本安回路参数匹配验证

朱东利

(中建安装工程有限公司，江苏 南京 210000)

本安回路参数匹配验证

朱东利

(中建安装工程有限公司，江苏 南京 210000)

本安回路的设计理念在石化装置中已被广泛接受，但对本安回路匹配性进行验证的工程比较少，针对目前一些建设单位提出的本安回路计算要求，介绍了本安回路验算的参考标准(IEC 60079-14和GB 3836.15)、概念及基本方法。介绍了本安回路的组成及现场本安仪表、本安电缆和安全栅的作用，提出了本安回路参数匹配性验证的方法；给出了常见品牌变送器、安全栅的本安认证参数，并对其构成的简单本安回路进行匹配性验证；对比了回路内引入不同组合方式的电涌防护器对本安回路匹配性验证结果的影响。通过案例分析得出本安回路设计时的注意事项，以及需要重点注意本安回路匹配性验证的场合，供石化工程设计过程中快速判断本安回路的匹配性，减少本安回路匹配性验证工作的工作量。

本安回路； 本安电缆； 认证参数； 匹配性； 验证； 浪涌保护器； 仪表设计； 电容； 电感

0 引言

仪表本安回路广泛应用在石化装置中，部分外资建设项目对本安回路参数匹配性有计算的要求，而目前国内大部分建设项目未重视此项工作。随着国内业主方安全管理意识、专业水平的提高，以及国内工程公司业务国际化转移的趋势，本安回路计算将成为设计工作中必不可少的组成部分。

本安回路的验证方法由《Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design,selection and erection》(IEC 60079-14)提出，国内对应的标准为《爆炸性环境 第15部分：危险场所电气安装(煤矿除外)》(GB 3836.15)。

1 本安回路构成

本安回路一般由现场本安仪表、本安电缆、安全栅组成。

①现场本安仪表：在正常工作和规定的故障条件下，产生的任何火花或任何热效应应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路构成的电气设备。本安仪表本身产生的能量不足以引起爆炸，但如果外加能量超过其最大值时，将破坏其本质安全性。

②本安电缆：电缆的相邻导线、导线与屏蔽层之间都具有一定的电容，它对电路的影响等于给电路并联了一个电容器[1]；当导线内电流发生变化时，在导线周围产生磁场，变化的磁场又会在导线上产生电动势，相当于给电路串联了一个电感器。当线路发生开路或短路时，电缆中的分布电容、分布电感存储的能量会以电火花或热效应的形式释放。相对于普通电缆，本安电缆有更小的分布电容和分布电感，能够防止因电缆中存储的能量而影响系统的本安性能。

③安全栅：能够将安全场所的非本安回路传到危险场所的本安设备的能量，抑制在最小点燃能量以下。

2 本安回路计算方法

目前，本安回路验证方法有系统认可和参量认可。由于系统认可需对现场设备、电缆、安全栅进行联合认证，组合灵活性差，因此，参量认可的方式[2]更为适用。

本安回路参量认可方式中，安全栅、本安电缆、本安仪表需满足以下5个条件[3]：

(1)

式中：Uo为安全栅可输出的最大电压，V；Io为安全栅可输出的最大电流，mA；Po为安全栅可输出的最大功率，W；Co为安全栅允许外接的最大电容，μF；Lo为安全栅允许外接的最大电感，mH；Ui为本安仪表最大可接收的电压，V；Ii为本安仪表最大可接收的电流，mA；Pi为本安仪表最大可接收的功率，W；Ci为本安仪表内部总等效电容，μF；Li为本安仪表内部总等效电感，mH；∑Cc为本安电缆分布电容，μF；∑Lc为本安电缆分布电感，mH。

上述参数可从本安设备的防爆认证证书上获取。值得注意的是，IEC 60079-14规定：当本安回路现场有多个本安设备时，Ui和Li分别为所有本安设备等效电容和等效电感之和；当∑Ui>1%Uo且∑Li>1%Lo时，安全栅的Uo和Lo应除以2后再代入式(1)中进行本安回路验算[4]。

3 常见本安回路验证

本文选取常见的仪表本安回路，并以知名品牌为例，选择爆炸危险组别为IIC，进行本安回路参数匹配认证。部分知名型号现场仪表本安参数如表1所示。

表1 现场仪表本安参数

部分知名型号安全栅(一进一出模拟量输入/输出隔离安全栅)本安参数如表2所示。

表2 安全栅本安参数(IIC组别)

通过比较电压、电流和功率，可以看出百特FB8326雷达液位计Ui为26.4 V，能和辰竹的模拟量安全栅(Uo=25.4 V)配套使用，而和其他几种品牌安全栅配套使用则无法构成本安回路；ASCO 630先导式本安电磁阀(Pi=0.9 W)与MTL5521 DO安全栅(Po=0.919 W)配套使用，无法构成本安回路。

以安徽长通电缆IA-DJYVPR横截面积1.5 mm2的本安型计算机控制电缆为例，电缆分布电容Cc≤80×10-6μF/m，分布电感Lc≤0.6×10-3mH/m。由分布电容和分布电感分别计算出的本安电缆最大长度为：

(2)

(3)

取SC和SL的较小值为本安电缆的最小长度。

假设Rosement 3051与辰竹模拟量隔离式安全栅构成本安回路，将Ci=10 nF、Li=0.01 mH、Co=0.083 μF、Lo=4.2 mH代入式(2)、式(3)，得出本安电缆长度SC≤912 m、SL≤6 983 m，取二者较小值，则该本安回路电缆最长为912 m，超过此长度则本安回路验证不通过。

当采用接线箱将分支电缆汇成主干电缆时，应确定分支电缆长度后，再根据多芯电缆的Cc、Lc进行主干电缆的长度计算。

4 内含电涌防护器的本安回路验证

《石油化工仪表系统防雷设计规范》(SH/T3164-2012)5.1.2条规定：“防雷等级为一级的区域和控制室应实施仪表系统防雷工程”。图1给出了电涌防护器的本安回路。现场仪表可选择含“简单设备”的串联(或并联)型现场安装式电涌防护器，如图1(a)所示；也可选择非“简单设备”的电涌防护器，如图1(b)所示。

图1 电涌防护器的本安回路示意图

SH3164-2012 10.1.1.3规定：“同一本安线路中的现场仪表电涌防护器和控制室端电涌防护器，如果不是‘简单设备’，则应将两者的本安参数综合考虑”。而10.1.2.1条文解释：“现场仪表的电涌防护器应为本安设备，控制室的电涌防护器不是本安设备而是本安电路的关联设备”[5]。

图1(a)中的现场串联安装的CZLBX-48-S型电涌防护器，是由气体放电管、电阻和二极管组成的“简单设备”，具有不存储也不产生点火能量的特性。非简单设备的T-24-EX-L的本安认证参数为：Ui=28 V，Ii=100 mA，Pi=0.7 W，Ci=0 μF，Li=0 mH。因电涌防护器串联在本安回路内，电涌防护器的输出电气参数Uo、Io、Po、Co、Lo与配套使用的隔离安全栅认证参数一致。

图1(a)在一般本安回路内增加“简单设备”的现场安装型电涌防护器，以控制室设置的电涌防护器作为关联设备，不影响回路本安验算结果。

图1(b)的方案相当于本安回路危险区有2个本安设备，在进行本安回路验证时，需取2个本安设备的Ui、Ii、Pi中的最小值以及Ci与Li之和参与式(1)的运算。经过运算可知，图1(b)中增加2个非“简单设备”的电涌防护器不影响本安回路验算结果。

5 结束语

虽然工程实践中绝大部分本安回路参数匹配验证是可以通过的，但在本安回路设计时，应注意以下事项。

①在选用Ui<28 V现场本安设备或本安型电磁阀时，需重点验证其本安回路参数匹配性。

②当单根电缆长度超过500 m时，宜进行本安回路计算。

③应避免现场本安设备输出2路本安信号的设计，此类本安回路验算比较复杂[6]。

④对于热电阻、热电偶、开关等“简单设备”组成的本安回路，可不对其回路进行验证。

⑤多芯本安电缆应采用总屏加分屏对绞的计算机控制电缆，避免多芯电缆之间的叠加影响。敷设仪表线路时，应严格遵循规范要求，与强电线路保持一定的距离，以防止因产生感应电流而破坏本安回路的性能[7]。

[1] 杜建华,王长水.控制电缆分布电容对控制回路的影响分析及处理[J].自动化技术与应用，2010，28(9)：120-122.

[2] 李胜利.本安防爆系统设计中安全栅的选用[J].石油化工自动化，2000(1):6-7.

[3] 国家机械局.GB 3836.15 爆炸性环境 第15部分：危险场所电气安装(煤矿除外)[S].北京： 中国标准出版社,2000:26-28.

[4] IEC/SC 31J.IEC60079-14-2013 Explosive atmospheres-Part 14:Electrical installations design，selection and erection[S].瑞士：国际电工委员会，2013：56-57.

[5] 中华人民共和国工业和信息化部.SH3164-2012石油化工仪表系统防雷设计规范[S].北京：中国石化出版社，2013：15.

[6] 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(4)：65-70.

[7] 范红卫，常新宏，洪强,等.本安系统设计问题探讨[J].矿冶，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

朱东利(1987—)，男，学士，工程师，主要从事石油化工储运医药的自控设计方向的研究。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