目前，对处于装置现场爆炸危险区域范围内的仪表，一般通过选用能够满足规范要求的防爆型仪表设备来避免危险的发生。而最常用的仪表设备防爆类型分为隔爆型及本安型。相比于隔爆型仪表设备，本安型仪表可实现带电状态下的开盖检修维护，其中“ia”级产品更是能应用于0区爆炸危险性场所(GB/T3836.1-2021)，除此以外，本安型仪表的价格通常要低于同配置的隔爆型仪表设备。因此，在化工装置中，本安型的仪表设备应用越来越普遍。仪表设备的本安防爆类型作为一种本质安全型的防爆设计方案，广泛应用于各类具有爆炸危险性风险的化工装置中。但是在目前的工程实践中，通常只注重本安产品的选用，却忽视了对本安回路系统的验证，因而无法保证系统的本质安全性能。笔者结合具体产品的安全参数，提出本安回路计算在工程设计中的具体应用思路及方法。
1、本安回路系统
1.1 本安防爆原理
本安防爆技术的基本原理是从限制仪表回路的能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在允许的范围内，以保证仪表设备在正常工作或发生短路及元器件损坏等故障情况下产生的电火花或热效应，不至于引起其周围可能存在的可燃性气体的爆炸。本安型仪表设备与隔爆型仪表设备相比具备前言所述的诸多优点。
1.2 本安回路的构成
尽管本安仪表在应用中具有诸多优势，但并非只要选用了本安型仪表设备，就一定能确保现场设备运行的本质安全。本安回路通常由本安仪表设备、本安电缆、关联设备(安全栅)3部分构成，其典型结构如图1所示。
图1 本安回路典型结构示意图
第1部分，本安仪表设备可分为本安仪表及简单设备。本安仪表本身具备储能元件，需要经过相应的防爆认证，如常用的智能型变送器、阀门定位器等；简单设备通常指无源的元件或者可产生的电压不超过1.5V、电流不超过100mA、功率不超过25mW(GB/T3836.4-2021)的设备，如热电阻、热电偶、机械开关等，此类仪表设备无需进行防爆认证，可直接应用于本安回路中。
第2部分，本安电缆是指具备低分布电容、低分布电感的计算机屏蔽电缆，该电缆同时具备良好的屏蔽性能和抗干扰性能。
第3部分，关联设备指含有本质安全电路和非本质安全电路，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。在工程应用中，常见的关联设备即为安全栅，安全栅通常安装在位于非爆炸危险区(安全区)的控制室内，安全栅通过限流电阻电路及限压二极管限制送往现场本安仪表设备的能量，从而有效阻止危险能量串入本安回路中。
2、本安回路的参数验证
一个仪表回路系统最终能否构成本安回路，需要经过本安回路的认证。目前，本安回路的认证方法主要有系统认可及参量认可两种(另外一种FISCO认可方法主要针对总线结构的仪表系统)。其中，系统认可属于整体认证，一旦获得认证就不能更改组成结构中的任一个部分，因此在项目中应用的可行性较差。工程实际中，目前最常用的是本安回路的参量认可法。参量认可是指对单台设备进行的认可，并给出一组相应的安全参数。采用这种方法认证的本安仪表设备可以与具备相兼容的安全参数的关联设备连接使用而构成本质安全回路。下面具体介绍参量认可法涉及的安全参数及参量认可法的相关不等式。
2.1 本安仪表设备的安全参数
本安仪表设备的安全参数具体定义如下：
a、最高输入电压(Ui)。可施加到设备的连接件上，不会使防爆型式失效的最高电压(交流或直流)。
b、最大输入电流(Ii)。可施加到设备的连接件上，不会使防爆型式失效的最高电流(交流或直流)。
c、最大输入功率(Pi)。可施加到设备的连接件上，不会使防爆型式失效的最大功率。
d、最大内部电容(Ci)。连接件上出现的设备的最大等效内部电容。
e、最大内部电感(Li)。连接件上出现的设备的最大等效内部电感。
2.2 关联设备(安全栅)的安全参数
安全栅的安全参数具体定义如下：
a、最高输出电压(Uo)。任何施加电压达到最大电压的设备的连接件上出现的最高电压(交流或直流)。
b、最大输出电流(Io)。可从设备的连接件获得的设备中的最大电流(交流或直流)。
c、最大输出功率(Po)。可从设备获取的最大电功率。
d、最大外部电容(Co)。可连接到设备的连接件上，不会使防爆型式失效的最大电容。
e、最大外部电感(Lo)。可连接到设备的连接件上，不会使防爆型式失效的最大电感。
2.3 本安电缆的安全参数
连接电缆存在分布电容和分布电感，这使得连接电缆成为储能元件。本安电缆对其单位长度的分布电容及分布电感有严格要求。本安电缆的安全参数可从电缆样本中获得，参数的具体定义(GB/T3836.18-2017)如下：
a、最大电缆电容(Cc)。可以连接到本质安全电路上，而不会使本质安全性能失效的互连电缆的最大电容。
b、最大电缆电感(Lc)。可以连接到本质安全电路上，而不会使本质安全性能失效的互连电缆的最大电感。
最大电缆电容及最大电缆电感的计算式分别为：
Cc=Ck×L
Lc=Lk×L
式中Ck为电缆单位长度分布电容，参考电缆样本，该数值一般取最大90pF/m；L为电缆长度；Lk为电缆单位长度分布电感，参考电缆样本，该数值一般取最大0.6μH/m。
2.4 本安回路计算关系式
采用参量认可法进行本安回路认证时，只需比较本安仪表设备、本安电缆及安全栅的各项参数。当它们满足表1关系式时，不必经检验机构认可即可认为构成了本安回路系统。
表1本安回路参数验证不等式
需要指出的是，表1的验证不等式仅限用于图1所示的简单本安回路的验证。当本安仪表回路中串入了现场指示仪时需要对验证不等式进行修正(GB/T3836.15-2017，IEC60079-14:2013)。另外，对于涉及多台本安仪表或多台安全栅之间串联的回路，本安系统的验证计算比较复杂，设计中应尽量避免。
笔者着重讨论单台本安仪表设备与单台安全栅连接的本安回路计算方法以及其对工程应用的指导意义。
3、本安回路计算的具体应用
对于参数验证不等式1～3(表1)，只需在仪表选型时对安全栅及现场本安仪表设备的安全参数进行对比，即可得知该配置是否能够满足本安参数验证的要求。当发现供应商提供的参数不能满足参数验证不等式1～3(表1)中的任一条时，应及时调整仪表选型或更换其他品牌产品。
由式(1)及不等式4(表1)可得Co≥Ci+Ck×L，即本安电缆长度；同样，由式(2)及不等式5(表1)可得Lo≥Li+Lk×L，即本安电缆长度。由于本安电缆的长度需同时满足以上两个不等式，由此可得本安电缆长度应满足以下关系式：
以下着重介绍本安回路计算在本安电缆长度核算中的应用。
3.1 常用安全栅的安全参数
进行本安回路计算前，需要获得安全栅的安全参数信息，该信息可从相应产品的本安认证证书或样本资料中取得。常用安全栅品牌的安全参数见表2。
表2 安全栅安全参数(ExiaⅡC)
3.2 现场变送器的本安回路计算
智能型变送器是化工项目中使用量最大的仪表类型之一，主要包括通用型的压力变送器、温度变送器。
常用的智能型变送器产品的安全认证参数列于表3。
表3 本安型变送器安全参数(ExiaⅡC)
根据以上数据可知，对于本安回路参数验证不等式1～3(表1)，目前化工项目中常用的变送器仪表均能通过参数验证。
对于电缆长度的验算，分别选取Co值最大的MTL5500系列安全栅及Co值最小的优倍C系列安全栅与Ci值较大的EJAE系列的变送器进行组对，将其安全参数分别代入式(3)进行对比计算，得到结果如下：
由此可得，当采用MTL5500+E系列配置方案时，如果电缆长度大于1133m，该本安回路将无法通过验证；而当采用优倍C系列+E系列配置方案时，如果电缆长度大于333m，该本安回路即无法通过验证。
3.3 阀门定位器的本安回路计算
化工项目中常用的调节阀智能型定位器产品的安全参数见表4。
表4本安型定位器安全参数(ExiaⅡC)
根据以上数据可知，对于本安回路参数验证不等式1～3(表1)，目前化工项目常用的阀门定位器均能通过参数验证。
但是，从表4数据可以看出，美卓ND9100及山武AVP302定位器的Ci值远高于另外两个品牌。在选择配套安全栅时，若选择优倍C系列的安全栅，则Co值即已小于Ci值，本安回路参数验证无法通过。选择Co值稍大的辰竹及P+F安全栅，按式(3)计算可得：
由以上计算结果可知，当选用辰竹或P+F的安全栅与美卓或山武的定位器进行搭配使用时，在满足本安回路计算要求的前提下，电缆的敷设距离亦比较有限。因此，在此例中，若选择了山武或美卓的定位器，应优先选用Co值较高的MTL安全栅；或者可选用Ci值较低的Fisher或西门子定位器，以达到延长本安电缆敷设距离的目的。
3.4 电磁阀的本安回路计算
化工项目中常用的电磁阀产品的安全参数见表5。
表5本安型电磁阀安全参数(ExiaⅡC)
由于本安型电磁阀的Ci、Li值一般均近似为0，因此在电缆长度校验时仅需考虑本安电缆本身的分布电容及分布电感数值大小即可。需要注意的是，MTL5500系列安全栅的Po值较大，选用的本安电磁阀Pi值可能存在小于该Po值的情况，在选型时应予以避免。
3.5 其他现场仪表的本安回路计算
除以上类型的仪表以外，化工项目中还经常会使用到各种测量原理的流量计、液位计等仪表。此类仪表品牌及种类繁多，在工程设计时，需针对具体的安全参数进行计算验证。表6列出了较知名的一些厂家产品安全参数供[3]参考。
表6本安型现场仪表安全参数(ExiaⅡC)
从以上数据中可以看出，除上海信东的转子流量计Pi值偏小，选择安全栅时应特别注意以外，其余仪表一般均能满足本安回路参数验证不等式1～3(表1)的要求。而根据表6的Ci值，通过式(3)计算，可知大部分现场本安仪表的敷设距离都可达到400m以上。
4、本安回路计算对工程设计的指导意义
由第3节的分析可知，针对本安回路计算的要求，安全栅的Uo、Io、Po参数值越小将越容易通过本安回路的参数验证。
对于本安电缆敷设长度的核算，需主要关注安全栅的Co值与现场本安仪表设备的Ci值，Co-Ci的值越大本安电缆可敷设的距离越长。而当现场仪表的Ci值大于0.01μF时即应引起足够重视，核算该回路在当前敷设距离下能否通过本安回路的验证。当然，电缆的敷设距离除需满足本安回路计算的要求以外，还需考虑信号传输过程中的电压损耗。综上，建议现场仪表至控制室的电缆长度不大于500m。
当现场本安仪表至控制室的电缆长度大于500m时，宜逐个进行本安回路计算。若计算无法通过时，可采取以下改进措施：
a、改变本安回路的配置，选择Co-Ci的值更大的配置方案，并重新进行本安回路参数验证。
b、如装置区仪表点较多且距离控制室距离大于500m，可以考虑在装置附近的非爆炸危险区域内设置现场机柜间。如此，一方面可减少电缆的投资，另一方面能够使本安仪表回路更容易通过本安参数验证。
c、改变仪表选型，对个别无法通过本安回路参数验证的仪表，可以将仪表防爆类型改为隔爆型，以避免本安参数验证无法通过的问题。
d、当仪表点数不多时，可在现场设置远程IO站，缩短本安电缆的敷设距离。目前，也有部分系统厂家推出了光纤总线系统，可应用于爆炸危险环境，大幅缩短了本安电缆的敷设距离。
5、结束语
虽然目前国内还没有相关规范要求必须对本安回路进行逐个计算，大部分的工程公司在项目设计中亦没有严格对每个本安回路进行参数验证，但随着中国防爆体系与国际防爆体系的接轨、中国工程公司开拓国外市场的需要以及国内安全监管部门对化工项目安全运行的重视，本安回路计算工作将越来越不可或缺。在工程设计中，本安回路计算将成为工程项目本质安全设计理念中的重要环节和支撑保障。这就要求工程设计人员要熟悉仪表厂家的安全参数数据，及时调整优化设计方案，为化工项目安全稳定的运行保驾护航。
作者：华霄峰、王泽方
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