本质安全电气系统的电气设计,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
在进行本质安全电气系统的电气设计时,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(ⅡA级、ⅡB级和ⅡC级)、温度组别(T1组~T6组);
●本质安全型电气设备(包括关联设备)的防爆级别(ⅡA级、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
根据本质安全电气系统电路参数的确定原则,关联设备(或本质安全型电气设备)与现场本质安全型电气设备、电缆分布参数的参数匹配关系应该符合下列各式:
式中 Uo,Io,Po,Co,Lo——关联设备(或本质安全型电气设备)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,Ii,Pi,Ci,Li——现场本质安全型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;
Cc,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(∑Ci)和(或)最大内部电感之和(∑Li);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≤1%Co和∑Li≤1%Lo,则Cc≤Co-∑Ci,Lc≤Lo-∑Li。
②假若∑Ci>1%Co,则使用Lo/Ro,且需要计算电缆的Lc/Rc[参见式(6.1)和式(6.2)],并应满足Lc/Rc≤Lo/Ro。此时,Cc还应该满足式(11.3)。
③假若∑Li>1%Lo,则使用Lo/Ro,且需要计算电缆的Lc/Rc[参见式(6.1)和式(6.2)],并应满足Lc/Rc≤Lo/Ro。此时,Cc还应该满足式(11.3),但是,不必计较∑Li是否满足Lo。
④假若∑Ci>1%Co和∑Li>1%Lo,则Cc≤1/2Co-∑Ci,Lc≤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11.1】 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f电感(Lo)为3mH,最大外部电容(Co)为83nF,最大外部电感与电阻比(Lo/Ro)为54μH/Ω。已知负载设备(iaⅡC级)的最大输入电压Ui=30V,最大输入电流Ii=120mA,最大内部电容Ci=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(Co)为83nF,且已知负载设备的最大内部电容(Ci)为1nF,则Ci>1%Co。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/Ro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,这个本质安全电气系统不符合本质安全性能要求。
为保证本质安全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10Ω的电阻,电容值就减小至0.74nF(参见表6.13)。显然,串联电阻后的电容值小于1%Co。
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≤83nF-1nF=82nF
电缆电感为
Lc≤3mH
根据允许的电缆电容(Cc)、电缆电感(Lc)和电缆自身的有关参数,人们就可以确定所用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≤Co和(或)Lc+Li≤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电气设备内的最大内部电感(Li)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
本质安全电气系统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,实质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、中间设备和负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。(www.xing528.com)
【例11.2】 图11.29是一种温度监测系统的连接框图。
在这个监测系统中,环境场所分为非危险场所和危险场所。危险场所为0区,其中存在ⅡC级可燃性气体。电源设备、关联设备安装在非危险场所;温度变送器、温度传感器安装在危险场所。
图11.29 一种温度监测系统的连接框图
1—电源设备 2—关联设备 3—温度变送器 4—温度传感器
在这种连接框图中,设计人员应该在相应位置上标志以下主要内容:
①温度传感器
温度传感器是无源元件,并经过防爆电气产品检验机构检验认可,防爆合格证编号为CQST1236-2010U。
型号:WCQ201。
监测温度:T≤450℃。
工作电压:Ui=1.2V。
工作电流:Ii=15mA。
②电缆03
电缆03是温度传感器与温度变送器之间的互联电缆,3芯屏蔽电缆。
电缆参数:适用于iaⅡC级,Cc=200pF/m,Lc=1μH/m。
按照3芯屏蔽电缆的分布参数(Cc=200pF/m,Lc=1μH/m)不得大于温度变送器的输出参数值,即可选择温度传感器与温度变送器之间的合适电缆长度。
③温度变送器
温度变送器是经过防爆电气产品检验机构检验合格的设备,防爆合格证编号为CQST1235-2010。
型号:WBQ2233。
防爆标志:ExiaⅡCT4。
环境温度:-20~80℃。
输入参数:Ui=30V,Ii=120mA,Pi=1W。
内部参数:Ci=3nF,Li=10μH。
输出参数:Uo=1.0V,Io=10mA,Co=1000μF,Lo=350mH。
显然,温度变送器的输出参数小于温度传感器的输入参数:Uo<Ui,Io<Ii,符合参数匹配关系。
④电缆02
电缆02是温度变送器与关联设备之间的互连电缆,2芯屏蔽电缆。
电缆参数:适用于iaⅡC级,Cc=200pF/m,Lc=1μH/m,Lc/Rc=54μH/Ω。
根据“电抗参数匹配关系判定原则”,温度变送器的最大内部电容Ci、最大内部电感Li均小于关联设备的最大外部电容Co、最大外部电感Lo的1%,因而,人们可以直接使用式(11.3)计算允许的电缆电容Cc和电缆电感Lc。
于是,人们就可以根据这个计算结果并按照2芯屏蔽电缆的分布参数(Cc=200pF/m,Lc=1μH/m)计算和选择温度变送器与关联设备之间的合适电缆长度。
⑤关联设备
关联设备是经过防爆电气产品检验机构检验合格的设备,防爆合格证编号为CQST1234-2010。
型号:GSB0011。
防爆标志:[Exia]ⅡC。
环境温度:-20~60℃。
输入参数:Um=250V。
输出参数:Uo=28V,Io=93mA,Po=650mW;ⅡB级参数为:Co=650nF,Lo=16.8mH,Lo/Ro=216mH/Ω。
显然,关联设备的输出参数小于温度变送器的输入参数:Uo<Ui,Io<Ii,Po<Pi,符合参数匹配关系。
⑥电缆01
电缆01是电源设备与关联设备之间的互连电缆,在非危险场所,不作特殊规定,例如,可以使用一般用途的橡套电缆。
⑦电源设备
电源设备是普通工业用电气设备,输出电压为250V(交流有效值),即最高电压(Um)。
从上述列出的数据,不难看出,“下层”设备与“上层”设备的匹配是合理的,符合本质安全电气系统设计的基本原则。
在这里讨论的例子较为复杂,在实际应用中,本质安全电气系统常常是比较简单的。例如,煤矿用隔爆兼本质安全型控制装置,就本质安全型防爆型式而言,只有电源、关联设备和传感器,而且,电源和关联设备放置在隔爆外壳内,于是这种系统就可以运行在煤矿井下。
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