，并完全阻止其内部发生的爆炸向壳外传播。其防爆原理是基于间隙防爆原理。一般情况下，在正常工作中或者故障条件下，仪表可能会产生电火花或危险高温，因此，仪表设计中通常在一个或多个满足“间隙隔爆”原理要求的机械外壳中放置相关的电气零件或者电子线路，以避免这些电气因素引起的点燃源泄漏到机械外壳外，引爆爆炸性混合物。因此，隔爆外壳的设计必须满足两个基本条件。

（1）外壳要能承受内部的爆炸压力且不被损坏。（2）接合面不传爆。即制作过程中使接合面的间隙或啮合长度必须满足一定要求，在结构上保证内部的爆炸产物不会窜出外壳成为壳外爆炸性混合物的点燃源。

国际电工委员会（IEC）规定隔爆型仪表适用于l区和2区，不能在0区使用。

在选择哪种类型的防爆仪表的时候，判断的最根本依据就是危险区域的等级，如果是0区，则必须采用本安防爆系统；如果是1区或者2区的时候，本安和隔爆系统均可满足，此时就要考虑建设成本，一般情况下，隔爆型仪表的隔爆外壳制作成本高于本安型仪表的本安电路成本，故隔爆型仪表价格远高于本安型仪表。例如在钢厂的煤气柜区，属于2区，所以选用本安和隔爆均可，但从生产成本角度来看，选用成本较低的仪表，故选用本安型仪表加安全栅的较多。

需要要注意的是选用隔爆型仪表，不需要再选用安全栅；选用本安型仪表，必须加配安全栅，否则无法构成本安回路，起不到本安效果。

4 结语

防爆技术的发展，再基础硬件设施上降低了爆炸的可能性，提高了生产安全性。随着工业自动化程度日益提高，生产规模扩大，在设计的仪表选型中，要将安全性与生产成本综合考虑，在达到安全标准的同时尽可能的减少成本，提高整个系统的安全性。从硬件上实现安全生产的目的。

参考文献

[1] 吴勤勤.控制仪表及装置[M].化学工业出版社.

[2]工业自动化仪表与系统手册[M].北京：中国电力出版社，2008（8）.