本質(zhì)安全電路校核方法

本質(zhì)安全電路校核方法崔艷【摘要】根據(jù)本質(zhì)安全電路計(jì)算在安全生產(chǎn)中的重要性及中國(guó)船級(jí)社(ChinaClassificationSociety，CCS)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2015修改通報(bào)新增本質(zhì)安全電路校核資料的送審要求，介紹本質(zhì)安全電路的各組成部分及本質(zhì)安全參數(shù)的基本概念，重點(diǎn)對(duì)只有一個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路和含有多個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路的校核方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，推導(dǎo)出本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)中允許使用電纜最大長(zhǎng)度的計(jì)算公式，總結(jié)各類船舶上可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路類型。通過實(shí)例闡明本質(zhì)安全電路校核資料中應(yīng)包含的參數(shù)內(nèi)容及校核結(jié)論。%InconsiderationoftheimportanceofcalibrationforintrinsicallysafecircuitintheproductionsafetyandthenewrequirementsforthedocumentationtobesubmittedfortheapprovalofintrinsicallysafecircuitsaccordingtoChinaClassificationSociety(CCS)RULESFORCLASSFICATIONOFSEA-GOINGSTEELSHIPS2015,thispaperpresentsthecomponentsofintrinsicallysafecircuitandintroducesthebasicconceptofintrinsicallysafeparameters;thendescribesthedetailsoftheverificationmethodfortheintrinsicallysafecircuitbothwithonlyoneassociatedapparatusandwithmorethanoneassociatedapparatus;deducesthecalculationformulaofthelongestlengthpermittedforcablesandsummarizesthepossibleintrinsicallysafecircuittypesondifferentships.Examplesaregiventoshowwhatparametercontentsandconclusionsshouldbeincludedintheintrinsicallysafecircuitprofile.【期刊名稱】《船舶與海洋工程》【年（卷），期】2016（032）004【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)（P33-39）【關(guān)鍵詞】本安參數(shù);本質(zhì)安全電路核查;本安電纜【作者】崔艷【作者單位】中國(guó)船級(jí)社規(guī)范與技術(shù)中心，上海200135【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U665.12本質(zhì)安全電路是指在規(guī)定的試驗(yàn)條件下（包括在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)），所產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。其防爆基本原理是通過限制電氣設(shè)備和電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施（如降低電源電壓、減小電路電流、采用適當(dāng)?shù)碾姎庠捌鋮?shù)等）來限制電路的火花放電能量和熱能。本質(zhì)安全電路中包括現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備和連接電纜等。如果沒有經(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)證或沒有在設(shè)計(jì)時(shí)控制整個(gè)本質(zhì)安全電路相應(yīng)的參數(shù)（如儲(chǔ)能元件參數(shù)電感和電容等），或者減小電路電流和電壓，即使使用了經(jīng)過認(rèn)可的合格本安設(shè)備，在實(shí)際使用過程中仍會(huì)有必30%的回路存在安全隱患。為確保船舶本質(zhì)安全電路的安全，中國(guó)船級(jí)社（ChinaClassificationSociety,CCS）《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2015修改通報(bào)［1］中增加了本質(zhì)安全電路校核的送審要求。本質(zhì)安全回路通常由3部分組成：①危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備；②本安電纜；③安全區(qū)域的關(guān)聯(lián)設(shè)備（見圖1）。1.1現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備主要分為本質(zhì)安全型設(shè)備（即非簡(jiǎn)單設(shè)備）和簡(jiǎn)單設(shè)備。本質(zhì)安全型設(shè)備是指具有儲(chǔ)能元件，經(jīng)過防爆認(rèn)證，在其內(nèi)部的所有電路都是本質(zhì)安全電路的電氣設(shè)備。IEC60079-14-2007標(biāo)準(zhǔn)［2］規(guī)定，簡(jiǎn)單設(shè)備是指電氣參數(shù)符合電路本質(zhì)安全性能的電氣元件或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的元件組合，無(wú)需經(jīng)過防爆認(rèn)證，無(wú)需用限壓和/或限流和/或其他抑制器件來獲得本質(zhì)安全性能。下列設(shè)備可認(rèn)為是簡(jiǎn)單設(shè)備：①無(wú)源元器件，例如開關(guān)、接線盒、電阻和簡(jiǎn)單半導(dǎo)體裝置；②具有明確參數(shù)的儲(chǔ)能元件，如電容器或電感器，且其設(shè)計(jì)參數(shù)能保證系統(tǒng)的全面安全性；③產(chǎn)生能量的有源元器件，如熱電偶、光電池，其產(chǎn)生的能量電壓＜1.5V,電流＜100mA,且功率＜25mW。在本質(zhì)安全電路校核時(shí)應(yīng)考慮這些元器件的電容和電感。1.2本安電纜關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備之間的電纜為本安電纜，電纜存在儲(chǔ)能的分布電容和分布電感，在電纜發(fā)生故障時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，一定程度上有增加點(diǎn)燃的危險(xiǎn)性，影響系統(tǒng)的本安性能。1.3關(guān)聯(lián)設(shè)備安裝在本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路間，且結(jié)構(gòu)使非本質(zhì)安全電路不能對(duì)本質(zhì)安全電路產(chǎn)生不利影響的電氣設(shè)備即為關(guān)聯(lián)設(shè)備，一般安裝在安全區(qū)內(nèi)。安全柵是本質(zhì)安全電路中最常用的關(guān)聯(lián)設(shè)備，一般分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。由于齊納式安全柵的安裝位置必須有非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)，且電源的波動(dòng)對(duì)其影響較大，而隔離式安全柵無(wú)需系統(tǒng)接地回路，且能夠接受并處理熱電偶、熱電阻及頻率等信號(hào)，因此隔離式安全柵已逐漸取代齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)際上對(duì)本質(zhì)安全型防爆系統(tǒng)的檢驗(yàn)認(rèn)證方法主要有系統(tǒng)認(rèn)可和參量認(rèn)可。系統(tǒng)認(rèn)可除了需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備分別認(rèn)證外，還需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備和系統(tǒng)中使用的電纜按特定組合進(jìn)行認(rèn)證。這種認(rèn)證方法中組合配套關(guān)系明確，整體防爆性能容易保證，但在現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備和安全柵種類較多的情況下，認(rèn)證程序比較繁瑣，且組合靈活性差。因此，國(guó)外更普遍采用參量認(rèn)證方法，即對(duì)單臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備或關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)，用戶可根據(jù)需要自行組合。上述安全參數(shù)包括了現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的參數(shù)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的參數(shù)，依據(jù)IEC60079-14-2007出版物《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備：第14部分》，這些參數(shù)的定義如下。2.1現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的參數(shù)1） 最高輸入電壓（Ui）——施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓（交流峰值或直流）；2） 最大輸入電流（Ii）——施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最大電流（交流峰值或直流）；3） 最大輸入功率（Pi）——當(dāng)電氣設(shè)備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時(shí)，可能在電氣設(shè)備內(nèi)部消耗的本質(zhì)安全電路的最大輸入功率；4） 最大內(nèi)部電容（Ci）——通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電容;5） 最大內(nèi)部電感（Li）——通過電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電感。2.2關(guān)聯(lián)設(shè)備的參數(shù)1） 最高輸出電壓（Uo）——在開路條件下，設(shè)備連接裝置施加電壓達(dá)到最高電壓時(shí)，可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路的最高輸出電壓（交流峰值或直流）；2） 最大輸出電流（Io）——來自電氣設(shè)備連接裝置的本質(zhì)安全電路的最大電流（交流峰值或直流）；3） 最大輸出功率（Po）——能從電氣設(shè)備獲得的本質(zhì)安全電路的最大功率；4） 最大外部電容（Co）——可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路最大電容；5） 最大外部電感（Lo）——可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路最大電感。3.1僅有一個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路在設(shè)計(jì)僅含有一個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安系統(tǒng)時(shí)，如需組合不同廠家生產(chǎn)未經(jīng)過系統(tǒng)認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備，應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的防爆等級(jí)不能高于關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆等級(jí)，且應(yīng)采用參量認(rèn)證法。通過比較現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安參數(shù)，若滿足表1的匹配關(guān)系，則無(wú)需再通過試驗(yàn)認(rèn)證就可認(rèn)定其已構(gòu)成本安系統(tǒng)。根據(jù)IEC60079-14-2007中“12.2.5.2”條第5段規(guī)定，如果本質(zhì)安全電路中總分布電感和總分布電容同時(shí)＞1%L。和＞1%C。，計(jì)算時(shí)Lo和Co應(yīng)按照表1第6和第7行的匹配關(guān)系進(jìn)行核查，且表1注③提及的比較L/R值的方法不適用于這種情況。船舶設(shè)計(jì)階段電纜的長(zhǎng)度無(wú)法精確確定，若關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)已確定，則可首先根據(jù)關(guān)系式倒推出電纜最大允許分布電容和電纜最大允許分布電感，然后分別計(jì)算出電纜的最大允許長(zhǎng)度并取小者，計(jì)算式為根據(jù)表1的匹配關(guān)系可知，設(shè)計(jì)單位在送審本質(zhì)安全電路校核計(jì)算書時(shí)，應(yīng)在計(jì)算書中提供現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備參數(shù)、電纜參數(shù)及關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)，這些參數(shù)可從設(shè)備合格證書、設(shè)備標(biāo)志和說明書中獲得。計(jì)算書中提供的本安參數(shù)應(yīng)與實(shí)船一致并需得到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師的認(rèn)可?，F(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備如為簡(jiǎn)單設(shè)備中的儲(chǔ)能元件或有電容/電感的有源元器件，也應(yīng)采用上述參量認(rèn)證的方法核查。3.2含有多個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本質(zhì)安全電路如果本安回路包含2個(gè)或2個(gè)以上關(guān)聯(lián)設(shè)備，則系統(tǒng)的安全性校核方法比較復(fù)雜，具有線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備可進(jìn)行理論計(jì)算校核，而非線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備需根據(jù)IEC60079-11-2006《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備：第11部分本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》［3］第10.1條進(jìn)行火花點(diǎn)燃試驗(yàn)。線性電流/電壓特性的關(guān)聯(lián)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)可通過以下方法來獲得，確定參數(shù)后再根據(jù)表1中的匹配關(guān)系進(jìn)行校核。1） 按照關(guān)聯(lián)設(shè)備規(guī)定的Uo和Io值，確定在故障情況下本質(zhì)安全電路系統(tǒng)的最大電壓和電流。一般考慮以下3個(gè)因素。（1） 僅電壓相加（見圖2）。在關(guān)聯(lián)設(shè)備串聯(lián)時(shí)，本質(zhì)安全電路與非本安電路電氣隔離情況下，僅需考慮電壓相加，無(wú)需考慮電路極性。此時(shí)本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：（2） 僅電流相加（見圖3）。電源兩極并聯(lián)情況下，電流相加是必需的，此時(shí)本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：（3） 電壓相加并且電流相加（見圖4）。在這種連接方式下，取決于不同的故障情況，關(guān)聯(lián)設(shè)備任何電極間均可能相連，此時(shí)關(guān)聯(lián)設(shè)備可能會(huì)串聯(lián)，也可能會(huì)并聯(lián)。因此，應(yīng)該分別考慮關(guān)聯(lián)設(shè)備串聯(lián)（僅電壓相加）及并聯(lián)（僅電流相加）2種情況下的本安系統(tǒng)最大電壓和電流。此時(shí)本質(zhì)安全電路系統(tǒng)最大電壓和電流分別為：2） 檢查系統(tǒng)最大電流Io乘以1.5倍安全系數(shù)是否超過電阻電路引燃曲線（見圖5）中對(duì)應(yīng)系統(tǒng)最高電壓Uo、相應(yīng)設(shè)備類別得出的電流值，或者通過查詢IEC60079-11附錄A表A1“電壓和設(shè)備級(jí)別相對(duì)應(yīng)的允許短路電流”進(jìn)行上述核查。3） 最大允許電感Lo，可根據(jù)IEC60079-11中相應(yīng)設(shè)備組別對(duì)應(yīng)的電感引燃曲線（見圖6），由系統(tǒng)最大電流乘以1.5倍安全系數(shù)得出。4） 最大允許電容Co,可根據(jù)IEC60079-11附錄A圖A2"C+0Q”引燃曲線或“II類電容電路引燃曲線”（見圖7）,由系統(tǒng)最大電壓乘以1.5倍安全系數(shù)得出；或者也可通過查詢IEC60079-11附錄A表A2“電壓和氣體級(jí)別相對(duì)應(yīng)的允許電容”得出。根據(jù)船上危險(xiǎn)區(qū)域存在情況，船舶主要可分為以下幾類。（1）普通干貨船和客船等。由于不運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物，船上危險(xiǎn)區(qū)域主要是油漆間、蓄電池室和乙炔間等，這些危險(xiǎn)區(qū)域?qū)﹄姎庠O(shè)備的防爆要求未局限為本安型，因此這些船上本質(zhì)安全電路較少，一般出現(xiàn)在固定式探火和滅火系統(tǒng)中，還有部分加熱溫度超過規(guī)定值的燃油艙內(nèi)也只能安裝本質(zhì)安全型設(shè)備，如溫度傳感器、液位傳感器等。（2） 運(yùn)輸帶包裝的危險(xiǎn)貨物或散裝固體危險(xiǎn)貨物的船舶，如散貨船、集裝箱船、滾裝船等。除上述（1）中涉及的本質(zhì)安全電路外，在貨艙進(jìn)水探測(cè)系統(tǒng)（針對(duì)散貨船）安裝在貨艙內(nèi)的電路部分應(yīng)為本質(zhì)安全電路。（3） 液貨船（如油船、化學(xué)品船及液化氣體船等）。根據(jù)IEC60092-502-1999《船舶電氣設(shè)備-第502部分液貨船特殊要求》［4］的規(guī)定，0類危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)只能安裝“ia”本質(zhì)安全型設(shè)備和“ia”等級(jí)本質(zhì)安全電路內(nèi)包含的簡(jiǎn)單電氣設(shè)備和元件，因此液貨船比其他船型增加很多本質(zhì)安全電路（如液貨艙的液位、壓力及溫度等測(cè)量系統(tǒng)），而可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器一般也采用本質(zhì)安全型設(shè)備。（4）雙燃料或單一氣體燃料推進(jìn)船舶。近年來很多船舶采用雙燃料（柴油、天然氣）或單一氣體燃料推進(jìn)方式，根據(jù)《船上天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)裝置安全暫行指南》（IGF）以及CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》［5］相關(guān)規(guī)定，這些船上也存在0類危險(xiǎn)區(qū)，這些區(qū)域內(nèi)只能安裝“ia”本質(zhì)安全型設(shè)備和“ia”等級(jí)本質(zhì)安全電路內(nèi)包含的簡(jiǎn)單電氣設(shè)備和元件，如燃料氣罐的液位、壓力及溫度等測(cè)量系統(tǒng)。上述船舶上的本質(zhì)安全電路，除非整個(gè)本安回路得到了整體認(rèn)證，所有的本安回路均應(yīng)采用參數(shù)認(rèn)證方法逐一進(jìn)行本安計(jì)算校核。1）船舶上的一個(gè)本安電路通常只有一個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備，以某液貨船貨艙內(nèi)高液位開關(guān)為例，安全柵裝在主甲板安全區(qū)域儲(chǔ)藏室內(nèi)。本安回路見圖8，本安參數(shù)見表2。根據(jù)表2可知，1%Lo>Li+Lc,1%Co>Ci+Cc，因此不用滿足表1第6行和7行匹配關(guān)系。按照表1中第1~5行匹配關(guān)系核算，得出表3所示結(jié)果。本安電纜最大長(zhǎng)度按以下公式計(jì)算，兩者取小者：（1）lmax1=（Co-Ci）/Ck=6000m;(2)lmax2=(Lo-Li)Lk=2213m。通過上述核算，該條電路可認(rèn)定為本質(zhì)安全電路，且本安電纜長(zhǎng)度應(yīng)<2213mo2)船舶上固定式探火和失火報(bào)警系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)防爆隔離柵連接一只本安探測(cè)器和一只手動(dòng)報(bào)警按鈕(或另一只本安探測(cè)器)的本安回路設(shè)計(jì)。舉例如下，本安回路見圖9，本安參數(shù)見表4。該案例中，手動(dòng)報(bào)警按鈕和火災(zāi)探測(cè)器并聯(lián)