本质安全防爆电气系统防爆电气设计的基本方法

本质安全防爆电气系统的防爆电气设计，主要是指人们根据爆炸性危险场所的具体情况(危险区域、可燃性气体的防爆级别和温度组别)来选择相应的本质安全型防爆电气设备(包括关联设备)和具有合适参数的电缆(电线)，以及确定它们之间的合理匹配关系。为此，设计人员可以参照以下步骤进行工作。
　　1.编制系统描述文件
　　在进行本质安全防爆电气系统的防爆电气设计时，设计人员应该编制所设计系统的系统描述文件，说明在某种危险场所中系统所需的防爆电气设备(型号和参数)、互联电缆(电线)的结构型式和相关参数以及它们之间的匹配关系。
　　(1)系统描述文件的主要内容
　　在编制系统描述文件时，首先，人们应该掌握、确定并在文件中列出以下主要内容：
　　·环境(介质)温度；
　　·爆炸性危险场所的区域等级(0区、1区和2区)以及这些区域中可燃性气体的防爆级别(Ⅱ*、ⅡB级和1I C级)、温度组别(Tl组一T6组)；
　　·本质安全型防爆电气设备(包括关联设备)的防爆级别(Ⅱ*、ⅡB级和ⅡC级)、设备保护级别(“ia”级、“ib”级和“ic”级)和温度组别(T1组～T6组)，以及与本质安全性能有关的相关参数(Um；Uo，Io，Po，Co，Lo，Lo／Ro；Ui，Ii，Pi，Ci，Li；)；
　　·适用于危险区域的电缆的型式(结构、芯线)和相关参数(Lc，Cc或Lc/Rc)；
　　·电缆屏蔽层的接地以及电路的功能性接地(必要时)；
　　·如有必要，防止雷电和其他的浪涌电压(电流)冲击的保护措施。
　　 接着，人们应该根据这些相关信息来确认和描述所选用的设备、电缆(电线)与危险区域的符合性以及它们之间的匹配关系。
　　(2)系统的参数匹配关系
　　设计人员在确认设备与设备之间的匹配关系时，既应该考虑“下层”设备与“上层”设备的输入、输出参数的匹配，还应该考虑它们之间互联电缆(电线)的相关参数的影响。
　　1)参数匹配关系
　　根据本质安全防爆电气系统电路参数的确定原则，关联设备(或本质安全型防爆电气设备)与现场

本质安全型防爆电气设备、电缆分布参数的参数匹配关系应该符合下列各式：
　　 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—关联设备(或本质安全型防爆电气设备)的最大输出电压，最大输出电流，最大输出功率，最大外部电容，最大外部电感；
　　Ui，li，Pi，Ci，Li—现场本质安全型防爆电气设备的最大输入电压，最大输入电流，最大输入功率，最大内部电容，最大内部电感；
　　Gc，Lc—电缆电容，电缆电感。
　　2)电抗参数匹配关系判定原则
　　对于仅由一个关联设备组成的本质安全防爆电气系统，在确定电抗参数匹配关系时，人们应该首先计算现场本质安全型防爆电气设备和系统所连的其他简单设备(如果连接有)的最大内部电容之和(Z c；)和(或)最大内部电感之和(ZL；)；接着按照下列情况来确定所连电缆的允许分布参数： 　　①假若∑ci小于等于1％Co和∑Li小于等于1％L。，则Cc小于等于Go-∑Gi，Lc小于等于Lo-∑Li。
　　②假若∑Ci大于1％C。，则使用Lo/Ro，且需要计算电缆的Lo／Ro[参见式(6·1)和式(6.2)]，并应满足Lc/Rc小于等于Lo/Ro。此时，Cc还应该满足式(11.3)。
　　③假若∑LI大于1％Lo，则使用Lo/Ro，且需要计算电缆的Lo/Ro[参见式(6·1)和式(6·2)]，
并应满足Lo/Ro小于等于Lo/Ro。此时，Co还应该满足式(11.3)，但是，不必计较∑Li是否满足Lo。
　　④假若∑Ci大于1％Co和∑Li>1％Lo，则Cc1小于等于1/2Co-∑Gi，Lc小于等于1/2Lo-∑Li。此时，不允许使用Lo/Ro。

　　人们知道了所连电缆的总的允许分布参数后就可以根据电缆单位长度的分布参数来计算所需电缆的合适长度。
　　这里举例来简要说明这种匹配关系。
　　例: 假定由一个关联设备和一个负载设备(电阻-电容负载)组成一个简单的本质安全防爆电气系统。关联设备的最大输出电压(Uo)为28V，最大输出电流(Io)为93mA，最大外部电感(Lo)为3mH，最大外部电容(Go)为83nF，最大外部电感与电阻比(Lo/Ro)为54μH／Ω。已知负载设备(iaII C级)的最大输入电压配Ui=30V，最大输入电流Ii=120mA，最大内部电容Gi=1nF。
　　负载设备的最大输入电压(Ui)和最大输入电流(Ii)小于关联设备的输出值，符合参数匹配关系。
　　由于关联设备标志的最大外部电容(Go)为83nF，且已知负载设备的最大内部电容(Ci)为1nF，则Ci>1％C。。于是，根据电抗参数匹配关系判定原则，人们应该使用参数Lo/R。来选取电缆的分布参数。
　　按照式(6.2)计算可知，Lc/Rc≈100μH/Ω。
　　计算结果表明，这个本质安全防爆电气系统不符合本质安全性能要求。
　　为保证本质安全防爆电气系统具有可靠的本质安全性能，设计人员应该修正电路方案。这里，在负载设备的电容上串联一只电阻，就可以减小电容值。例如，串联一只lOll的电阻，电容值就减小至0.74nF(参见表13)。显然，串联电阻后的电容值小于1％C。。
　　在这种情况下，人们就可以按照式(11.3)计算电缆电容和电缆电感，并进行电缆选择。
　　电缆电容为
　　Cc小于等于83nF-1nF
=82nF
　　电缆电感为
　　Lc小于等于3mH
　　根据允许的电缆电容(Gc)、电缆电感(Lc)和电缆自身的有关参数，人们就可以确定所有电缆的允许使用长度。
　　当然，人们可以根据允许的电缆电容(Cc)、电缆电感(Lc)和所需的电缆长度来选择合适的电缆参数和结构型式，只要满足Cc+Ci小于等于Co和(或)Lc+Li小于等于Lo的要求，这个选择就是正确的。
　　这里必须指出的是，当系统中本质安全型防爆电气设备内的最大内部电感(厶)不可忽视时，人们在计算互联电缆的Lc或Lc/Rc时应该将这个电感考虑在内[参见式(6.1)]。
　　2.绘制系统连接框图
　　本质安全防爆电气系统防爆电气设计的另一个重要工作是绘制系统的连接框图。这种连接框图，实际上就是系统描述文件的图示表达方式，应该包括危险区域、电源设备、关联设备、中间设备和机载设备的布置与参数，互联电缆的型式和参数。
　　这里以一种温度监测系统为例来进行简要的说明