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防爆知识讲座 一 防爆基础理论概要 1 爆炸性危险场所的定义 所谓危险场所是指存在或可能存在可燃性气体与空气混合物的场所 也就是任何具有潜在爆炸危险的场所 在煤矿井下约有2 3的场所属于爆炸性危险场所 在石油开采现场和精炼厂约有60 80 属于爆炸性危险场所 在化学工业中 约有80 以上的生产车间属于爆炸性危险场所 2 爆炸性物质的分类 在我国 爆炸性物质分为三类 类 矿井甲烷 瓦斯 类 爆炸性气体混合物 含蒸汽 薄雾 类 爆炸性粉尘和纤维 3 爆炸性气体的分级和分组 3 1 爆炸性气体的分级 对于 类爆炸性物质不分级 只有甲烷气体一种 对于 类爆炸性气体按其最大试验安全间隙 MESG 和最小点燃电流比 MICR 进一步分为A B C三级 其中A级代表气体是丙烷 B级代表气体是乙烯 C级代表气体是氢气 如下表 从表中可以看出 甲烷需要的点燃能量最大 C级气体则最易被点燃 3 2爆炸性气体的分组 温度 热表面 是爆炸性气体产生爆炸的重要点燃源 每一种爆炸性气体都有一个特定的温度 在该温度下 即使没有任何外界点火源的条件下 它都将发生点燃 我国将爆炸性气体按其引燃温度分为T1 T6六个组别 如下表 温度组别为T1的气体引燃温度最高 而温度组别为T6的气体则最易被点燃 在实践中 我们应严格控制电气设备的最高表面温度 并使之不能点燃设备使用环境中最易点燃的爆炸性气体混合物 即保证设备的最高表面温度不超过设备可能接触到的气体的引燃温度 因此 就电气设备的最高表面温度而言 凡满足T6温度组别气体环境用电气设备 它也必定能满足T1 T5组别的气体环境的应用要求 4 爆炸性危险场所的区域划分 0区 在正常情况下 爆炸性气体混合物连续地或长期地存在的场所 1区 在正常情况下 爆炸性气体混合物有可能出现的场所 2区 在正常情况下 爆炸性气体混合物不可能出现 或即使出现也只是短时间存在的场所 5 危险场所防爆技术和防爆基本原理 5 1产生爆炸的基本原理 爆炸三角形原理 具有潜在爆炸危险的环境产生爆炸必须具备以下三个条件 点燃源 电火花 热表面 爆炸性物质 可燃性气体或粉尘 空气 氧气 当这三个条件同时存在 而且当爆炸性物质与空气的混合浓度处于爆炸极限范围内 即处于爆炸下限和爆炸上限之间 时 将不可避免产生爆炸 因此 在实践中 为了有效地防止爆炸事故的发生 人们总是设法避免三条件同时存在 以达到防爆的目的 当然 最基本的技术应时将所有可能存在生产点燃源 电火花和热表面 的电气设备安装在不具有爆炸危险的场所 即安全场所 这是进行化工厂设计或设备设计时首先考虑到的方面 但是 实践表明 许多工业生产现场的实际情况和具体应用要求 决定了相当一部分过程测量与控制用电气设备必须安装在爆炸性危险区域 此时 必须选用具有特定防爆技术措施的电气设备来保证生产现场的安全 避免灾难性爆炸事故的发生 5 2电气防爆型式 电气设备防爆措施都是基于设法排除上述爆炸三角形中的一个或多个要素 使产生爆炸的危险减少到一个可以接受的程度 下表为一些主要的防爆型式 5 3 防爆电气设备选型 不同防爆型式的电气设备适用于不同的爆炸性危险区域 下表列出了防爆型式与其适用的爆炸性区域之间的对应关系 对于自动化仪表 最常用的防爆型式依次时本安型 隔爆型和增安型 然而 由于电子技术的飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生 使本安防爆技术的推广和应用有了更为广阔的空间 特别时由于本质安全型防爆型式与其他防爆型式相比 不仅具有结构简单 适用范围广 而且还具有易操作和维护方便的特点 第二章本安防爆的基础知识 1 本安防爆技术的基本原理 电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源 本安就是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现的 在正常工作和故障状态下当仪表可能产生的电火花和热效应的能量小于这个能量时 仪表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸 原理是从限制能量入手 可靠的将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内 以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸 2 本安防爆技术的特点 本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术 通常对氢气 C 环境 必须将电路功率限制在1 3W左右 由此可见 本安技术能很好的适用于工业自动化仪表 与其他任何防爆型式相比 采用本安防爆技术可给工业自动化仪表带来以下技术和商务上的特点 不需要设计制造工艺复杂 体积庞大且又笨重的隔爆外壳 因此 本安仪表具有结构简单 体积小 重量轻和造价低的特点 可在带点工况下进行维护 标定和更换仪表的部分零件等 安全可靠型高 本安仪表不会因为紧固螺栓的丢失或外壳结合面锈蚀 划伤等人为原因而降低仪表的安全可靠性 由于本安防爆技术时一种 弱电 技术 因此 本安仪表的使用可以避免现场工程技术人员的触电伤亡事故的发生 适用范围广 本安技术时唯一可适用于0区危险场所的防爆技术 对于像热电阻等简单设备 不需要特别认证即可接入本安防爆系统 综上所述 对于自动化仪表而言 本安防爆技术是一种比较理想的防爆技术 它也必将被广泛应用于现场总线智能化仪表及系统的设计 3 本安设备的分类 本安设备的分类 实际上都是以危险场所分类 气体分组和气体自燃温度组别划分为基础的 3 1 类别本安设备按使用环境可分为 类 煤矿用本安设备 类 工厂用本安设备 对于 类工厂用本安设备 跟气体分组一样 可进一步分为A B C三级 3 2 级别 本安设备及关联设备 按其适用场所或相连场所的安全程度可分为ia和ib两个级别 ia级是指在正常工作 一个计数故障和两个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物 即ia级设备在最大考虑两个计数故障情况下也不致于产生安全失效 ib级是指在正常工作和一个计数故障情况下不能点燃爆炸性气体混合物 显然 ia级设备的安全程度要比ib级设备高 ib级设备仅考虑设备产生一个故障时不会产生安全失效 但若仪表产生两次计数故障时 就可能会产生失效 因此 ib级本安设备的安全程度要比ia级设备差 它只适用于1区和2区危险场所 相应的 ib级本安关联设备可与1区和2区危险场所的本安设备相连接 而ia级本安设备可以用于危险等级最高的0区危险场所 ia级本安关联设备可与0区危险场所的本安设备相连接 ia级本安设备时所有防爆型式中安全程度最高的一种 3 3 温度组别 类本安设备的温度组别与其使用危险区域的爆炸性气体混合物的温度分组一样可分为T1 T6六个组别 它与设备允许最高表面温度和设备适用气体引燃温度的对应关系如下 关联设备是安装在安全场所的 不需要进行设备温度组别的划分 4 防爆标志 本安设备的防爆标志跟其他防爆型式的防爆标志一样 它实质上时设备所适用的爆炸性危险场所的代号 通常一个爆炸性危险场所需要三个参量来定义 危险场所区域反应可能出现危险气体的频率或持续时间 即产生爆炸的危险程度 危险气体的的种类 即气体组别考虑可能出现的危险气体的点燃能量 危险气体的引燃温度 即气体温度组别考虑可能出现的危险气体的点燃温度 相应地 本安设备的防爆标志也必须在 Ex 防爆标记后 依次表达出设备可适用的区域 气体组别和温度组别三个参量 本安电气设备防爆标志Exia BT4防爆标记防爆等级气体组别温度组别 防爆标志Exia BT4表示本安设备可适用于气体组别不高于 类B级 气体引燃温度不低于T4 135 的0区危险场所 关联设备 安全栅 防爆标志Ex ia B防爆标记防爆等级气体组别 防爆标志Ex ia B表示安全栅可适用于气体组别不高于 类B级的0区危险场所 5 本安系统的基本构成 本安系统是通过限制电气能量而实现电气防爆的电路系统 且不限制适用场所 其中ia等级在0区 区和 区危险场所均适用 和爆炸性气体混合物的种类 即包括所有可燃型气体 具有高度的安全性 可维护性和经济性 构成一个本安系统的示意图如下 5 1现场本安设备 从现场设备的储能元件角度考虑 使处于爆炸性气体危险环境中的现场设备按照本安防爆要求设计 对其中包含的电感和电容等储能元件回路采取相应措施 并使其尽可能减少的同时 考虑回路元件的功耗及温升问题 以保证设备不论是正常工作还时故障状态 均不会产生由火花和热源引起的点燃 即现场设备必须是本安设备 现场本安设备具有本安性能的主要参数 最高输入电压 Ui 施加到本质安全电路连接装置上 而不会使本质安全性能失效的最高电压 交流峰值或直流 最大输入电流 Ii 施加到本质安全电路连接装置上 而不会使本质安全性能失效的最大电流 交流峰值或直流 最大输入功率 Pi 当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时 可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入功率 最大内部等效电容 Ci 通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容 最大内部等效电感 Li 通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感 5 2连接电缆 从系统布线工程角度考虑 由于连接电缆存在分布电容和分布电感 使连接电缆成为储能元件 它们在信号传输过程中不可避免地存储能量 一旦当线路出现开路或短路时 这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来 影响系统的本安性能 因此 既要保证连接传输电缆不会受外界电磁场干扰影响及与其他回路混触 又要限制布线长度和感应电动势所带来的附加非本安能量 依次来确定电缆的允许分布电容和允许分布电感 世界各防爆检验机构主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布参数的方法 连接电缆本安性能基本参数如下 电缆最大允许分布电容Cc CkxL电缆最大允许分布电感Lc LkxL式中Ck电缆单位长度分布电容Lk电缆单位长度分布电感L实际配线长度 5 3 关联设备 安全栅 从控制室设备配置角度考虑 该部分电气回路必须具备无论系统处于正常工作状态还是故障状态 均能够将从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点火极限 最小点燃能量 以下的保护功能 安全栅本安性能的基本参数 最高电压 交流有效值或直流Um 施加到关联设备非本质安全连接装置上 而不会使本质安全性能失效的最高电压 最高输出电压 Uo 在开路条件下 在设备连接装置施加电达到最高电压 包括Um和Ui 时 可能出现的本质安全电路的最高输出电压 交流峰值或直流 最大输出电流 Io 来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流 交流峰值或直流 最大输出功率 Po 能从电气设备获得的本质安全电路最大功率最大外部电容 Co 可以连接到电气设备连接装置上 而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容 最大外部电感 Lo 可以连接到电气设备连接装置上 而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感 5 4本安系统组合条件 为保证设备的安全正常适用 本安系统各配置间必须满足以下条件 现场本安设备的防爆标志级别不能高于安全栅的防爆标志级别 关联设备 现场本安设备与连接电缆参数之间要符合以下不等式 外壳防护等级及IP代码含义 外壳能防止设备受到某些外部影响并在各个方向防止直接接触的设备部件 外壳防