本質安全電路校核方法

本質安全電路校核方法崔艷【摘要】根據(jù)本質安全電路計算在安全生產(chǎn)中的重要性及中國船級社(ChinaClassificationSociety，CCS)《鋼質海船入級規(guī)范》2015修改通報新增本質安全電路校核資料的送審要求，介紹本質安全電路的各組成部分及本質安全參數(shù)的基本概念，重點對只有一個關聯(lián)設備的本質安全電路和含有多個關聯(lián)設備的本質安全電路的校核方法進行詳細闡述，推導出本質安全電路設計中允許使用電纜最大長度的計算公式，總結各類船舶上可能出現(xiàn)的本質安全電路類型。通過實例闡明本質安全電路校核資料中應包含的參數(shù)內容及校核結論。%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【總頁數(shù)】7頁（P33-39）【關鍵詞】本安參數(shù);本質安全電路核查;本安電纜【作者】崔艷【作者單位】中國船級社規(guī)范與技術中心，上海200135【正文語種】中文【中圖分類】U665.12本質安全電路是指在規(guī)定的試驗條件下（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均不能點燃規(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備和電路的各種參數(shù)或采取保護措施（如降低電源電壓、減小電路電流、采用適當?shù)碾姎庠捌鋮?shù)等）來限制電路的火花放電能量和熱能。本質安全電路中包括現(xiàn)場本質安全設備、關聯(lián)設備和連接電纜等。如果沒有經(jīng)過試驗認證或沒有在設計時控制整個本質安全電路相應的參數(shù)（如儲能元件參數(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)過認可的合格本安設備，在實際使用過程中仍會有必30%的回路存在安全隱患。為確保船舶本質安全電路的安全，中國船級社（ChinaClassificationSociety,CCS）《鋼質海船入級規(guī)范》2015修改通報［1］中增加了本質安全電路校核的送審要求。本質安全回路通常由3部分組成：①危險區(qū)域內的現(xiàn)場本安設備；②本安電纜；③安全區(qū)域的關聯(lián)設備（見圖1）。1.1現(xiàn)場本安設備現(xiàn)場本安設備主要分為本質安全型設備（即非簡單設備）和簡單設備。本質安全型設備是指具有儲能元件，經(jīng)過防爆認證，在其內部的所有電路都是本質安全電路的電氣設備。IEC60079-14-2007標準［2］規(guī)定，簡單設備是指電氣參數(shù)符合電路本質安全性能的電氣元件或結構簡單的元件組合，無需經(jīng)過防爆認證，無需用限壓和/或限流和/或其他抑制器件來獲得本質安全性能。下列設備可認為是簡單設備：①無源元器件，例如開關、接線盒、電阻和簡單半導體裝置；②具有明確參數(shù)的儲能元件，如電容器或電感器，且其設計參數(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。在本質安全電路校核時應考慮這些元器件的電容和電感。1.2本安電纜關聯(lián)設備與現(xiàn)場本安設備之間的電纜為本安電纜，電纜存在儲能的分布電容和分布電感，在電纜發(fā)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，一定程度上有增加點燃的危險性，影響系統(tǒng)的本安性能。1.3關聯(lián)設備安裝在本質安全電路和非本質安全電路間，且結構使非本質安全電路不能對本質安全電路產(chǎn)生不利影響的電氣設備即為關聯(lián)設備，一般安裝在安全區(qū)內。安全柵是本質安全電路中最常用的關聯(lián)設備，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)，且電源的波動對其影響較大，而隔離式安全柵無需系統(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，因此隔離式安全柵已逐漸取代齊納式安全柵，在安全防爆領域得到了日益廣泛的應用。目前，國際上對本質安全型防爆系統(tǒng)的檢驗認證方法主要有系統(tǒng)認可和參量認可。系統(tǒng)認可除了需要對現(xiàn)場本安設備和關聯(lián)設備分別認證外，還需對現(xiàn)場本安設備、關聯(lián)設備和系統(tǒng)中使用的電纜按特定組合進行認證。這種認證方法中組合配套關系明確，整體防爆性能容易保證，但在現(xiàn)場本安設備和安全柵種類較多的情況下，認證程序比較繁瑣，且組合靈活性差。因此，國外更普遍采用參量認證方法，即對單臺現(xiàn)場本安設備或關聯(lián)設備進行檢驗認可，并給出一組相應的安全參數(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)場本安設備的參數(shù)和關聯(lián)設備的參數(shù)，依據(jù)IEC60079-14-2007出版物《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備：第14部分》，這些參數(shù)的定義如下。2.1現(xiàn)場本安設備的參數(shù)1） 最高輸入電壓（Ui）——施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質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）——施加到本質安全電路連接裝置上，而不會使本質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）——當電氣設備與外電源連接不使本質安全性能失效時，可能在電氣設備內部消耗的本質安全電路的最大輸入功率；4） 最大內部電容（Ci）——通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內電容;5） 最大內部電感（Li）——通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內電感。2.2關聯(lián)設備的參數(shù)1） 最高輸出電壓（Uo）——在開路條件下，設備連接裝置施加電壓達到最高電壓時，可能出現(xiàn)的本質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）——來自電氣設備連接裝置的本質安全電路的最大電流（交流峰值或直流）；3） 最大輸出功率（Po）——能從電氣設備獲得的本質安全電路的最大功率；4） 最大外部電容（Co）——可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路最大電容；5） 最大外部電感（Lo）——可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質安全性能失效的本質安全電路最大電感。3.1僅有一個關聯(lián)設備的本質安全電路在設計僅含有一個關聯(lián)設備的本安系統(tǒng)時，如需組合不同廠家生產(chǎn)未經(jīng)過系統(tǒng)認證的現(xiàn)場本安設備和關聯(lián)設備，應注意現(xiàn)場本安設備的防爆等級不能高于關聯(lián)設備的防爆等級，且應采用參量認證法。通過比較現(xiàn)場本安設備和關聯(lián)設備的本安參數(shù)，若滿足表1的匹配關系，則無需再通過試驗認證就可認定其已構成本安系統(tǒng)。根據(jù)IEC60079-14-2007中“12.2.5.2”條第5段規(guī)定，如果本質安全電路中總分布電感和總分布電容同時＞1%L。和＞1%C。，計算時Lo和Co應按照表1第6和第7行的匹配關系進行核查，且表1注③提及的比較L/R值的方法不適用于這種情況。船舶設計階段電纜的長度無法精確確定，若關聯(lián)設備參數(shù)已確定，則可首先根據(jù)關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，然后分別計算出電纜的最大允許長度并取小者，計算式為根據(jù)表1的匹配關系可知，設計單位在送審本質安全電路校核計算書時，應在計算書中提供現(xiàn)場本安設備參數(shù)、電纜參數(shù)及關聯(lián)設備參數(shù)，這些參數(shù)可從設備合格證書、設備標志和說明書中獲得。計算書中提供的本安參數(shù)應與實船一致并需得到現(xiàn)場驗船師的認可?，F(xiàn)場本安設備如為簡單設備中的儲能元件或有電容/電感的有源元器件，也應采用上述參量認證的方法核查。3.2含有多個關聯(lián)設備的本質安全電路如果本安回路包含2個或2個以上關聯(lián)設備，則系統(tǒng)的安全性校核方法比較復雜，具有線性電流/電壓特性的關聯(lián)設備可進行理論計算校核，而非線性電流/電壓特性的關聯(lián)設備需根據(jù)IEC60079-11-2006《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備：第11部分本質安全型“i”保護的設備》［3］第10.1條進行火花點燃試驗。線性電流/電壓特性的關聯(lián)設備的各項參數(shù)可通過以下方法來獲得，確定參數(shù)后再根據(jù)表1中的匹配關系進行校核。1） 按照關聯(lián)設備規(guī)定的Uo和Io值，確定在故障情況下本質安全電路系統(tǒng)的最大電壓和電流。一般考慮以下3個因素。（1） 僅電壓相加（見圖2）。在關聯(lián)設備串聯(lián)時，本質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，無需考慮電路極性。此時本質安全電路系統(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，此時本質安全電路系統(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，關聯(lián)設備任何電極間均可能相連，此時關聯(lián)設備可能會串聯(lián)，也可能會并聯(lián)。因此，應該分別考慮關聯(lián)設備串聯(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。此時本質安全電路系統(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）中對應系統(tǒng)最高電壓Uo、相應設備類別得出的電流值，或者通過查詢IEC60079-11附錄A表A1“電壓和設備級別相對應的允許短路電流”進行上述核查。3） 最大允許電感Lo，可根據(jù)IEC60079-11中相應設備組別對應的電感引燃曲線（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“電壓和氣體級別相對應的允許電容”得出。根據(jù)船上危險區(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。由于不運輸危險貨物，船上危險區(qū)域主要是油漆間、蓄電池室和乙炔間等，這些危險區(qū)域對電氣設備的防爆要求未局限為本安型，因此這些船上本質安全電路較少，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)定值的燃油艙內也只能安裝本質安全型設備，如溫度傳感器、液位傳感器等。（2） 運輸帶包裝的危險貨物或散裝固體危險貨物的船舶，如散貨船、集裝箱船、滾裝船等。除上述（1）中涉及的本質安全電路外，在貨艙進水探測系統(tǒng)（針對散貨船）安裝在貨艙內的電路部分應為本質安全電路。（3） 液貨船（如油船、化學品船及液化氣體船等）。根據(jù)IEC60092-502-1999《船舶電氣設備-第502部分液貨船特殊要求》［4］的規(guī)定，0類危險區(qū)內只能安裝“ia”本質安全型設備和“ia”等級本質安全電路內包含的簡單電氣設備和元件，因此液貨船比其他船型增加很多本質安全電路（如液貨艙的液位、壓力及溫度等測量系統(tǒng)），而可燃氣體探測系統(tǒng)的探測器一般也采用本質安全型設備。（4）雙燃料或單一氣體燃料推進船舶。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方式，根據(jù)《船上天然氣燃料發(fā)動機裝置安全暫行指南》（IGF）以及CCS《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》［5］相關規(guī)定，這些船上也存在0類危險區(qū)，這些區(qū)域內只能安裝“ia”本質安全型設備和“ia”等級本質安全電路內包含的簡單電氣設備和元件，如燃料氣罐的液位、壓力及溫度等測量系統(tǒng)。上述船舶上的本質安全電路，除非整個本安回路得到了整體認證，所有的本安回路均應采用參數(shù)認證方法逐一進行本安計算校核。1）船舶上的一個本安電路通常只有一個關聯(lián)設備，以某液貨船貨艙內高液位開關為例，安全柵裝在主甲板安全區(qū)域儲藏室內。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行匹配關系。按照表1中第1~5行匹配關系核算，得出表3所示結果。本安電纜最大長度按以下公式計算，兩者取小者：（1）lmax1=（Co-Ci）/Ck=6000m;(2)lmax2=(Lo-Li)Lk=2213m。通過上述核算，該條電路可認定為本質安全電路，且本安電纜長度應<2213mo2)船舶上固定式探火和失火報警系統(tǒng)有時會出現(xiàn)一個防爆隔離柵連接一只本安探測器和一只手動報警按鈕(或另一只本安探測器)的本安回路設計。舉例如下，本安回路見圖9，本安參數(shù)見表4。該案例中，手動報警按鈕和火災探測器并聯(lián)