本质安全电路校核方法

崔 艳

（中国船级社规范与技术中心，上海 200135）

电气与自动化

本质安全电路校核方法

崔 艳

（中国船级社规范与技术中心，上海 200135）

根据本质安全电路计算在安全生产中的重要性及中国船级社（China Classification Society，CCS）《钢质海船入级规范》2015修改通报新增本质安全电路校核资料的送审要求，介绍本质安全电路的各组成部分及本质安全参数的基本概念，重点对只有一个关联设备的本质安全电路和含有多个关联设备的本质安全电路的校核方法进行详细阐述，推导出本质安全电路设计中允许使用电缆最大长度的计算公式，总结各类船舶上可能出现的本质安全电路类型。通过实例阐明本质安全电路校核资料中应包含的参数内容及校核结论。

本安参数；本质安全电路核查；本安电缆

0 引 言

本质安全电路是指在规定的试验条件下（包括在正常工作或规定的故障状态），所产生的任何火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。其防爆基本原理是通过限制电气设备和电路的各种参数或采取保护措施（如降低电源电压、减小电路电流、采用适当的电气元件及其参数等）来限制电路的火花放电能量和热能。

本质安全电路中包括现场本质安全设备、关联设备和连接电缆等。如果没有经过试验认证或没有在设计时控制整个本质安全电路相应的参数（如储能元件参数电感和电容等），或者减小电路电流和电压，即使使用了经过认可的合格本安设备，在实际使用过程中仍会有≈30%的回路存在安全隐患。为确保船舶本质安全电路的安全，中国船级社（China Classification Society，CCS）《钢质海船入级规范》2015修改通报［1］中增加了本质安全电路校核的送审要求。

1 本质安全电路

本质安全回路通常由3部分组成：① 危险区域内的现场本安设备；② 本安电缆；③ 安全区域的关联设备（见图1）。

图1 典型本安回路示意

1.1 现场本安设备

现场本安设备主要分为本质安全型设备（即非简单设备）和简单设备。本质安全型设备是指具有储能元件，经过防爆认证，在其内部的所有电路都是本质安全电路的电气设备。IEC 60079-14-2007标准［2］规定，简单设备是指电气参数符合电路本质安全性能的电气元件或结构简单的元件组合，无需经过防爆认证，无需用限压和/或限流和/或其他抑制器件来获得本质安全性能。下列设备可认为是简单设备：① 无源元器件，例如开关、接线盒、电阻和简单半导体装置；② 具有明确参数的储能元件，如电容器或电感器，且其设计参数能保证系统的全面安全性；③ 产生能量的有源元器件，如热电偶、光电池，其产生的能量电压≤1.5V，电流≤100mA，且功率≤25mW。在本质安全电路校核时应考虑这些元器件的电容和电感。

1.2 本安电缆

关联设备与现场本安设备之间的电缆为本安电缆，电缆存在储能的分布电容和分布电感，在电缆发生故障时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，一定程度上有增加点燃的危险性，影响系统的本安性能。

1.3 关联设备

安装在本质安全电路和非本质安全电路间，且结构使非本质安全电路不能对本质安全电路产生不利影响的电气设备即为关联设备，一般安装在安全区内。安全栅是本质安全电路中最常用的关联设备，一般分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。由于齐纳式安全栅的安装位置必须有非常可靠的接地系统，且电源的波动对其影响较大，而隔离式安全栅无需系统接地回路，且能够接受并处理热电偶、热电阻及频率等信号，因此隔离式安全栅已逐渐取代齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。

2 本安参数

目前，国际上对本质安全型防爆系统的检验认证方法主要有系统认可和参量认可。系统认可除了需要对现场本安设备和关联设备分别认证外，还需对现场本安设备、关联设备和系统中使用的电缆按特定组合进行认证。这种认证方法中组合配套关系明确，整体防爆性能容易保证，但在现场本安设备和安全栅种类较多的情况下，认证程序比较繁琐，且组合灵活性差。因此，国外更普遍采用参量认证方法，即对单台现场本安设备或关联设备进行检验认可，并给出一组相应的安全参数，用户可根据需要自行组合。上述安全参数包括了现场本安设备的参数和关联设备的参数，依据IEC 60079-14-2007出版物《爆炸性气体环境用电气设备：第14部分》，这些参数的定义如下。

2.1 现场本安设备的参数

1） 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）；

2） 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）；

3） 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；

4） 最大内部电容（Ci）——通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容；

5） 最大内部电感（Li）——通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。

2.2 关联设备的参数

1） 最高输出电压（Uo）——在开路条件下，设备连接装置施加电压达到最高电压时，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）；

2） 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）；

3） 最大输出功率（Po）——能从电气设备获得的本质安全电路的最大功率；

4） 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最大电容；

5） 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最大电感。

3 本质安全电路核查

3.1 仅有一个关联设备的本质安全电路

在设计仅含有一个关联设备的本安系统时，如需组合不同厂家生产未经过系统认证的现场本安设备和关联设备，应注意现场本安设备的防爆等级不能高于关联设备的防爆等级，且应采用参量认证法。通过比较现场本安设备和关联设备的本安参数，若满足表1的匹配关系，则无需再通过试验认证就可认定其已构成本安系统。

表1 本安参数匹配关系

根据IEC 60079-14-2007中“12.2.5.2”条第5段规定，如果本质安全电路中总分布电感和总分布电容同时＞1%Lo和＞1%Co，计算时Lo和Co应按照表1第6和第7行的匹配关系进行核查，且表1注③提及的比较L/R值的方法不适用于这种情况。

船舶设计阶段电缆的长度无法精确确定，若关联设备参数已确定，则可首先根据关系式倒推出电缆最大允许分布电容和电缆最大允许分布电感，然后分别计算出电缆的最大允许长度并取小者，计算式为

根据表1的匹配关系可知，设计单位在送审本质安全电路校核计算书时，应在计算书中提供现场本安设备参数、电缆参数及关联设备参数，这些参数可从设备合格证书、设备标志和说明书中获得。计算书中提供的本安参数应与实船一致并需得到现场验船师的认可。现场本安设备如为简单设备中的储能元件或有电容/电感的有源元器件，也应采用上述参量认证的方法核查。

3.2 含有多个关联设备的本质安全电路

如果本安回路包含2个或2个以上关联设备，则系统的安全性校核方法比较复杂，具有线性电流/电压特性的关联设备可进行理论计算校核，而非线性电流/电压特性的关联设备需根据IEC 60079-11-2006《爆炸性气体环境用电气设备：第11部分本质安全型“i”保护的设备》［3］第10.1条进行火花点燃试验。

线性电流/电压特性的关联设备的各项参数可通过以下方法来获得，确定参数后再根据表1中的匹配关系进行校核。

1） 按照关联设备规定的Uo和Io值，确定在故障情况下本质安全电路系统的最大电压和电流。一般考虑以下3个因素。

（1） 仅电压相加（见图2）。在关联设备串联时，本质安全电路与非本安电路电气隔离情况下，仅需考虑电压相加，无需考虑电路极性。此时本质安全电路系统最大电压和电流分别为：

（2） 仅电流相加（见图3）。电源两极并联情况下，电流相加是必需的，此时本质安全电路系统最大电压和电流分别为：

图2 串联——电压相加

图3 并联——电流相加

（3） 电压相加并且电流相加（见图4）。在这种连接方式下，取决于不同的故障情况，关联设备任何电极间均可能相连，此时关联设备可能会串联，也可能会并联。因此，应该分别考虑关联设备串联（仅电压相加）及并联（仅电流相加）2种情况下的本安系统最大电压和电流。此时本质安全电路系统最大电压和电流分别为：

2） 检查系统最大电流Io乘以1.5倍安全系数是否超过电阻电路引燃曲线（见图5）中对应系统最高电压Uo、相应设备类别得出的电流值，或者通过查询IEC 60079-11附录A表A1“电压和设备级别相对应的允许短路电流”进行上述核查。

3） 最大允许电感Lo，可根据IEC 60079-11中相应设备组别对应的电感引燃曲线（见图6），由系统最大电流乘以1.5倍安全系数得出。

4） 最大允许电容Co，可根据IEC 60079-11附录A图A2“C+0Ω”引燃曲线或“II类电容电路引燃曲线”（见图7），由系统最大电压乘以1.5倍安全系数得出；或者也可通过查询IEC 60079-11附录A表A2“电压和气体级别相对应的允许电容”得出。

图4 串联和并联——电压相加和电流相加

4 船舶上本质安全电路分布概况

根据船上危险区域存在情况，船舶主要可分为以下几类。

（1） 普通干货船和客船等。由于不运输危险货物，船上危险区域主要是油漆间、蓄电池室和乙炔间等，这些危险区域对电气设备的防爆要求未局限为本安型，因此这些船上本质安全电路较少，一般出现在固定式探火和灭火系统中，还有部分加热温度超过规定值的燃油舱内也只能安装本质安全型设备，如温度传感器、液位传感器等。

图5 电阻电路引燃曲线

图6 IIC类电感电路引燃曲线

图7 II类电容电路引燃曲线

（2） 运输带包装的危险货物或散装固体危险货物的船舶，如散货船、集装箱船、滚装船等。除上述（1）中涉及的本质安全电路外，在货舱进水探测系统（针对散货船）安装在货舱内的电路部分应为本质安全电路。

（3） 液货船（如油船、化学品船及液化气体船等）。根据 IEC 60092-502-1999《船舶电气设备-第 502部分液货船特殊要求》［4］的规定，0类危险区内只能安装“ia”本质安全型设备和“ia”等级本质安全电路内包含的简单电气设备和元件，因此液货船比其他船型增加很多本质安全电路（如液货舱的液位、压力及温度等测量系统），而可燃气体探测系统的探测器一般也采用本质安全型设备。

（4） 双燃料或单一气体燃料推进船舶。近年来很多船舶采用双燃料（柴油、天然气）或单一气体燃料推进方式，根据《船上天然气燃料发动机装置安全暂行指南》（IGF）以及CCS《天然气燃料动力船舶规范》［5］相关规定，这些船上也存在 0类危险区，这些区域内只能安装“ia”本质安全型设备和“ia”等级本质安全电路内包含的简单电气设备和元件，如燃料气罐的液位、压力及温度等测量系统。

上述船舶上的本质安全电路，除非整个本安回路得到了整体认证，所有的本安回路均应采用参数认证方法逐一进行本安计算校核。

5 本质安全电路计算实例

1） 船舶上的一个本安电路通常只有一个关联设备，以某液货船货舱内高液位开关为例，安全栅装在主甲板安全区域储藏室内。本安回路见图8，本安参数见表2。

图8 高液位开关本安回路

表2 本安参数

根据表2可知， 1%Lo＞ Li+Lc， 1%Co＞ Ci+Cc，因此不用满足表1第6行和7行匹配关系。按照表1中第1～5行匹配关系核算，得出表3所示结果。

表3 按表1中第1～5行匹配关系核算所得结果

本安电缆最大长度按以下公式计算，两者取小者：

（1） lmax1=（Co- Ci）/Ck= 6 000 m ；

（2） lmax2=（Lo- Li） Lk= 2 213m 。

图9 固定式探火系统本安回路

通过上述核算，该条电路可认定为本质安全电路，且本安电缆长度应≤2213m。

2） 船舶上固定式探火和失火报警系统有时会出现一个防爆隔离栅连接一只本安探测器和一只手动报警按钮（或另一只本安探测器）的本安回路设计。举例如下，本安回路见图9，本安参数见表4。

表4 本安参数

该案例中，手动报警按钮和火灾探测器并联连接，电路中总输入电容 Ci=Ci1+Ci2+Cc1+Cc2=5.7，2个设备的内部电感均为0，且隔离栅提供了 Lo/Ro值，因此可采用表1中注③的方法。

由表3中的参数可知，Lo/ Ro＞ L/ R， 1%Co＜ Ci，不用满足表1第5、第6和第7行的匹配关系。按照表1中第1～4行的匹配关系核算，得出表5所示结果。

表5 按表1中第1～4行匹配关系核算所得结果

本安电缆最大长度按以下公式计算，两者取小者：

（1） lmax1=（Co-Ci1- Ci2）/Ck= 763m ；

（2） lmax2=（Lo-Li1- Li2）/ Lk= 9556 m 。

通过上述核算，该条电路可认定为本质安全电路，且本安电缆长度应≤763m。

6 结 语

通过核查本安电路中相关参数，可避免其未达到本质安全标准的隐患。介绍了本质安全电路的组成、本安参数的基本概念及本质安全电路核查的方法，可为本质安全系统的设计和审核提供参考。

［1］ 中国船级社. 钢质海船入级规范2015修改通报［S］. 北京：人民交通出版社，2015.

［2］ IEC. 爆炸性气体环境用电气设备—第14部分：IEC 60079-14［S］. 2007.

［3］ IEC. 爆炸性气体环境用电气设备—第11部分本质安全型“i”保护的设备：IEC 60079-11［S］. 2006.

［4］ IEC. 船舶电气设备-第502部分液货船特殊要求：IEC 60092-502［S］. 1999.

［5］ 中国船级社. 天然气燃料动力船舶规范［S］. 北京：人民交通出版社，2013.

Verification Method for Intrinsically Safe Circuit

CUI Yan

（CCS Rules & Technology Center， Shanghai 200135， China）

In consideration of the importance of calibration for intrinsically safe circuit in the production safety and the new requirements for the documentation to be submitted for the approval of intrinsically safe circuits according to China Classification Society（CCS）RULES FOR CLASSFICATION OF SEA-GOING STEEL SHIPS 2015， this paper presents the components of intrinsically safe circuit and introduces the basic concept of intrinsically safe parameters； then describes the details of the verification method for the intrinsically safe circuit both with only one associated apparatus and with more than one associated apparatus； deduces the calculation formula of the longest length permitted for cables and summarizes the possible intrinsically safe circuit types on different ships. Examples are given to show what parameter contents and conclusions should be included in the intrinsically safe circuit profile.

intrinsically safe parameter； intrinsically safe circuit inspection； intrinsically safe cable

U665.12

A

2095-4069 （2016） 04-0033-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.008

2015-07-17

崔艳，女，工程师，1984年生。2005年毕业于上海海事大学电气工程及其自动化专业，现从事船级社审图工作。