本質(zhì)安全防爆電氣系統防爆電氣設計的基本方法

本質(zhì)安全防爆電氣系統的防爆電氣設計，主要是指人們根據爆炸性危險場(chǎng)所的具體情況(危險區域、可燃性氣體的防爆級別和溫度組別)來(lái)選擇相應的本質(zhì)安全型防爆電氣設備(包括關(guān)聯(lián)設備)和具有合適參數的電纜(電線(xiàn))，以及確定它們之間的合理匹配關(guān)系。為此，設計人員可以參照以下步驟進(jìn)行工作。
　　1.編制系統描述文件
　　在進(jìn)行本質(zhì)安全防爆電氣系統的防爆電氣設計時(shí)，設計人員應該編制所設計系統的系統描述文件，說(shuō)明在某種危險場(chǎng)所中系統所需的防爆電氣設備(型號和參數)、互聯(lián)電纜(電線(xiàn))的結構型式和相關(guān)參數以及它們之間的匹配關(guān)系。
　　(1)系統描述文件的主要內容
　　在編制系統描述文件時(shí)，首先，人們應該掌握、確定并在文件中列出以下主要內容：
　　·環(huán)境(介質(zhì))溫度；
　　·爆炸性危險場(chǎng)所的區域等級(0區、1區和2區)以及這些區域中可燃性氣體的防爆級別(Ⅱ*、ⅡB級和1I C級)、溫度組別(Tl組一T6組)；
　　·本質(zhì)安全型防爆電氣設備(包括關(guān)聯(lián)設備)的防爆級別(Ⅱ*、ⅡB級和ⅡC級)、設備保護級別(“ia”級、“ib”級和“ic”級)和溫度組別(T1組～T6組)，以及與本質(zhì)安全性能有關(guān)的相關(guān)參數(Um；Uo，Io，Po，Co，Lo，Lo／Ro；Ui，Ii，Pi，Ci，Li；)；
　　·適用于危險區域的電纜的型式(結構、芯線(xiàn))和相關(guān)參數(Lc，Cc或Lc/Rc)；
　　·電纜屏蔽層的接地以及電路的功能性接地(必要時(shí))；
　　·如有必要，防止雷電和其他的浪涌電壓(電流)沖擊的保護措施。
　　 接著(zhù)，人們應該根據這些相關(guān)信息來(lái)確認和描述所選用的設備、電纜(電線(xiàn))與危險區域的符合性以及它們之間的匹配關(guān)系。
　　(2)系統的參數匹配關(guān)系
　　設計人員在確認設備與設備之間的匹配關(guān)系時(shí)，既應該考慮“下層”設備與“上層”設備的輸入、輸出參數的匹配，還應該考慮它們之間互聯(lián)電纜(電線(xiàn))的相關(guān)參數的影響。
　　1)參數匹配關(guān)系
　　根據本質(zhì)安全防爆電氣系統電路參數的確定原則，關(guān)聯(lián)設備(或本質(zhì)安全型防爆電氣設備)與現場(chǎng)

本質(zhì)安全型防爆電氣設備、電纜分布參數的參數匹配關(guān)系應該符合下列各式：
　　 Uo小于等于Ui
　　10小于等于Ii
　　Po小于等于Pi
　　Co大于等于∑Ci+∑Gc
　　Lo大于等∑Li+∑Lc
　　式中Uo，Io，Po，Co，Lo—關(guān)聯(lián)設備(或本質(zhì)安全型防爆電氣設備)的最大輸出電壓，最大輸出電流，最大輸出功率，最大外部電容，最大外部電感；
　　Ui，li，Pi，Ci，Li—現場(chǎng)本質(zhì)安全型防爆電氣設備的最大輸入電壓，最大輸入電流，最大輸入功率，最大內部電容，最大內部電感；
　　Gc，Lc—電纜電容，電纜電感。
　　2)電抗參數匹配關(guān)系判定原則
　　對于僅由一個(gè)關(guān)聯(lián)設備組成的本質(zhì)安全防爆電氣系統，在確定電抗參數匹配關(guān)系時(shí)，人們應該首先計算現場(chǎng)本質(zhì)安全型防爆電氣設備和系統所連的其他簡(jiǎn)單設備(如果連接有)的最大內部電容之和(Z c；)和(或)最大內部電感之和(ZL；)；接著(zhù)按照下列情況來(lái)確定所連電纜的允許分布參數： 　?、偌偃?sum;ci小于等于1％Co和∑Li小于等于1％L。，則Cc小于等于Go-∑Gi，Lc小于等于Lo-∑Li。
　?、诩偃?sum;Ci大于1％C。，則使用Lo/Ro，且需要計算電纜的Lo／Ro[參見(jiàn)式(6·1)和式(6.2)]，并應滿(mǎn)足Lc/Rc小于等于Lo/Ro。此時(shí)，Cc還應該滿(mǎn)足式(11.3)。
　?、奂偃?sum;LI大于1％Lo，則使用Lo/Ro，且需要計算電纜的Lo/Ro[參見(jiàn)式(6·1)和式(6·2)]，
并應滿(mǎn)足Lo/Ro小于等于Lo/Ro。此時(shí)，Co還應該滿(mǎn)足式(11.3)，但是，不必計較∑Li是否滿(mǎn)足Lo。
　?、芗偃?sum;Ci大于1％Co和∑Li>1％Lo，則Cc1小于等于1/2Co-∑Gi，Lc小于等于1/2Lo-∑Li。此時(shí)，不允許使用Lo/Ro。

　　人們知道了所連電纜的總的允許分布參數后就可以根據電纜單位長(cháng)度的分布參數來(lái)計算所需電纜的合適長(cháng)度。
　　這里舉例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明這種匹配關(guān)系。
　　例: 假定由一個(gè)關(guān)聯(lián)設備和一個(gè)負載設備(電阻-電容負載)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的本質(zhì)安全防爆電氣系統。關(guān)聯(lián)設備的最大輸出電壓(Uo)為28V，最大輸出電流(Io)為93mA，最大外部電感(Lo)為3mH，最大外部電容(Go)為83nF，最大外部電感與電阻比(Lo/Ro)為54μH／Ω。已知負載設備(iaII C級)的最大輸入電壓配Ui=30V，最大輸入電流Ii=120mA，最大內部電容Gi=1nF。
　　負載設備的最大輸入電壓(Ui)和最大輸入電流(Ii)小于關(guān)聯(lián)設備的輸出值，符合參數匹配關(guān)系。
　　由于關(guān)聯(lián)設備標志的最大外部電容(Go)為83nF，且已知負載設備的最大內部電容(Ci)為1nF，則Ci>1％C。。于是，根據電抗參數匹配關(guān)系判定原則，人們應該使用參數Lo/R。來(lái)選取電纜的分布參數。
　　按照式(6.2)計算可知，Lc/Rc≈100μH/Ω。
　　計算結果表明，這個(gè)本質(zhì)安全防爆電氣系統不符合本質(zhì)安全性能要求。
　　為保證本質(zhì)安全防爆電氣系統具有可靠的本質(zhì)安全性能，設計人員應該修正電路方案。這里，在負載設備的電容上串聯(lián)一只電阻，就可以減小電容值。例如，串聯(lián)一只lOll的電阻，電容值就減小至0.74nF(參見(jiàn)表13)。顯然，串聯(lián)電阻后的電容值小于1％C。。
　　在這種情況下，人們就可以按照式(11.3)計算電纜電容和電纜電感，并進(jìn)行電纜選擇。
　　電纜電容為
　　Cc小于等于83nF-1nF
=82nF
　　電纜電感為
　　Lc小于等于3mH
　　根據允許的電纜電容(Gc)、電纜電感(Lc)和電纜自身的有關(guān)參數，人們就可以確定所有電纜的允許使用長(cháng)度。
　　當然，人們可以根據允許的電纜電容(Cc)、電纜電感(Lc)和所需的電纜長(cháng)度來(lái)選擇合適的電纜參數和結構型式，只要滿(mǎn)足Cc+Ci小于等于Co和(或)Lc+Li小于等于Lo的要求，這個(gè)選擇就是正確的。
　　這里必須指出的是，當系統中本質(zhì)安全型防爆電氣設備內的最大內部電感(厶)不可忽視時(shí)，人們在計算互聯(lián)電纜的Lc或Lc/Rc時(shí)應該將這個(gè)電感考慮在內[參見(jiàn)式(6.1)]。
　　2.繪制系統連接框圖
　　本質(zhì)安全防爆電氣系統防爆電氣設計的另一個(gè)重要工作是繪制系統的連接框圖。這種連接框圖，實(shí)際上就是系統描述文件的圖示表達方式，應該包括危險區域、電源設備、關(guān)聯(lián)設備、中間設備和機載設備的布置與參數，互聯(lián)電纜的型式和參數。
　　這里以一種溫度監測系統為例來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明