防爆技术基础知识讲座.ppt

防爆技术基础知识,防爆技术基础知识 湖南百利工程科技有限公司电控室 陈学敏 0730-8501089,防爆技术基础知识,内容提要 1、防爆基本概念 2、电气设备的防爆型式 3、本安防爆技术,电气防爆基本原理,产生爆炸的基本条件(爆炸三角形原理)1.爆炸性物质可燃气体、粉尘。2.助燃剂空气（氧气）。3.点燃源（点燃能量）电火花、热表面等。当这三个条件同时存在,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,将不可避免地产生爆炸。防爆设法避免上述三个条件同时存在。,防止爆炸发生的基本方法 1.避免形成爆炸性环境/电气设备远离爆炸环境 理想的方法 2.消除/削弱可能的点燃源 实际的方法。,电气防爆基本原理,电气防爆基本原理,火花点燃特性 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，则存在一个最小点燃能量点（MIE）。如果点燃能量大于MIE值，则会引起火花点燃；反之，安全。可燃物质的爆炸极限可燃性气体/空气混合物的整个可点燃的浓度范围称为“可燃范围”。物质 爆炸下限LEL 爆炸上限UEL 最小点燃能量J 点燃特性丙烷 2%9.5%180 J 难乙烯 2.7%34%60 J氢气 4%76%20 J 易爆炸上、下限有可能根据环境条件的变化而变化。,电气防爆基本原理,爆炸性物质的分类及分组体系,电气防爆基本原理,爆炸性物质的分类及分组体系,电气防爆基本原理,危险场所的区域划分 GB3836.14-2000规定了危险场所划分的原则,电气防爆基本原理,爆炸性气体的引燃温度与温度组别 每一种爆炸性气体都有一个特定的温度，在该温度下，即使没有外部点燃源，也将发生点燃。这一温度称为该气体的引燃温度AIT。引燃温度是反映爆炸性气体点燃特性的重要特征参数。中国将爆炸性气体按其引燃温度分为T1T6六个组别。北美对温度组别的划分与IEC基本一致，只是将温度组别划分更细而已。,电气防爆基本原理,爆炸性气体的温度组别与引燃温度的关系,电气防爆基本原理,欧洲防爆新指令(94/9/E)规定的设备分组/分类,电气防爆基本原理,在按新指令颁发的证书中规定的防爆标志及符号 EX 2G EEx d B T6 T6温度组别 B级 隔爆型 适用于1区工厂爆炸性气体环境,电气防爆基本原理,电气设备的最高表面温度分组GB3836.1-2000 电气设备温度组别与允许最高表面温度和适用气体引燃温度的对应关系 通常，防爆电气设备设计在环境温度为-20+40范围内使用。否则，应在检验机构规定的环境温度范围（铭牌或说明书中规定）内使用。用户负有保证电气设备的温度组别低于引燃温度的责任。,电气防爆基本原理,气体/设备相容性 可燃性气体、蒸汽按引燃温度分为6组，而电气设备的温度组别与气体的分组是相适用。设备选型时，应根据爆炸环境主要介质的成分，确定相应的电气设备温度组别。,电气设备的防爆型式,电气设备的防爆原理防止爆炸发生的基本方法 1.避免形成爆炸性环境/电气设备远离爆炸环境 理想的方法（主动式）2.消除/削弱可能的点燃源 实际的方法。（被动式）间隙防爆原理（隔爆型）减少点燃能量的原理（本安型）阻止点火源与爆炸性混合物相接触的原理（充油、充砂、浇封、正压等）在特定的条件下，提高电气安全措施的原理（增安）,电气设备的防爆型式,电气设备的防爆措施都是基于设法排除爆炸三角形中一个或多个要素，使产生爆炸的危险减少到一个可以接受的程度。我国接受的防爆型式,电气设备的防爆型式,隔爆型电气设备“d”产品设计检验要素：隔爆结合面长度（接线口螺纹长度）、隔爆结合面间隙（密封）、壳体强度、最高表面温度。增安型电气设备“e”增安型电气设备是一种在正常条件下不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温的设备结构上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和认可的过载条件下出现这些现象的电气设备。即：是一种依靠高质量的材料、设计和装配来消除电火花或局部过热的防爆技术。典型应用：感应电动机、照明设备、电磁阀接线盒及加热器等。产品设计检验要素：电气设备不允许产生火花、电弧或危险温度；电压低于11kV；标准规定的电气间隙、爬电距离；外壳防护等级不低于IP54；外壳具有耐冲击和抗溶解的能力；最高表面温度。本质安全型电气设备“i”基于限制电气线路的储能技术。“L、C”；回路概念。参数匹配、电缆要求产品设计检验要素：电容储能、电感储能、最高表面温度、最大内部参数。,电气设备的防爆型式,正压型电气设备“p”产品设计检验要素：最小正压值、最小换气量、保护装置、壳体强度。正压型是一种相对复杂的防爆技术，有时是唯一的解决方法（大型分析仪器）充油型电气设备“o”产品设计检验要素：保护液特性、保护液的最高和最低液面、外壳。通常用于开关装置和变压器。充砂型电气设备“q”产品设计检验要素：充砂高度、填充材料的适用性（成分、尺寸、介电强度、耐热温度）、最高表面温度。浇封型电气设备“m”产品设计检验要素：浇封剂的物理、化学、机械特性；浇封的工艺及其有效性；最高表面温度；保护措施（适用时）。n型电气设备“n”nA无火花型；nR限制呼吸外壳；nL限制能量设备；nZ简单正压；nC非点燃元件。特点：只适用2区；只考虑正常工作情况，不考虑短时存在的故障状况；降成本。,电气设备的防爆型式,防爆电气设备的选型选型原则：安全可靠、经济合理。依据：爆炸危险区域的等级和爆炸危险物质的类别、级别和组别。防爆型式选型表,主要的电气防爆技术,目前，中国接受的主要电气防爆技术有：1.隔爆型(Exd)2.本安型(Exia/ib)3.增安型(Exe)4.正压型(Exp)5.充油型(Exo),6.充砂型(Exq)7.n型(ExnA,nC,nL,nR,nZ)8.浇封型(Exm)9.气密型(Exh)已纳入Exn10.粉尘防爆(DIP),解决的主要点燃源：由电气因素引起的电火花和热效应。对于自动化仪表系统，本质安全防爆技术的应用最为广泛。,本质安全防爆基本概念,本质安全电路：在标准规定的条件（包括正常工作和规定的故障条件）下产生的任何电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。(0/1区防爆技术)是一种以抑制/削弱点火源能量为防爆手段的“安全设计”技术。要求设备在正常工作和故障状态下可能产生的电火花和热效应分别小于爆炸性危险气体的最小点燃能量和自燃温度。例如，H2，19uJ，560。本安技术实际上是一种低功率设计技术。因此它能很好地适用于工业过程自动化仪表。依据标准：GB3836.1-2000、GB3836.4-2000,主要防爆技术措施和特征,基本设计技术措施（电路与结构设计方面）-限制电压-限制电流-限制能量（含储能元件：电容和电感）-合理选择元器件额度参数、载流导线截面等-结构及电路的分隔措施本安防爆技术特征-制造工艺简单、体积小、重量轻、造价低(开关回路1:4)。-易于实现较高防爆级别的设计-可带电操作与维护。-安全可靠性高。-可有效避免人员触电伤亡事故发生。-适用范围广（ia等级是唯一的0区技术）。,本安电气设备的分类,电气设备类型 1、本安设备-其内部所有电路都是本质安全电路的电气设备。2、关联设备 装有本安电路和非本安电路，且结构使非本安电路不能对本安电路产生不利影响的电气设备。(关联设备一般安装在安全场所)设备的级别 1、Exia 直至两个元件或其它类型的故障仍能保持防爆性能的设备。本安设备可安装在0区、1区、2区危险场所。本安关联设备可连接到0区、1区、2区危险场所。Exia本安设备是唯一可安装于0区的防爆电气设备。2、Exib 直至一个元件或其它类型的故障仍能保持防爆性能的设备。本安设备只能安装在1区或2区危险场所。本安关联设备只能连接到1区或2区危险场所。,最小点燃曲线的概念,最小点燃电流：用标准火花试验装置，在电阻和电感电路中引起爆炸性试验混合物点燃的最小电流。最低点燃电压：用标准火花试验装置，在电容电路中引起爆炸性试验混合物点燃的最低电压。最小点燃曲线：最小点燃曲线包括最小点燃电流曲线和最小点燃电压曲线。国家标准GB 3836.4-2000附录A分别给出了电阻、电容、电感性电路的IIA、IIB、IIC曲线。它们是设计人员设计本安电路的重要依据。注意：最小点燃曲线是通过大量电火花试验确定的点燃爆炸性气体混合物的临界值曲线，不能直接使用。,电阻性、电感性、电容性等电路,电阻性电路 点燃爆炸性混合气体的能力：开路电压和短路电流。电感性电路 电感L中的储能量E=1/2 LI2。电容性电路 电容C中的储能量E=1/2 CV2。,安全系数的概念,概念：是指最小点燃电流（或电压）与本安电路的允许设计电流（或电压）相比的倍数，即 允许设计电流(或电压)=最小点燃电流(或电压)/安全系数安全系数 设备故障 Exia Exib 正常工作 1.5 1.5 一个故障 1.5 1.0 两个故障 1.0-安全系数使用规则-对于电感电路，安全系数加在电流上-对于电容电路，安全系数加在电压上-对于电阻电路，可加在电流上，也可加在电压上。,最小点燃曲线的应用举例,例1：找出一个与28V直流电源(蓄电池)相串联的限流电阻的最小值，使该电源输出可连接到氢气危险场所。该电路属于IIC电阻性电路。考虑电源波动10%,电源最大电压E=28x(1+10%)=30.8V，取E=31V。查电阻性IIC最小点燃曲线（GB3836.4附录A1曲线）可知，电源电压为31V时最小点燃电流为140mA，取安全系数1.5，则允许的最大电流=最小点燃电流/安全系数=70（mA）。由此可得出与28 V直流电源串联的最小电阻值为28V70 mA=400。考虑电阻器允许误差精度5%，限流电阻的阻值至少为420。,本质安全防爆系统的基本概念,本质安全防爆技术是一个系统的概念。本质安全系统一般由以下三个部分组成：1、关联设备，即安全栅 2、现场设备，即本质安全设备 3、本质安全系统用电缆依据系统设备配置的特点，通常可将本安系统分为两类：1、传统的“点对点”式本质安全系统：一个关联设备与一个现场设备连接(传统的模拟量信号、开关信号传输回路)；2、现场总线本质安全系统：一个关联设备与多个现场设备相连。,本安系统的组成,本质安全是一个系统概念。危 险 区 安 全 区 电缆 现场本安设备 关联设备安全栅 关联设备也可置于危险场所，但其必须同时符合本安防爆结构兼具有与其安装场所相适用的防爆外壳。,安全栅的基本型式,安全栅是一种限制过大的能量从非本安电路流入本安电路的装置。按安全栅的功能分类：模拟信号用、开关/数字信号用、带通讯功能（HART）的、适合现场总线的。按安全栅的结构分类：齐纳式、隔离式。齐纳式简单的无源网络，关键部件：快速熔丝、限压二极管、限流电阻。其接地系统极为关键（独立、接地电阻小）。隔离式电流隔离式有源安全栅。实质上是一个隔离的供电电源和信号调整器，且以隔离的方式传送或接受来自危险场所的信号。其优点：接地不要求、可配接现场接地的传感器、具有高的共模抑制比、较高的系统精度、输出信号可直接连接到过程控制回路。,本质安全防爆系统的基本参数,现场本安设备表征设备具备本安性能的主要参数：Ui最高输入电压；Ii最大输入电流Pi最大输入功率；Ci最大内部电容；Li最大内部电感。连接电缆表征连接电缆本安性能的主要参数：Cc电缆最大允许分布电容；Lc电缆最大允许分布电感。关联设备安全栅表征关联设备本安性能的主要参数：Uo最高输出电压；Io最大输出电流；Po最大输出功率；Co最大外部电容；Lo最大外部电感。本安系统的组合条件1。现场本安设备的防爆标志级别、安全栅的防爆标志级别均不得低于本安防爆系统防爆标志级别。2。关联设备、现场本安设备及连接电缆必须同时满足：UoUi、Io Ii、Po Pi、CoCc+Ci、Lo Lc+Li。,本安系统组件的选用,本安电气设备的选用原则1）电气设备按GB3836标准设计，且取得国家指定的防爆检验机构的认证。2）防爆标志的等级满足使用危险场所的环境要求。3）明确的安全参数：Ui、Ii、Pi、Ci、Li。4）本安电路接地方式。5）信号传输方式。6）本安电气设备的最低工作电压及回路正常工作电流。关联设备的选型原则1）关联设备的防爆标志等级须不低于本安现场设备防爆标志的等级。2）确定关联设备的端电阻及回路电阻，以满足本安现场设备的最低工作电压。3）关联设备的安全参数须满足系统组合条件。4）确定关联设备类型。5）根据本安现场设备的电源极性及信号传输方式选择相匹配的关联设备。6）确认关联设备的漏电流不影响本安现场设备的正常工作。连接电缆的选型原则1）连接电缆规格 每根导线的直径应不小于0.1mm；电缆的绝缘应能承受导体对地、导体对屏蔽、屏蔽对地耐压交流500V。2）连接电缆长度 根据Cc Co-Ci、Lc Lo-Li计算电缆的最大外部分布参数；按照LC=Cc/Ck、LL=Lc/Lk计算电缆长度，取二者中的较小值作为实际配线长度。,传统的本安系统认可方法,系统认可，即回路认可(System Approval，or Loop Approval)是指对本安设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认可。这种组合的系统一经认可，其本安设备的关联设备就不能用未经检验机构按这样的组合认可过的其它型号规格的设备代用。(83版标准)参量认可(Parametric Approval)北美称之为“整体概念”Entity Concept。其核心思想是：本安设备和关联设备都可单独进行认可，防爆认证机构将分别给出一组“安全参数”。用户可根据一定的安全评定规则合法地组成本安系统。(2000版标准),“系统认可”的特征及回路安全性评定,“系统认可”的特征：认可的本安设备通常在其铭牌、使用说明书或防爆合格证书文件中明确规定具体的关联设备名称、型号和制造厂商。此外，在认可产品的使用说明书和/或防爆合格证书文件中会规定本安系统连接电缆的分布参数限值(Cc、Lc)。基于“系统认可”的回路安全性评定要求-确认使用关联设备与认证文件规定要求的一致性。-依据实际使用电缆分布参数(Cp，Lp)，核算使用电缆的总的分布电容和电感是否符合规定的限值。要求：允许电缆长度 minCc/Cp,Lc/Lp 注：1、实际使用电缆的分布参数典型值为：电缆电容-200pF/m；电缆电感-0.66uH/m。2、电缆分布参数一般应经专业防爆检测机构检测。,“参量认可”的特征,1)对于本安设备给出以下一组“安全参数”和相应的防爆标志：-最高输入电压（Vi）一 在正常工作和故障条件下，可以施加到本安现场设备，且不会导致其本质安全性能失效的最高交流或直流峰值电压；-最大输入电流（Ii）在正常工作和故障条件下，可以施加到本安现场设备，且不会导致其本质安全性能失效的最大交流或直流峰值电流；-最大内部电容（Ci）指在本安现场设备连接端子上呈现的设备总的内部等效电容；-最大内部电感（Li）一 指在本安现场设备连接端子上呈现的设备总的内部等效电感；-最大输入功率（Pi）一 当设备与外部电源连接时，设备内本质安全电路能消耗、且不会导致其本质安全性能失效的最大输入功率。,“参量认可”的特征(续),2)对于关联设备给出以下一组“安全参数”和相应的防爆标志：-最高开路电压（VO）在正常工作和故障条件下，当设备施加电压达到最高允许电压时，其本安端在开路条件下可能出现的最高输出交流或直流峰值电压；-最大短路电流（Io）在正常工作和故障条件下，可从设备的本安端抽取的最大交流或直流峰值电流；-最大外部电容（Co）可以连接到关联设备本安端，且不会导致其本质安全性能失效的最大电容值；-最大外部电感（Lo）可以连接到关联设备本安端，且不会导致其本质安全性能失效的最大电感值；-最大输出功率（Po）在正常工作和故障条件下，可从设备的本安端抽取的最大电气功率。,基于“参量认可”的回路安全评定要求,本安设备与关联设备防爆标志必须匹配，否则取低等级防爆标志。本安设备和关联设备的安全参数间必须满足：Vi Vo Ii Io Pi Po电缆分布参数必须满足：Cc Co-Ci Lc Lo Li 允许电缆长度 minCc/Cp,Lc/Lp 注：“系统认可”、“参量认可”将电缆分布参数视为集中参数。,现场总线本质安全概念-FISCO,FISCO Fieldbus Intrinsically Safe Cocept，是一全新的概念，从根本上发展了“参量认可”技术。研究工作：重点基于总线基本配置和供电特征，对具有不同输出特性(梯形、矩形、线性)的关联设备输出安全参数进行了试验研究，并在规定现场设备安全参数边界条件的情况下，对总线系统模型(包括电缆仿真模型)进行了大量火花试验验证工作。试验研究表明：在规定的系统配置边界条件下，一定长度的典型结构电缆不会对系统本安性能产生不利影响。如，增加1000m典型电缆后，反而使点燃电流增加26%，回路中增加一个终端器使电路点燃能力进一步降低。IEC TS60079-27:2002 爆炸性气体环境用电气设备 第27部分：现场总线本质安全概念(FISCO)标准详细描述了FISCO总线系统具体配置要求。,典型FISCO系统,危险场所 安全场所 1 终端器2 供电电源3 数据 4 手持通信器5 现场设备 IEC TC60079-27对组成FISCO系统的各设备的安全参数和相关要求作出了规定。,FISCO系统-供电电源,现场总线系统的供电电源（关联设备）的输出特性可以是采用电阻限流的线性输出特性，也可以是采取其它限流方式（如晶体管限流）的梯形或矩形输出特性。其最大输出电压Uo应不大于17.5V，不小于14V。对于任何形式的供电电源的最大输出电流Io应依据GB3836.4标准规定的要求，且不超过380mA。对于矩形输出特性的电源安全参数应满足下表：最大输出功率Po不应超过5.32W。其最大未保护的残余电容Ci和电感Li应分别不大于5nF和10uH。供电电源可以是对地浮空，也可以与地连接。,FISCO系统-现场设备,现场设备应满足下列要求 a)应具有以下最小输入参数(安全参数)：Ui17.5VIi380mAPi 5.32W b)按照GB3836.4的规定，在正常工作和故障条件下，总线端子应是无源的，即总线端子上除了具有不大于50uA的漏电流外，不应施加任何能量到系统中。c)总线端子应按GB3836.4的要求实现与地的隔离。d)由其它附加电源供电的现场设备的总线端子应完成有效的电流隔离，以确保这些端子是无源的，并避免总线的多重接地。e)每台设备的最大未保护的内部残余电容Ci应不大于5nF，最大残余电感Li应不大于10uH。f)现场设备应满足GB3836.4中关于IIC级别和温度组别的要求。以上要求适用于与本安现场总线相连的所有设备，包括安装在危险场所和安全场所的设备。对于安装在安全区域的设备，则不必考虑温度组别。,FISCO系统-终端器,总线系统要求的终端器应由一个电阻和电容串联而成。电阻值应为90102，电容应在考虑允差后电容值介于0uF2.2uF之间。在实际应用中，电容值一般为0.8uF1.2uF。电阻应满足GB3836.4关于可靠元件的要求。其次，总线终端器应 a)具有以下最小输入参数：Ui17.5VIi380mAPi5.32W b）应按GB3836.4的要求实现与地的隔离。c）最大未保护的残余电感Li应不大于10uH。d）终端器应满足GB3836.4中关于IIC级别和温度组别的要求。试验研究表明，终端器的有效残余电容对系统的本安性能的影响可以忽略不计。,FISCO系统-电缆,系统中使用的电缆应符合下列参数要求：a）回路电阻Rc，15/km150/km b）回路电感Lc，0.4mH/km-1mH/km c）电容Cc，80nF/km200nF/km注：1)绝大多数电缆都能满足这些参数要求。典型现场总线电缆参数为：Rc=50/km、Lc=0.8mH/km、Cc=120nF/km 2)电缆参数按IEC60079-14附录C规定的要求测定(1kHz频率下测定)。3)通常应委托防爆检验机构检测，并出具报告。,FISCO系统的配置与回路安全性评定,如图所示是典型FISCO系统，主要由以下单元组成：-一个供电电源-最大可达32台的现场设备-两个终端器两个终端器应设置在主干电缆的两端。供电电源应离主干电缆一端不大于30m的地方。当供电电源是通过盆路接入时，盆路电缆长度也必须限制在30m以内。,对于IIB和IIC级，盆路电缆最大长度为30m主干电缆最大长度，对于IIC级1km，对于IIB级，5km。如果组成系统的所有这些单元（包括电缆）均满足上述FISCO模型规定技术和配置要求，则该FISCO系统的本质安全性能将是足够安全的，无需作更进一步的回路防爆安全性分析。,危险场所安全场所 1 终端器2 供电电源3 数据 4 手持通信器 5 现场设备,FISCO技术应用特别说明,所有组成现场总线系统的设备，甚至电缆均须由防爆检验机构认证或检测。认证的证书文件会明确标明适用于FISCO系统。在集成FISCO总线系统时，设计单位或用户应列表验明产品铭牌标识信息，以确认配置系统是否完全符合最新FISCO要求。系统的防爆类别、级别和组别取系统各设备的较低者。FISCO概念的主要优点：人们无需详细的安全分析即可构成现场总线本安系统，且无需重新分析就可在系统中方便地增加设备配置。其次，基于FISCO概念的系统可挂接设备数大大增加。假设设备平均电流15mA，对于 IIC级 主干电缆500m末端可挂8台；对于IIB级 主干电缆300m末端可接16台。总之，FISCO概念将更有利于现场总线本安系统的优化设计和总线系统多负载特征的体现。,Many Thanks for your attentions,谢谢各位!,