本質安全防爆電氣系統防爆電氣設計的基本方法

本質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)來選擇相應的本質安全型防爆電氣設備(包括關聯設備)和具有合適參數的電纜(電線)，以及確定它們之間的合理匹配關系。為此，設計人員可以參照以下步驟進行工作。
　　1.編制系統描述文件
　　在進行本質安全防爆電氣系統的防爆電氣設計時，設計人員應該編制所設計系統的系統描述文件，說明在某種危險場所中系統所需的防爆電氣設備(型號和參數)、互聯電纜(電線)的結構型式和相關參數以及它們之間的匹配關系。
　　(1)系統描述文件的主要內容
　　在編制系統描述文件時，首先，人們應該掌握、確定并在文件中列出以下主要內容：
　　·環境(介質)溫度；
　　·爆炸性危險場所的區域等級(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)；
　　·本質安全型防爆電氣設備(包括關聯設備)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)，以及與本質安全性能有關的相關參數(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)和相關參數(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)；
　　·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，人們應該根據這些相關信息來確認和描述所選用的設備、電纜(電線)與危險區域的符合性以及它們之間的匹配關系。
　　(2)系統的參數匹配關系
　　設計人員在確認設備與設備之間的匹配關系時，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電纜(電線)的相關參數的影響。
　　1)參數匹配關系
　　根據本質安全防爆電氣系統電路參數的確定原則，關聯設備(或本質安全型防爆電氣設備)與現場

本質安全型防爆電氣設備、電纜分布參數的參數匹配關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—關聯設備(或本質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—現場本質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)電抗參數匹配關系判定原則
　　對于僅由一個關聯設備組成的本質安全防爆電氣系統，在確定電抗參數匹配關系時，人們應該首先計算現場本質安全型防爆電氣設備和系統所連的其他簡單設備(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；)；接著按照下列情況來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[參見式(6·1)和式(6.2)]，并應滿足Lc/Rc小于等于Lo/Ro。此時，Cc還應該滿足式(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[參見式(6·1)和式(6·2)]，
并應滿足Lo/Ro小于等于Lo/Ro。此時，Co還應該滿足式(11.3)，但是，不必計較∑Li是否滿足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，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度的分布參數來計算所需電纜的合適長度。
　　這里舉例來簡要說明這種匹配關系。
　　例: 假定由一個關聯設備和一個負載設備(電阻-電容負載)組成一個簡單的本質安全防爆電氣系統。關聯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)小于關聯設備的輸出值，符合參數匹配關系。
　　由于關聯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系判定原則，人們應該使用參數Lo/R。來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，這個本質安全防爆電氣系統不符合本質安全性能要求。
　　為保證本質安全防爆電氣系統具有可靠的本質安全性能，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一只電阻，就可以減小電容值。例如，串聯一只lOll的電阻，電容值就減小至0.74nF(參見表13)。顯然，串聯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)和電纜自身的有關參數，人們就可以確定所有電纜的允許使用長度。
　　當然，人們可以根據允許的電纜電容(Cc)、電纜電感(Lc)和所需的電纜長度來選擇合適的電纜參數和結構型式，只要滿足Cc+Ci小于等于Co和(或)Lc+Li小于等于Lo的要求，這個選擇就是正確的。
　　這里必須指出的是，當系統中本質安全型防爆電氣設備內的最大內部電感(厶)不可忽視時，人們在計算互聯電纜的Lc或Lc/Rc時應該將這個電感考慮在內[參見式(6.1)]。
　　2.繪制系統連接框圖
　　本質安全防爆電氣系統防爆電氣設計的另一個重要工作是繪制系統的連接框圖。這種連接框圖，實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、關聯設備、中間設備和機載設備的布置與參數，互聯電纜的型式和參數。
　　這里以一種溫度監測系統為例來進行簡要的說明