本安电路设计方法 1

我国防爆电气产品以本质安全型产品最多，本安型电气设备是一种内装本质安全电路的设备，它包括设备和电路，还可以包括关联设备以及连接电缆，是石油、化工、煤炭等存在可燃性气体场合中广泛应用的设备。本安型电气设备由于具有体积小、重量轻、安全可靠等优点，因而倍受用户欢迎。

本安电路设计基本原则

本安型电气设备是指该设备的全部电路，在规定的试验条件下产生的电火花或热效应均不得点燃规定的爆炸性气体混合物的电气设备。

在该定义中：

规定的试验条件指用代表性气体、加安全系数采用标准试验装置并考虑正常工作和规定的故障条件等；

电火花指电容性电路的放电、电感性电路的开路放电、电阻性电路的导通和断开放电及炽热导线的熔断；

热效应指导线束的发热、灼热发光的灯丝和元件表面高温。

根据本安型电气设备的定义，在本安电路设计时可遵循下面几个原则：

本安电路与其他电路适当隔离

我们知道，本安型电气设备主要靠自身的电路参数来保证它的防爆安全性能的，因此本安型电气设备和关联设备的本质安全部分原则上不需要外壳进行保护，但实际使用中为了防止可能遭受外部侵害，则需要采取外壳保护措施。采取的外壳保护措施有机械隔离和电气隔离。

机械隔离通常采用的是电缆（或电线）直接连接在它的接线端子上，或者用插头 - 插座方式插接连接。

接线端子设计，应满足以下要求：

．接线端子应采用导电性能好、机械性能好的材料制成，如黄铜。且端子的结构要保证导线连接可靠，不发生松动。

．本安电路接线端子之间、本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间的电气间隙和爬电距离应该符合表1中规定要求。另外，在电路设计时要求外部导线连接后，导线裸露的带电部分之间的电气间隙不应该小于6mm，导线裸露的带电部分与接地金属导体之间的电气间隙不应该小于3mm。

表1   爬电距离、电气间隙和间距

    在电压低于10V时，绝缘材料的相比漏电起痕指数不需要规定。

．本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间，应该设置必要的隔离措施，以防止接线松脱出现“搭线”现象。这种措施有两种形式：

．本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间至少相隔50mm间距；

．本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间采用隔板进行隔离，这种隔板可以是接地金属板，也可以是非金属隔板。

在设计插头与插座连接时，原则上，在未连接的情况下，插头应连接在非带电侧，插座应连接在带电侧，并且插接后应该锁紧。

电气隔离

电气隔离指元器件采用电气隔离措施而保证非本安的能量或其它电路能量不能影响本安电路特性。这种电气隔离能将本安电路与非本安电路可靠分隔。

根据电路特点和需要，可采用下列方法（之一）进行电气隔离：

．变压器隔离

这种方法一般是作为交流信号或脉冲信号的转换隔离，是比较简单的，只要按其本安侧的参数进行计算或附加一下保护环节，即可达到把本安电路与非本安电路电气隔离的目的。变压器必须满足以下要求：

在电源变压器中，向本安电路供电的所有绕组同其它绕组应该可靠地隔离，设计人员可采用下列两种结构进行隔离。

． 向本安电路供电的所有绕组和其它所有绕组并列地布置在铁芯的的一个芯柱上，或者，将向本安电路供电的所有绕组和其它所有绕组分别布置在不同的芯柱上。不管哪种方式，绕组之间都必须按照表1中的规定进行可靠的隔离。

．在向本安电路供电的所有绕组和其它绕组之间进行接地屏蔽隔离，这种情况下，接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径，应能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流而不损坏。接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径必须符合表2规定。

表2  屏蔽的最小金属箔厚度或最小导线直径与熔断器额定电流的关系

利用可靠电阻，可以降低电压减小电流使非本安电路与本安电路隔离。

．隔离电容器

隔离电容器主要用于非本安电路与本安电路之间、本安电路与本安电路之间的隔离，其功能是传递检测信号，隔离直流危险电位。它由两个参数相同的电容器串联而成，它的额定电压应该为电路中可能出现的最高电压的1.5倍值。

．熔断器

在本安电气设备中，当熔断器被用来保护相应电路时，则熔断器应该能够连续地通过1.7In的电流（In熔断体的额定电流）。

．继电器

继电器也可以把本安电路和非本安电路隔离。它多用于控制或传递回路中，在使用继电器时，必须满足下列要求：

． 非本安电路触点的开闭回路不超过5A（有效值），250V（有效值）或100VA，其电气间隙、爬电距离应该符合表1规定要求。

．当继电器触头损坏时，触点不允许脱落，也不允许因其故障而影响本安电路和非本安电路隔离的可靠性。

．继电器绕组应能承受其连接处的最大耗散功率。

．安全栅隔离

安全栅隔离是设置于本安电路和非本安电路之间最常用的可靠的隔离组件，它能阻止危险能量进入到危险区。

对于“ia”等级本安电路用的安全栅，不允许采用可控半导体器件进行隔离。对于二极管安全栅应该满足下列条件：

．至少装二只二极管，并且至少设置两个的接地端子，而且每个接地端子能够连接截面积不小于4mm2的绝缘导线。

．二极管安全栅的试验除检查电路组装及相应的输入、输出端子的正确性外，主要是检验电路中所用二极管的性能指标。

．光电耦合器

一般在电路功能允许的情况下，尽量采用光电耦合器进行本安电路与非本安电路的隔离。尤其是对不同负载采用光电耦合器隔离，方法简单，可靠，同时可减少许多防爆性能试验。

在使用光电耦合器件对本安电路和非本安电路进行隔离时，应该在非本安电路的终端配置适当的保护环节，以保证非本安电路的电压和电流不超过光电耦合器件的额定值的2/3。

本安电路在规定的条件下，其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物

在设计本安电路时必须以最不利的工作条件和故障状态下，利用已知元件的热特性以及在适当的故障条件下可能承受的最大功率来计算或测定该元件的表面温度，判定是否满足允许的温度要求。

对设备内导线的选择要考虑导线自身的发热温度，也就是说，要考虑导线最大允许通过的电流。

在一般情况下，对于铜导线，对应于最高导线自身发热温度的最大允许电流可从表3获得。

表3   铜导线的温度组别（最高环境温度为40℃时）

导线直径

            对于绞合导线，截面积为所有绞合导线的总截面积。

            该表也适用挠性扁平导线，例如带状电缆，但不适用印刷电路导线。

            直径和截面积为标称尺寸。

            当Pi不超过1.3W时，可以判定导线为T4温度组别，并且对于I类也是允许的。

对于金属导线也可用下列公式计算：

        I = If[t(1+αT)/T(1+αt)]1/2

式中，I – 最大允许电流，A

      If – 导线在40℃环境温度时的熔化电流，A

      t – 自热导线温度和环境温度，℃

      T – 导线熔化温度，℃（对于铜为1083℃）

      α  – 导线材料的电阻温度系数（对于铜为0.004265K-1）

对于本安电路，应根据其电气设备规定的等级（“ia”级，“ib”级）进行试验和评定，其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物

这一原则是指其电路在正常工作或故障状态产生的电火花，不得点燃规定的爆炸性气体混合物。该原则是本安电气设备最基本的本安特征。电火花是指设备在正常工作状态下和故障状态下，电器元件、连接导线、插接件等的断路或短路而产生的火花。只有保证这些电火花不能点燃规定试验气体的情况下，方可判定电路为本安电路。