在石油、石化等過程行業(yè)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實踐中必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。自控儀表設(shè)備采用的防爆技術(shù)主要有：本安(Ex i)、隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)等各類型。在眾多的防爆技術(shù)中，本安防爆技術(shù)作為一種以抑制點火源能量為防爆手段的安全技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕，可帶電維護、標(biāo)定和更換零件等優(yōu)點，目前在各個行業(yè)的工程項目中已得到了廣泛應(yīng)用。

在某化工項目中業(yè)主提出：根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，如果沒有對本安回路進行嚴(yán)格的計算，在生產(chǎn)過程中仍然會有30%左右的回路存在安全隱患。即使目前國內(nèi)對本安計算無特殊要求，業(yè)主仍要求在項目設(shè)計過程中對每條本安回路進行嚴(yán)格的本安回路計算，本安回路計算的依據(jù)是國際電工委員會IEC 60079-14:2007的相關(guān)規(guī)定。

本安回路設(shè)計基本要求：通過控制電路的電參數(shù)(如減小電感和電容等儲能元件參數(shù))，或降低電路電流和電壓，使電路達到本安防爆要求；電路中元器件要有足夠的功率，連接導(dǎo)線應(yīng)具有足夠截面，以使電路在各種故障條件下可能產(chǎn)生的高電壓和大電流不會破壞元件性能，通過元件的可靠性來保證電路的可靠性。這就要求對本安回路中相應(yīng)的電氣元件參數(shù)進行計算，即本安回路計算，以達到相關(guān)安全規(guī)范的要求，使安全生產(chǎn)更有保證。

1、本安防爆技術(shù)簡介
本安防爆技術(shù)的基本原理是以限制能量的原則達到防爆的目的，本安技術(shù)在回路正?；虍惓Ｇ闆r下，可靠地將電路中的能量限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)備發(fā)生短路、元器件損壞等情況下，不至于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。

本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)簡稱本安回路系統(tǒng)，由三部分組成：現(xiàn)場本安設(shè)備、本安電纜及關(guān)聯(lián)設(shè)備，如圖1所示。系統(tǒng)回路以安全柵為界分為本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路。從安全柵通過本安電纜連接到現(xiàn)場儀表所構(gòu)成的電路為本安電路；從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本安回路。

 
圖1 典型本安回路示意

①現(xiàn)場本安設(shè)備
◆簡單設(shè)備
按照規(guī)范 IEC60079-14[ 3.5.2]規(guī)定，無源元器件，例如開關(guān)、接線箱、電阻以及簡單半導(dǎo)體元器件可視為簡單設(shè)備；對于儲能有源元器件例如電容、電感，當(dāng)其設(shè)計參數(shù)能保證系統(tǒng)的全面安全時可被視為簡單設(shè)備；對于產(chǎn)生能量的有源元器件，例如熱電偶、光電池，當(dāng)其產(chǎn)生的能量電壓不超過1.5V，電流不超過100mA，且功率不超過25mW的電氣設(shè)備，這樣的電氣設(shè)備可視為簡單設(shè)備。它們無需防爆認(rèn)證，可以自由地配置在本安回路中。
◆本安設(shè)備
具有儲能元件，需要防爆認(rèn)證的本安電氣設(shè)備，如變送器、接近開關(guān)等。

②本安電纜
儀表與控制室之間的連接電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，特別是距離較遠或儀表的設(shè)計參數(shù)接近本質(zhì)安全所容許的最大值情況下，就需要考慮分布參數(shù)和限制配線長度。這是因為分布電感和分布電容都是儲能的，在電纜發(fā)生故障時，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，不同程度上有增加點燃的危險性，影響系統(tǒng)的本安性能。
電纜最大允許分布電容：Cc=Ck×L
電纜最大允許分布電感：Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長度分布電容；Lk為電纜單位長度分布電感；L為實際配線長度。

③關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)
安全柵是本質(zhì)安全防爆儀表系統(tǒng)中最常用的 關(guān)聯(lián)設(shè)備, 它連接在本安電路與非本安電路之間, 其作用是限制電流和電壓, 不使危險能量竄入到本安電路中去，以確保本質(zhì)安全電路的安全性能。安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類，目前齊納式安全柵已逐步被隔離式安全柵替代。

2、本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的認(rèn)證方法
目前，國際上各檢驗機構(gòu)對本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的檢驗認(rèn)證方法有3種：系統(tǒng)認(rèn)可、參量認(rèn)可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)認(rèn)可。
①系統(tǒng)認(rèn)可
系統(tǒng)認(rèn)可也稱“ 聯(lián)合取證”，是指把被檢驗的指定本安儀表和被檢驗的指定關(guān)聯(lián)設(shè)備相組合所構(gòu)成的系統(tǒng)進行認(rèn)可。一經(jīng)認(rèn)可后，系統(tǒng)中任一設(shè)備不能用未經(jīng)檢驗機構(gòu)按這種組合方式檢驗認(rèn)可過的任何其他型號、規(guī)格的本安設(shè)備(儀表)或關(guān)聯(lián)設(shè)備代用。
目前中國檢驗機構(gòu)認(rèn)可的方法主要是系統(tǒng)認(rèn)可，但是這種認(rèn)證方法在本安儀表和安全柵種類較多的情況下，認(rèn)證程序較為繁瑣，已經(jīng)不太適用于現(xiàn)在的工業(yè)設(shè)計。

②參量認(rèn)可
在國外的項目中較多使用的是參量認(rèn)證。參量認(rèn)可是指對單臺設(shè)備(本安儀表或關(guān)聯(lián)設(shè)備)進行的檢驗認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)。通常，采用這種方法認(rèn)可的本安設(shè)備可以與具有相兼容的安全參數(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)備連接使用。美國FM(工廠聯(lián)研會)把這種認(rèn)可方法稱為“ 整體認(rèn)可”， 把相應(yīng)的安全參數(shù)稱為“ 整體參數(shù)”。這些參數(shù)包括以下內(nèi)容：
◆本安設(shè)備的整體參數(shù)
Ui為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓；Ii為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電流；Ci為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護的電容；Li為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護的電感。
◆關(guān)聯(lián)設(shè)備的整體參數(shù) :
Uo—為開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電壓，Io—為短路電流，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電流；Co—關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電容；Lo—為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電感。
采用參量認(rèn)可，用戶在進行本安系統(tǒng)設(shè)計時，只需比較關(guān)聯(lián)設(shè)備和本安設(shè)備的整體參數(shù)。當(dāng)它們滿足下列關(guān)系式時，不必經(jīng)檢驗機構(gòu)認(rèn)可，就可構(gòu)成本安系統(tǒng)。
安全柵、本安儀表、電纜的安全參數(shù)匹配，要滿足表1中的5個不等式：

表1 簡單本安回路計算的5個不等式

注:∑Lc和∑Cc—為連接電纜分布電容和分布電感。

參量認(rèn)可是目前國外項目使用較廣泛的認(rèn)證方法，也已經(jīng)被中國國家級儀器儀表安全監(jiān)督站所認(rèn)可，表1的5個不等式是核算本安回路是否符合規(guī)范要求的關(guān)鍵。

③FISCO認(rèn)可
FISCO即所謂的現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念，該模型是由德國PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)開發(fā)的，F(xiàn)ISCO使得Profibus-PA以本質(zhì)安全防爆方式安裝，應(yīng)用在Ex區(qū)中成為可能。FISCO適用于EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明，掛接于Profibus-PA分段上的現(xiàn)場儀表數(shù)量只受段耦合器電力特性的限制，每段可掛接的現(xiàn)場儀表數(shù)量達到了最大值，分段可以在FISCO的限制內(nèi)擴充，但無須重新進行本安核算。不同生產(chǎn)廠家的現(xiàn)場儀表可以互換，無須再進行本安核算，但替換的儀表必須是經(jīng)過FISCO認(rèn)證的。尤其重要的一點是無須系統(tǒng)認(rèn)證，只需對一些主要參數(shù)的匹配進行驗證即可。
FISCO認(rèn)證受以下條件的限制。
a)每段只允許一個供電電源。
b)所有站必須符合FISCO模型并經(jīng)驗證合格。
c)電纜長度不得超過1000m(防爆類型ia)/1900m(防爆類型ib)。
d)電纜參教必須滿足以下值:R′=15～150Ω/km，L′=0.4～1mH/km，C′=80～200nF/km 。
e)供電裝置和現(xiàn)場設(shè)備的所有組合必須確保, 在故障情況下, 任何現(xiàn)場設(shè)備可允許的輸入變量(Ui，Ii和Pi)必須超過相關(guān)供電裝置的最大可能和認(rèn)可的輸出變量(Uo，Io，Po；在美國為：Vmax，I max，Pmax)。

3、本安回路計算
IEC 60079-14:2007中12.2.5：“除非個本安回路得到了認(rèn)證以外，所有的本安回路都應(yīng)依據(jù)該規(guī)范進行本安計算”。項目業(yè)主根據(jù)以往的經(jīng)驗，如果不進行本安計算，即便是選擇了本安儀表，本安電纜和與之相匹配的安全柵，仍然會有30%的回路存在著安全隱患。為降低風(fēng)險，項目中所采用的本安回路均需提供相關(guān)儀表和安全柵的本安認(rèn)證證書以及本安回路計算書。

①一臺關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安回路計算
◆簡單本安回路
簡單本安回路如圖2所示。

圖2 簡單本安回路
以回路LIA+S+100.01為例計算，見表2所列。
表2  回路LIA+S+100.01的參數(shù)

對上述參數(shù)進行核算, 滿足表 1 所列 5 個不等式的要求, 故該回路通過了本安計算, 可以應(yīng)用于防爆區(qū)。

◆混合本安回路
在設(shè)計中，差壓液位變送器LT100.01安裝在罐頂上，為了方便讀取數(shù)據(jù)，在地面上增加1臺就地指示儀表LI100.01，串聯(lián)在上一個回路里，如圖3所示。

圖3  混合回路LIA+S+100.01

IEC 60079-14:2007中12.2.5.2：“如果總分布電感和總分布電容同時大于1%Lo和1%Co，則計算時Lo和Co均應(yīng)除以2”。這種混合回路有以下幾種情況，如圖4所示。

圖4 混合回路本安回路計算邏輯(圖注：Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2)
a)如果回路僅包括電纜的Lc和Cc，現(xiàn)場儀表的電感之和Li或電容之和Ci兩項均為0或其中一項為0 , 本安計算按表1中的5個不等式計算。 
b)如果Ci≤1Co或者Li≤1Lo，本安計算按表1中的5個不等式計算。
c)如果同時滿足Ci＞1Co和Li＞1Lo，將不再按照表1中的電感、電容不等式計算，此時安全柵的電感、電容參數(shù)除以2參與計算，見表3所列。
表3 混合本安回路計算的5個不等式

 圖5 將混合本安回路拆分成簡單本安回路

圖7 一個檢測點進2臺安全柵的本安回路

圖8 本安型主干和分支

FF現(xiàn)場總線也采用了FISCO模型，簡單說就是在傳統(tǒng)的本安儀表認(rèn)證的基礎(chǔ)上，增加一些適合現(xiàn)場總線需要的額外要求，這使得只要嚴(yán)格按照這些限制去設(shè)計每個網(wǎng)段，即便是增加或修改現(xiàn)場儀表，也不用進行復(fù)雜安全性的計算。