一、本安防爆技术 　　

本安防爆技术是目前唯一被标准化适合于0区的技术。对于自动化仪表，常用的防爆形式依次是本安型、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了更为广阔的空间。特别是由于本质安全型(也称“本安型”)防爆形式与其他防爆形式相比，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等特点，因此这种抑制点火源能量为防爆手段的本安防爆已为仪表制造商和用户接受。

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或热效应的能量小于这个能量时，低度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，可靠地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。通常对于氢气(ⅡC)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。

1)、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、重量轻和造价的特点。据资料，建立一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为1：4.

2)、可在带电工况下进行维护、标定和更换仪表的部分零件等。

3)、安全可靠性高。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。

4)、由于本安防爆技术是一种“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。

5)、适用范围广。本安技术是唯壹可适用于0区危险场所的防爆系统。

6)对于像热电偶等简单设备，不需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其系统的设计。

3、本质安全设备及关联设备　　

两种：本安电气设备和关联设备。

1)、本安电气设备　　

在标准所规定的条件下(包括正常工作和规定故障条件)，产生的任何电火花和热效应尚不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气设备。它可用于危险场所。　　

它可分为一般本安电气设备和简单电气设备。　　

一般本安电气设备　　

具有储能元件，是需要防爆认证的本安电气设备，如变送器、接近开关等。　　

简单电气设备　　

根据制造商的技术条件，电气参数值均不超过1.2V，<0.1A,<25mW，<20uJ的电气设备，它们无需防爆认证。可以自由地配置在本安回路中。如：电阻(包括可变电阻)、发光二极管、开关、热电偶、热电阻、应变仪。

2)、关联设备(安全栅)　　

一种安装在安全场所，本安电气设备与非本安电气设备之间相连的电气设备。　　

安全栅能将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。本安系统回路的示意图如下：

4、本安电气设备的分类

1)、类别　　

基于标准GS3836.1《爆炸性气体环境用电气设备第1部分通用要求》规定的电气设备分类原则，本安仪表可分为两类：

I类：煤矿用本安仪表(mining industry) 　

Ⅱ类：工厂用本安仪表(surface industry)

Ⅱ类工厂用本安仪表，跟气体分组一样，可进一步分为A、B、C三级。

2)、级别　　

本安仪表及关联设备，按其使用场4所或相连场所的安全程度可分为ia和ib二个级别。

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级仪表在大考虑二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级仪表的安全程度要比ib级仪表高，ib级仪表仅考虑仪表产生一个故障时不会产生安全失效，但若仪表出现**次计数故障时，就可能会产生安全失效。　　

因此，ib级本安仪表的安全程度要比ia级仪表差，它跟隔爆和增安等防爆型式的仪表一样只适用于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区危险场所的本安仪表或设备相连接。而ia级本安仪表可以用于危险等级高的0区危险场所;ia级本安关联设备可与0区危险场所的本安仪表或设备相连接。ia级本安设备是所有防爆型式中安全程度高的一种。

3)、设备温度等级　　

设备温度等级规定了设备表面的高允许温度值。这主要基于技术和经济上的考虑。在绝大部分情况下，工作时是有较低温度等级的设备购买和安全费用较高。通过比较，选用本安设备将更加有效和经济。直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而关联设备不需要进行设备温度等级的部分。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引起燃烧爆炸。

5、防爆标志　　

本安仪表的防爆标志跟其他防爆型式的防爆标志一样，它实质上是仪表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用三个参量来定义。

1)、危险场所区域　　反映可能出现危险气体的频率或持续时间，亦即产生爆炸的危险程度。2)、危险性气体的种类，即气体组别考虑可能出现的危险气体的点燃能量。

3)、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，本安仪表的防爆标志也必须在“Ex”防爆标记后，依次表达出仪表可适用的区域、气体组别和温度组别三个参量。

本安电气设备防爆标志

例如，防爆标志ExiaIIBT4表示本安设备可适用于气体组别不高于II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

例如，防爆标志[Exia]IIB表示安全栅可适用于气体组别不高于II类B级的0区危险场所。

二、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，且不限制使用场所(其中ia等级在0区、I区、II区危险场所均适用)和爆炸性气体混合物的种类(限包括所有可燃性气体);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。

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限相措施，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，以保证该设备不论是正常工作还是故障状态，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高电流(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。

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到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，依此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。　　

连接电缆本安性能的基本参数如下：　　

电缆最大允许分布电容(Ci)　　(Cc)=(Ck)*L 　　　　　　

电缆最大允许分布电感(Lc)　　(Lc)=(Lk)*L　　

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

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中故障状态，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(小点燃能量)以下的保护功能。　　

安全栅本安性能的基本参数：　　

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高电压(包括Um和Ui)时，可能出现的本质安全电路的高输出电压(交流峰值或直流)。　　

最大输入电流(Io)　　

来自电气设备连接装置的本质安全电路的大电流(交流峰值或直流)。　　

最大输入功率(Po)　　

能从电气设备获得的本质安全电路大功率。　　

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大电容。　　最大外部电感(Lo)　　

可能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大电感。

4、本安系统组合条件　　

为保证设备的安全正常使用，本安系统各配置间必须满足以下条件。

a)、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。

b)、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。

三、本安系统设计一般要求1、本安系统配置设备选用原则　　

本安系统由本安现场设备、关联设备(也称安全栅)和连接电缆三部分组成，就本安防爆性能而言，它们必须满足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四个条件。这些设备配置的选用原则是：

1)、本安电气设备的选用原则　　

简单设备：按照GB3836.4-2010防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，且其能量不超过20μJ或功率不超过25mW的电气设备可视为简单设备，其中常见的仪表设备有热电偶、热电阻、pH电极、应变片和开关等，它们的典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0，内部等效电容Ci=0。　　

本安电气设备：安装于危险场所的现场设备，必须明确以下问题：

a)、是否已按照GB3836.1-2010和GB3836.4-2010要求设计并已被防爆检验机构认可的本安电气设备;

b)、防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求;

c)、明确Ui、Ii、Pi、Ci、和Li参数;

d)、本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离。e)、信号传输是以何种方式进行;

f)、本安电气设备的低工作电压及回路正常工作电流。　　

在上述问题明确的基础上，选择与之对应的安全栅。

2)、安全栅的选用原则

a)、安全栅的防爆标志等必须不低于本安现场设备的防爆标志的等级。

b)、确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的低工作电压。

c)、安全栅的本安端安全参数能够满足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo≥Lc的要求。

d)、根据本安现场仪表的电源极性及信号传输方式选择与之相匹配的安全栅。

e)、避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作。

f)、安全栅有两大类，一类为齐纳式安全栅，另一类为隔离式安全栅。

3)、连接电缆的选用原则　　

用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的连接电缆，其分布参数在一定程度上决定了本安系统的合理性及使用范围，因此必须符合以下条件。

a)、连接电缆规格　　

连接电缆为铜芯绞线，且每根芯线的截面积不小于0.5mm2。　　

介质强度应能承受2倍本安电路的额定电压，但不低于500V的耐压试验。

b)、连接电缆长度的限制　　

在本安系统中，现场本安仪表和连接电缆同为安全栅的负载，当安全栅与现场本安仪表选定后，也就决定了连接电缆的长度。其具体方法如下。　　

根据Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式计算电缆的大外部分布参数;　　

按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分别计算电缆长度，取两者中的小值作为实际配线长度L，但多芯电缆，应考虑相互叠加影响。　　

目前国内已有多家电缆生产厂生产专为本安系统设计的本安用特殊电缆，为方便比较选用，下面表1给出了典型普通连接电缆的分布参数，表2给出了典型国产本安用特殊电缆分布参数，以供参考。

表一　典型普通电缆线的分布参数

RVV：铜芯聚氯乙烯绝缘及护套软线　RVVP：铜芯聚氯乙烯绝缘、金属屏蔽及护套软线

表二　典型国产本安仪表用特殊电缆分布参数

2、本安系统的优化配置

　　实现本安系统的优化配置应将上述环节统筹考虑。从本安电路设计角度及实际使用情况分析，电缆的分布参数是影响本安系统应用的主要因素。为了提高系统允许的电缆分布参数，可以通过提高安全栅允许外接参数和降低本安设备内部等效参数的方法来实现。

1)、对于提高安全栅允许外接参数，可以通过优化分析，合理选择安全栅，尽量选择具有较低高开路电压和大短路电流的安全栅来实现。

2)、对于降低本安仪表内部等效参数，通常也可通过前述的抑制本安仪表电路中电容电感储能相同的方法来完成。但是在实践中，还有一种更有效地抑制本安仪表输入电容的方法，即在本安仪表输入端加上两个串联的正向二级管，并与整个本安电路胶封为一体。这种方法的应用，不仅使本安仪表具有反极性保护的功能，而且由于双重化二极管的作用，可靠地阻断了本安仪表内部电容对电路的放电回路，从根本上避免了仪表内部电容对外电路的影响，此时仪表的内部等效电容可近似的认为是零，即Ci=0，从而大大提高了本安系统的允许电缆分布电容。此时，Cc=Co。

3、本安系统现场布线原则

1)、整个系统的接线必须按检验机构认可的系统组成。

2)、慎防本安回路与非本安回路混触。

3)、从控制室到现场的本安电缆与非本安电缆分别敷设在各自的汇线槽内，中间用隔板分开，汇线槽带盖，以防外部机械操作损伤。

4)、从现场接线盒或汇线槽引到本安仪表的电缆敷设在钢管内，以防机械损伤及电磁感应引起的危险。

5)、本安电缆和非本安电缆不公用一根金属线管和同一个现场接线盒。

6)、连接电缆及其钢管、端子板应有蓝色标志(或**蓝色胶带)，以便识别。

7)、齐纳式安全栅的接地汇流条及接地装置须满足安全栅的使用说明书及有关电气安全规程的要求。

8)、多个本安电路或关联电路不应共用同一电缆(电缆线芯分别屏蔽者除外)或共处同一钢管内(用屏蔽导线除外)。

4、安全栅选择　　

安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。

1)、齐纳式安全栅　　

齐纳式安全栅采用在电路回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压齐纳二极管实现能量的限制，保证危险区仪表与安全区仪表信号连接时安全限能。它采用器件非常少、体积小、价格低，但也有一些致命的缺陷，使应用范围受到较大的限制。目前采用显下降趋势。

齐纳式安全栅原理示意图

a)、使用齐纳式安全栅，工厂必须要有专门的本安接地系统，本安电路的接地电阻必须小于1Ω。

b)、使用齐纳式安全栅，危险区现场本安表必须为隔离型的，非隔离型的仪表不能采用。

c)、使用齐纳式安全栅，对供电电源电压响非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速保险丝烧断而长久损坏，按规定齐纳式安全栅内部齐纳管、限流电阻、保险丝整体浇封，一旦损坏无法修复。

d)、使用齐纳式安全栅，信号负极均要接至本安接地，这样大大降低系统信号抗干扰能力，影响系统的可靠性，特别对于DCS系统影响尤为明显。

2)、隔离式安全栅　　

隔离式安全栅不但有限能功能，还有隔离功能，它主要由回路限能单元、信号、电源隔离单元和信号处理单元组成。其基本功能框图如下：

它包括独立供电隔离式安全栅和回路供电隔离式安全栅两大类。

a)、隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比，虽然价格要高一些，但是它许多优点和特点还是给用户带来许多方便，使越来越多用户偏向选择隔离式安全栅。

b)、使用隔离式安全栅，可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工。

c)、使用隔离式安全栅，大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高系统可靠性。

d)、使用隔离式安全栅，允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的。

e)、隔离式安全栅有许多保护功能电路，意外损坏的可能性较小，允许现场仪表带电检修。这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间。

f)、隔离式安全栅有较强的信号处理能力。如开关量输入状态控制、mV、Pt100变为4～20mA等等。这样给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便、合理和有效。

g)、当用户同时应用DCS和ESD时，选用一进二出的安全栅，可以有效地将两个系统隔离开来，避免系统之间互相影响。

h)、回路供电隔离式安全栅既保持有源隔离式安全栅的优点，又有齐纳式安全栅一样的接线方便，不需要另外24V电源供电，特别适合配I/O卡直接供电的DCS系统。

5、安全栅的接地分析　　

齐纳式安全栅如果不接地，如下图示。若当安全区内配电故障导线一个对地高电势(交流220V的相线)落在安全栅上时齐纳管只限制齐纳式安全栅导线之间的电压U0，但无法限制任何一线对地的电势，该电势被引入危险区，一旦现场仪表对地绝缘隔离不好，对地产生短路，立即产生强大的地电流，这样的高电势和对地电流的能量并没有得到限制，因此，极可靠产生火花而引起危险。

若安全栅有可靠接地，如下所示，当同样的故障发生时，齐纳管限制了对地的电势，故障电流只能在安全区内流过，这样确保危险区的现场安全。这个接地也叫“本安接地”。

采用隔离式安全栅的情况

当故障发生时，由于隔离式安全栅内有可靠的隔离单元，它对地产生电势，但对地电流不可能从可靠隔离单元流向危险区，因此在安全栅的本安电路侧不需要专门本安接地，只要按照一般要求。如利用屏蔽电缆的话，在现场仪表侧或控制室一侧把电缆屏蔽接地即可。

四、本安系统认证

1、认证标准和认证机构　　

认证标准：　　

标准GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求(eqv IEC 60079-0：1998)》和GB3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”(eqv IEC 60079-11：1999)》标准是等效采用IEC 60079标准，该标准于2000-10-17发布，2001-06-01实施，替代原来的GB3836.1983标准。

2、本安系统认证　　

本安系统的检定认可要涉及到现场本安设备、关联设备及其布线。目前，国际上对本安防爆系统的认可没有严格的规定，即不同的、地区，不同的厂家，甚至不同的产品采取不同的方式。但是归纳起来主要有两种认可方式，即系统认可和参量认可。

1)、本安系统认可　　

系统认可(System Approva1)是一种防爆检验机构将特定的现场仪表认定与特定的安全栅配套，同时将电缆的分布电容和分布电感以集中参数的方式给出的认证方式。这种认可工作往往基于对电路分析验证或必要的火花点燃试验，对由特定本安设备与关联设备组合而成的系统进行合理性和安全性确认，并由检验机构出具相关书面文件(通常称为防爆联合取证)。

本安系统认证框图如下：

系统认可方式中，组合配套关系明确，系统检定合格，用户选用简单，整体防爆性能容易保证，但组合灵活性差。

2)、本安系统参量认可　　

参量认可是一种对要认可的本安设备和关联设备，分别规定其安全参数，然后对其单独评价安全性能，后根据安全参数匹配的原则，将本安设备与关联设备相连接的方式。这种以设备本身安全额定值为基础的检定认可方式，目前在欧美较为流行，有可能成为国际上通用认可方式，其认可关系如下图。

在参量认可方式中，将本安设备与关联设备先“视作”断开状态，在各自的端子规定其安全参数额定值。　　

其中：　　

对安装在危险场所的本安设备，给出下列安全参数有Ui、Ii、Pi、Ci和Li。　　

对安装在安全场所的关联设备，给出下列安全全参数有Uo、Io、Po、Co和Lo。　　

然后对本安设备和关联设备分别设想两个独立的故障进行。所谓安全参数额定值是仪表保持安全性能的大额定值，以此额定值为基础，来评价本安设备的本安性能。　　

当上述安全参数认可后，电缆分布参数可根据下列公式得出Cc≤Co-Ci Lc≤Lo-Li　　

在参量认可方式中，通常应对本安设备和关联设备分别进行认可，标上各自编号的合格标签，以此构成的系统，两者的合格证编号是不同的。　　

参量认可的大优点是使用者可以自由选配实现本安系统的组合，使用者只要掌握各自的安全参数的额定值，按照确保安全性能的选配条件，便可自行构成本安系统(见本安系统的组合条件)。　　

本安系统的认证无论采取上述何种方式，除考虑检成系统的三要素：本安现场仪表、连接电缆和关联设备之外，还应结合其结构特征、是否接地、二次仪表的阻抗等综合考虑。目前，我国防爆检验机构主要采取的认可方式实质上仍为“系统认可”方式，即“联合取证”方式，并逐步向“参数认可”方向推进。在进行关联设备检定认可时，在认可文件中给出了高开路电压Uo、大短路电流Io、大允许外接电容Co和大允许外接电感Lo四个参数。而在进行本安设备检定认可时，在认可文件中又规定配套使用的关联设备的型号规格(可以是一个或多个)以及系统允许的电缆分布参数值，它在考核确认各自安全性能的基础上，加以考虑相互间的系统匹配而确定的本安系统配备，确保了整个系统的防爆安全性能。