在石油、石化等過程行業中，可能出現潛在的爆炸性環境，在實踐中必須對系統中的現場相關設備采取相應的防爆措施。自控儀表設備采用的防爆技術主要有：本安(Ex i)、隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)等各類型。在眾多的防爆技術中，本安防爆技術作為一種以抑制點火源能量為防爆手段的安全技術，以其結構簡單、體積小、質量輕，可帶電維護、標定和更換零件等優點，目前在各個行業的工程項目中已得到了廣泛應用。
在某化工項目中業主提出：根據以往的項目經驗，如果沒有對本安回路進行嚴格的計算，在生產過程中仍然會有30%左右的回路存在安全隱患。即使目前國內對本安計算無特殊要求，業主仍要求在項目設計過程中對每條本安回路進行嚴格的本安回路計算，本安回路計算的依據是國際電工委員會IEC 60079-14:2007的相關規定。
本安回路設計基本要求：通過控制電路的電參數(如減小電感和電容等儲能元件參數)，或降低電路電流和電壓，使電路達到本安防爆要求；電路中元器件要有足夠的功率，連接導線應具有足夠截面，以使電路在各種故障條件下可能產生的高電壓和大電流不會破壞元件性能，通過元件的可靠性來保證電路的可靠性。這就要求對本安回路中相應的電氣元件參數進行計算，即本安回路計算，以達到相關安全規范的要求，使安全生產更有保證。
1、本安防爆技術簡介
本安防爆技術的基本原理是以限制能量的原則達到防爆的目的，本安技術在回路正常或異常情況下，可靠地將電路中的能量限制在一個允許的范圍內，以保證電氣設備發生短路、元器件損壞等情況下，不至于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。
本質安全防爆系統簡稱本安回路系統，由三部分組成：現場本安設備、本安電纜及關聯設備，如圖1所示。系統回路以安全柵為界分為本質安全電路和非本質安全電路。從安全柵通過本安電纜連接到現場儀表所構成的電路為本安電路；從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本安回路。
圖1 典型本安回路示意
①現場本安設備
◆簡單設備
按照規范 IEC60079-14[ 3.5.2]規定，無源元器件，例如開關、接線箱、電阻以及簡單半導體元器件可視為簡單設備；對于儲能有源元器件例如電容、電感，當其設計參數能保證系統的全面安全時可被視為簡單設備；對于產生能量的有源元器件，例如熱電偶、光電池，當其產生的能量電壓不超過1.5V，電流不超過100mA，且功率不超過25mW的電氣設備，這樣的電氣設備可視為簡單設備。它們無需防爆認證，可以自由地配置在本安回路中。
◆本安設備
具有儲能元件，需要防爆認證的本安電氣設備，如變送器、接近開關等。
②本安電纜
儀表與控制室之間的連接電纜存在一定數量的分布電容和分布電感，特別是距離較遠或儀表的設計參數接近本質安全所容許的最大值情況下，就需要考慮分布參數和限制配線長度。這是因為分布電感和分布電容都是儲能的，在電纜發生故障時，這些儲能就會以電火花或熱效應的形式釋放出來，不同程度上有增加點燃的危險性，影響系統的本安性能。
電纜最大允許分布電容：Cc=Ck×L
電纜最大允許分布電感：Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長度分布電容；Lk為電纜單位長度分布電感；L為實際配線長度。
③關聯設備(安全柵)
安全柵是本質安全防爆儀表系統中最常用的 關聯設備, 它連接在本安電路與非本安電路之間, 其作用是限制電流和電壓, 不使危險能量竄入到本安電路中去，以確保本質安全電路的安全性能。安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類，目前齊納式安全柵已逐步被隔離式安全柵替代。
2、本質安全型防爆儀表系統的認證方法
目前，國際上各檢驗機構對本質安全型防爆儀表系統的檢驗認證方法有3種：系統認可、參量認可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)認可。
①系統認可
系統認可也稱“ 聯合取證”，是指把被檢驗的指定本安儀表和被檢驗的指定關聯設備相組合所構成的系統進行認可。一經認可后，系統中任一設備不能用未經檢驗機構按這種組合方式檢驗認可過的任何其他型號、規格的本安設備(儀表)或關聯設備代用。
目前中國檢驗機構認可的方法主要是系統認可，但是這種認證方法在本安儀表和安全柵種類較多的情況下，認證程序較為繁瑣，已經不太適用于現在的工業設計。
②參量認可
在國外的項目中較多使用的是參量認證。參量認可是指對單臺設備(本安儀表或關聯設備)進行的檢驗認可，并給出一組相應的安全參數。通常，采用這種方法認可的本安設備可以與具有相兼容的安全參數的關聯設備連接使用。美國FM(工廠聯研會)把這種認可方法稱為“ 整體認可”， 把相應的安全參數稱為“ 整體參數”。這些參數包括以下內容：
◆本安設備的整體參數
Ui為在故障條件下，本安設備最大可接受的電壓；Ii為在故障條件下，本安設備最大可接受的電流；Ci為本安設備內部未被保護的電容；Li為本安設備內部未被保護的電感。
◆關聯設備的整體參數 :
Uo—為開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電壓，Io—為短路電流，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電流；Co—關聯設備允許外接最大電容；Lo—為關聯設備允許外接最大電感。
采用參量認可，用戶在進行本安系統設計時，只需比較關聯設備和本安設備的整體參數。當它們滿足下列關系式時，不必經檢驗機構認可，就可構成本安系統。
安全柵、本安儀表、電纜的安全參數匹配，要滿足表1中的5個不等式：
表1 簡單本安回路計算的5個不等式
注:∑Lc和∑Cc—為連接電纜分布電容和分布電感。
參量認可是目前國外項目使用較廣泛的認證方法，也已經被中國國家級儀器儀表安全監督站所認可，表1的5個不等式是核算本安回路是否符合規范要求的關鍵。
③FISCO認可
FISCO即所謂的現場總線本質安全概念，該模型是由德國PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)開發的，FISCO使得Profibus-PA以本質安全防爆方式安裝，應用在Ex區中成為可能。FISCO適用于EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明，掛接于Profibus-PA分段上的現場儀表數量只受段耦合器電力特性的限制，每段可掛接的現場儀表數量達到了最大值，分段可以在FISCO的限制內擴充，但無須重新進行本安核算。不同生產廠家的現場儀表可以互換，無須再進行本安核算，但替換的儀表必須是經過FISCO認證的。尤其重要的一點是無須系統認證，只需對一些主要參數的匹配進行驗證即可。
FISCO認證受以下條件的限制。
a)每段只允許一個供電電源。
b)所有站必須符合FISCO模型并經驗證合格。
c)電纜長度不得超過1000m(防爆類型ia)/1900m(防爆類型ib)。
d)電纜參教必須滿足以下值:R′=15～150Ω/km，L′=0.4～1mH/km，C′=80～200nF/km 。
e)供電裝置和現場設備的所有組合必須確保, 在故障情況下, 任何現場設備可允許的輸入變量(Ui，Ii和Pi)必須超過相關供電裝置的最大可能和認可的輸出變量(Uo，Io，Po；在美國為：Vmax，I max，Pmax)。
3、本安回路計算
IEC 60079-14:2007中12.2.5：“除非個本安回路得到了認證以外，所有的本安回路都應依據該規范進行本安計算”。項目業主根據以往的經驗，如果不進行本安計算，即便是選擇了本安儀表，本安電纜和與之相匹配的安全柵，仍然會有30%的回路存在著安全隱患。為降低風險，項目中所采用的本安回路均需提供相關儀表和安全柵的本安認證證書以及本安回路計算書。
①一臺關聯設備的本安回路計算
◆簡單本安回路
簡單本安回路如圖2所示。
圖2 簡單本安回路
以回路LIA+S+100.01為例計算，見表2所列。
表2 回路LIA+S+100.01的參數
對上述參數進行核算, 滿足表 1 所列 5 個不等式的要求, 故該回路通過了本安計算, 可以應用于防爆區。
◆混合本安回路
在設計中，差壓液位變送器LT100.01安裝在罐頂上，為了方便讀取數據，在地面上增加1臺就地指示儀表LI100.01，串聯在上一個回路里，如圖3所示。
圖3 混合回路LIA+S+100.01
IEC 60079-14:2007中12.2.5.2：“如果總分布電感和總分布電容同時大于1%Lo和1%Co，則計算時Lo和Co均應除以2”。這種混合回路有以下幾種情況，如圖4所示。
圖4 混合回路本安回路計算邏輯(圖注：Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2)
a)如果回路僅包括電纜的Lc和Cc，現場儀表的電感之和Li或電容之和Ci兩項均為0或其中一項為0 , 本安計算按表1中的5個不等式計算。
b)如果Ci≤1Co或者Li≤1Lo，本安計算按表1中的5個不等式計算。
c)如果同時滿足Ci＞1Co和Li＞1Lo，將不再按照表1中的電感、電容不等式計算，此時安全柵的電感、電容參數除以2參與計算，見表3所列。
表3 混合本安回路計算的5個不等式
同樣以回路LIA+S+100.01為例計算,見表4所列?；芈分写兄甘緝x表LI100.01。
表4 混合回路LIA+S+100.01參數
Li=Li1+Li2=0.73+0.04=0.77mH；Lo=4.2mH；Li＞1%Lo；Ci=Ci1+Ci2=22.5+0=22.5nF；Co=83nF；Ci＞1%Co；同時滿足兩個不等式：Li＞1Lo，Ci＞1Co，則在本安計算時按照表3中的不等式進行核算，計算結果均不能滿足Co/2≥Ci+Cc和Lo/2≥Li+Lc；故該回路沒有通過本安計算。
解決方法：將一條回路拆分成兩條單獨進系統的回路，增加一路AO輸出的安全柵，即分成兩條簡單本安回路(如圖5所示)，對兩條回路分別計算，均能通過本安計算。
圖5 將混合本安回路拆分成簡單本安回路
②復雜本安回路計算
如果本安回路包含兩個或兩個以上的關聯設備，或者是兩個或更多的本安回路聯在一起，整個本安系統應經過嚴格的理論計算或IEC標準中規定的火花試驗。
但是由于1臺安全柵串入兩個回路(如圖6)，或者一個檢測回路涉及2 臺安全柵(如圖7)的本安回路的計算方法比較復雜，最大允許電感和最大允許電容值都需要經過查尋相對應的點燃曲線才能得到，所以設計中盡量避免使用這種回路。
圖6 安全柵并聯本安回路
圖7 一個檢測點進2臺安全柵的本安回路
③本安回路中簡單設備的溫度要求
對于簡單設備而言，雖然有些文件中提到它們無需防爆認證，可以自由地配置在本安回路中。但是由于表面溫度對防爆的影響，被測介質溫度較高時，會熱傳導至儀表使電氣元件表面溫度過高，超過防爆區劃分的溫度級別，要采用延伸型儀表或者采用分體安裝的方式，使電氣設備工作在認證證書所允許的溫度范圍內。
④FF總線的本安回路的本安計算
FF現場儀表的防爆方法是以隔爆型(EEx d)防爆、本質安全型(EEx i)防爆和無火花型(EEx nL)為主，現場總線基金會從容錯安全性和帶電維護的安全性考慮，基本上推薦EEx i防爆方法。
a)本安型主干和分支，用于防爆1區，如圖8所示。這一方案是將安全柵設置在H1卡和電源配電與現場儀表之間，其優點是主干和分支都是本安的，均可帶電維護。但該方案在實際操作中往往會比較困難。其原因是由于每個網段的拓撲結構比較復雜，儀表種類多，這對于計算網段的分布電容和電感是非常困難的，尤其是分支部分的分布電容和電感更是無法計算。另外由于安全柵的限能作用，使得每個網段上所能連接的儀表數量和電纜長度都受到了很大限制。
圖8 本安型主干和分支
FF現場總線也采用了FISCO模型，簡單說就是在傳統的本安儀表認證的基礎上，增加一些適合現場總線需要的額外要求，這使得只要嚴格按照這些限制去設計每個網段，即便是增加或修改現場儀表，也不用進行復雜安全性的計算。
這種在主干和分支均為本安的方案有著明顯的不足。首先由于安全柵無法冗余，這就使安全柵成為整個網段安全性上的一個瓶頸；其次，同一個網段不允許Entity認證的現場儀表和FISCO認證的現場儀表的簡單混用，即Entity現場儀表必須掛在Entity電源上，FISCO現場儀表必須掛在FISCO電源上；第三，雖然FISCO網段可掛的儀表比Entity網段多，但也只能是6臺，網段的增加使得投資成本很高。
b)增安型主干和本安型分支，用于防爆1區。這一方案是基于現場安全柵(Fieldbarrier，EEx me[ia]IICT4)技術的發展而確立的， 其思路是將起到限能作用的安全柵從主干線的起始端移到各分支處，即雞爪接線盒內，分別對于每個現場儀表進行能量限制，從而兼容FISCO和Entity儀表，使二者可以在一個網段中混用。這種總線的本安計算只需從現場安全柵到現場儀表按照參量認證的方法即可。這種方法是目前比較實用，也越來越為更多的用戶所接受。
近年來，伴隨著中國全面加入IECEx體系，中國在防爆電氣產品試驗與認證技術方面也基本實現了國際接軌。隨著本安防爆技術在中國石油、化工等危險產業中的廣泛應用，本安防爆系統也越來越得到普遍重視。本安防爆系統的設計也有著更嚴格的規范可依據，本安計算將成為工程設計中不可缺少的工作，從而為中國快速發展的石油、化工、煤炭等爆炸危險行業的安全生產提供了更可靠的安全保障。
作者：王珍
