本安回路构成一般由现场仪表、本安电缆、相关设备的安全栅。本安技术的原理是在一个回路中的任何一个相关联设备发生故障状况时，回路中的电能都能被限制在安全的范围内，从而使现场的仪表设备在任何状况下释放的能量都不足以引起危险区域安全事故的发生。本安回路的构成如图1。现场仪表自身满足本质安全的前提下，还需要满足安全栅输出到现场仪表的能量安全不足以引起危险区的安全事故。通过仪表设备、电缆、安全栅合理的特性参数匹配构成的安全回路实现本质安全。
图1 本安回路典型示意图
1、本安回路计算方法
在实际工程设计中，本安回路中并非所有设备都需要参数匹配验算。按照IEC60079-0:2021、GB3836.1-2021中的规定，无源元器件，例如开关、接线箱、电阻以及简单半导体元器件可以视为简单设备；对于储能有源元器件，例如电容、电感，当其设计参数能保证系统全面安全时，可视为简单设备；对于能产生能量的有源元器件，比如热电偶、光电池，当其产生的能量电压不超过1.5V，电流不超过0.1A，功率不超过25MW的电气设备，可视为简单设备。此类设备可随意配置在本安回路中，无需进行匹配验算。但是由于表面温度对防爆的影响，仪表使用环境温度较高或者本身测量介质温度较高时，热量会传导至仪表内部使电气元件表面温度过高。所以环境温度超过仪表本身防爆温度级别时，要采用分体安装的方式或者延伸型仪表，使仪表工作在防爆证书所允许的温度范围内。具有储能元件，且需要防爆认证的本安设备需要进行验算，比如常见的各类变送器、电磁阀、安全栅等。
目前，对于本质安全仪表防爆系统的认证主要是：系统认可和参量认可。系统认可即构成本质安全系统的相关设备进行统一认可，认证程序复杂且缺乏可替换性和经济性。在实际设计工作中参量认可较为可行，即针对单台本安仪表及其相关设备(安全栅)进行认证并给出相对应的电气安全特性参数，根据参数进行匹配与兼容的相关设备混合使用。这些参数如下所示：
Ii：本安设备最大可接受电流，mA；
Ui：本安设备最大可接受电压，V；
Pi：本安设备最大可接受功率，W；
Ci+∑Cc：本安设备等效电容与电缆分布电容之和，uF；
Li+∑Lc：本安设备等效电感与电缆分布电感之和，mH；
Io：安全栅最大输出电流，mA；
Uo：安全栅最大输出电压，V；
Po：安全栅最大输出功率，W；
Co：安全栅最大外接电容，uF；
Lo：安全栅最大外接电感，mH。
针对图1这种比较简单的回路的参量认可需满足①②③④⑤或①②③⑥⑦的公式：
①Ii≥Io
②Ui≥Uo
③Pi≥Po
④Ci+∑Cc≤Co
⑤Li+∑Lc≤Lo
当∑Cc>1%Co与∑Lc>1%Lo时，本安回路除上述①②③外还需满足：
①Ii≥Io
②Ui≥Uo
③Pi≥Po
⑥Ci+∑Cc≤Co/2
⑦Li+∑Lc≤Lo/2
值得注意的是，在图1的简单回路内容易忽视的是往往在实际工程设计中，在雷暴比较频繁的地区，装置上部分仪表遭雷击的可能性比较大，主要的措施是加装现场仪表信号浪涌保护器，此时需注意现场仪表的等效电容和等效电感的计算。
如果本安回路包含两个或两个以上的关联设备，或者是两个或更多的本安回路联在一起，整个本安系统应经过严格的理论计算或GB3836.4标准中规定的火花试验。且以上参数取值复杂，在实际工程设计中应极力避免复杂本安回路出现，即2个及以上的回路共用1个安全栅或者1个回路中采用了2个及以上的安全栅。针对本文中的简单回路，工程设计在选型时必须要求变送器、安全栅和本安电缆厂商提供这些参数。以下通过实例简单说明图1本安回路在∑Cc>1%Co与∑Lc>1%Lo时，变送器、安全栅和本安电缆之间的匹配具体如何进行。
由表1、表2、表3数据按匹配公式进行比较，可以得出表4。
由于表2中电缆∑Cc=18nF，∑Lc=0.24mH，结合表3中3种安全栅的Co和Lo值，不难看出满足∑Cc>1%Co与∑Lc>1%Lo，此时取3种安全栅的Co/2和Lo/2值，分别与3种仪表的等效电容与电缆分布电容之和以及3种仪表的等效电感与电缆分布电感之和比较，昌晖仪表的安全栅与EJA压力变送器和3051压力变送器在当前的电缆条件下不满足Ci+∑Cc≤Co/2，即不能搭配使用在本安回路中，其余的混搭都可满足参量认可条件即可以构成本质安全回路。在实际工程设计中，电缆的长度往往是不一样的，这直接影响本安回路的参量认可。根据设计阶段的不同，一般是先进行仪表设备选型采购，再规划电缆种类和敷设路径(长度)，系统的最终方案确认往往相对较晚，这给安全栅的选型留有较大空间。在这种情况下，在电缆的规划阶段电缆具体类型和长度就显得及其重要，如果规划不当极有可能与市场上的安全栅搭配使用时无法达到参量认可条件，严重影响到安全栅选型灵活性，特别是在一些大型联合装置中。
表1 变送器本安参数
表2 电缆本安参数
表3 模拟量安全栅本安参数
表4 变送器、安全栅和本安电缆适配表
2、本安回路电缆长度计算
在石化工程设计中，仪表控制电缆的长度主要受负载以及电压降的影响。那么针对本安回路中最常用的两线制仪表即两根电缆既是电源线又是信号线，除了考虑负载和电压降之外，还需考虑到电缆分布电容和分布电感。根据SH/T3019-2016《石油化工仪表管道线路设计规范》，仪表控制电缆线芯截面积不应小于0.5mm2，常用的有1mm2，1.5mm2，2.5mm2。根据HG/T20509-2014《仪表供电设计规范》要求，GPS直流电源电压质量要求24V±1V，UPS直流电源电压质量要求24V±0.3V。典型的两线制4-20mA的本安回路供电电压为24V，实际安全栅输出端电压Us不尽相同，一般低于24V，一般变送器的负载要求如图2。
图2 变送器负载与供电电压关系示意图
根据图2可以得出：当UMIN≤US≤UMAX时，回路电阻RL满足：
事实上每个变送器厂商均有仪表正常工作回路最低阻抗要求Rs，则理想情况下变送器相当于电流源，安全栅相当于电压源，则电缆总电阻值Rc：
在工程设计中，查询厂商样本本安电缆导体直流电阻RDC，则单根电缆长度LC为：
但在本安回路中，电缆的分布电容和分布电感必须考虑到储能问题。为保证现场的仪表设备在任何异常状况下释放的能量不足以引起危险区域安全事故的发生，单根电缆的长度L必须满足：
例如，某模拟量输入本安回路由表1中的罗斯蒙特变送器，表2中的天康电缆，以及表3中的MTL的安全栅构成的AI本安回路，相关参数见表1、表2、表3。其余参数Rs查询罗斯蒙特变送器产品手册可知：Rs=250Ω、RL=43.5(US-10.5)，安全栅针对危险区域电压输出Us=16.5V，则可以计算得出L≤MIN[666，1745，454.5]，那么单根电缆长度应不超过454.5m。值得注意的是，当Us的值越大比如取值为17V时，LC=1335m。那么，单根电缆长度应不超过666m。
在实际设计中，根据不同的设计阶段可先根据仪表选型收集仪表的本安参数。电缆选型时，根据各家厂商资料试算一下各类型本安回路在考虑电缆分布电容和分布电感时计算出的电缆长度。根据工程经验，当回路两根电缆总长不超过1000m时，安全栅针对防爆危险区域的输出电压对电缆长度的影响比分布电容和分布电感更大；当长度超过了1000m以上时，就应该优先考虑实际分布电容大小和实际分布电感大小对线缆尺寸大小的直接影响。但因为实际的分布电容大小相比实际分布的电感大小来说对线缆的影响更大，在实际设计时优先考虑分布电容的影响即可。
结束语
随着石化行业的不断发展，工程设计必将与国际接轨。那么未来国内项目越来越多的业主也会要求本安回路进行参数匹配，甚至会作为仪控工程验收项。本文根据规范和实际工程经验介绍了两线制本安回路在设计中如何进行，并且结合实际经验给出了本安回路电缆路径长度的计算方法，以供设计中快速地进行本安回路相关设备的预匹配以及电缆选型和规划电缆路径。
作者：吴定超
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