简介面向防爆电气设计、仪表及安全评估人员这份文档系统介绍本质安全电路设计的基本原则与方法。内容依据国家标准报批稿要求详解本安电路与非本安电路之间的机械隔离、电气隔离和安全距离并覆盖爬电距离、电气间隙、浇封间距、变压器隔离、光电隔离、安全栅隔离以及耐压、温度、湿度等试验要求同时梳理隔离变压器的绕组结构与屏蔽要求、限流电阻等可靠元件的选型要点可帮助读者建立从电路原理到产品验证的完整设计框架。文档为单份PDF容量583KB来自煤炭科学研究总院抚顺分院与南阳防爆电气研究所的工程经验目前在CSDN已有329人学习。结合石化企业防爆设备及通讯、信号、监控、传感等微电子仪器仪表场景文中给出具体的隔离措施与参数要求便于工程人员对照标准规范进行方案设计、故障排查与合规校核对提升本安型电气设备的安全性与可靠性具有直接参考价值。1. 本安电路设计的本质不是“限流”而是“三原则同时成立”本质安全电路本安电路这个概念在仪表、传感器、现场总线等低功率场景里经常被误解。很多人以为本安就是“把电流限制到几十毫安”或者“在电源出口串个电阻就是本安”。真到防爆认证检测时才发现炸不炸和“电流大小”并不直接画等号而是取决于电路在开路、短路、电容储能放电、电感储能断开这几种瞬态下能释放多少能量给引燃源。本文依据煤炭科学研究总院抚顺分院、机械工业部南阳防爆电气研究所的经典资料把本安电路设计的三个基本原则——隔离、热效应限制、电火花评定——拆开讲清楚并给出可参照的判定流程和参数修改手段。适合正在做仪表接口、传感器调理、变送器电源入口、安全栅匹配的硬件工程师也适合准备过防爆认证、想知道“参考曲线到底怎么查”的从业者。2. 隔离设计机械隔离与电气隔离的参数边界2.1 为什么“和其他电路挨着放”就不本安了本安电路不能独立存活。一个变送器内部往往同时存在本安侧传感器信号、本安电源和非本安侧供电入口、通讯隔离前段、继电器驱动两侧之间只要有一次能量窜入比如非本安侧的电容通过印制板漏电流对本安侧充电或者变压器绕组间击穿把高压引入本安性能立刻失效。第一原则解决的是这个问题隔离防止非本安电路的能量在正常或故障状态下影响本安电路。隔离手段分机械隔离和电气隔离两类。机械隔离靠物理距离与绝缘材料实现电气隔离靠变压、电容、继电器、光电耦合、安全栅等功能性器件实现。两者不是二选一实际产品中往往同时使用。2.2 爬电距离、电气间隙与间距的查表逻辑机械隔离最先要查的是爬电距离、电气间隙和间距。原资料对应的是早期国家标准报批稿的数值表电压峰值从低到高分为若干档每一档分别给出空气中间隙、浇封化合物间距、固体绝缘间距、空气中爬电距离、涂层下爬电距离、相比漏电起痕指数CTI的查表值。套用方式如下确定本安侧与非本安侧的电压峰值之和查表得到对应的电气间隙和爬电距离。若使用浇封隔离浇封后的电气间隙仍要满足表中的空气间隙要求浇封化合物必须粘附到全部凸出的导线、元件和印制电路板表面否则应全部密封浇封。使用固体绝缘隔离时固体绝缘的间距查对应的列材料CTI必须满足表中数值电压低于某一阈值时CTI可以不规定但不要自行推断“低了就可以随便选”要以实际认证时检测机构采用的标准版本为准。采用屏蔽层分线布置也可以作为机械隔离手段但屏蔽层本身的接地方式和绝缘强度要纳入设计考虑。提示爬电距离不足导致的绝缘失效比电气间隙不足更隐蔽。电气间隙失效多是瞬态过压击穿爬电距离失效则是长期积污、凝露后的缓慢爬电故障复现困难。设计时不要把PCB上的开槽当作万能手段开槽后爬电路径变长但槽边沿如果有镀通孔路径会被重新拉短。2.3 电气隔离的几种实现及适用边界电气隔离的可用方案不止一种选择依据是信号特征、功率流向和允许的故障模式。变压器隔离常用于交流信号或脉冲信号的转换隔离侧有本安绕组时该绕组必须与其他绕组在结构上满足绝缘要求可以并列在铁芯同一柱上也可以绕在不同柱上绕组之间按表加固定绝缘必要时加接地屏蔽层。屏蔽层的最小金属箔厚度或最小导线直径与初级回路熔断器的额定电流有关。作为电源变压器时输入绕组与输出绕组之间至少承受规定耐压试验输出绕组与本安电路之间如果加隔板电气间隙和爬电距离仍需满足表中要求。可靠电阻隔离的思路是在非本安侧与本安侧之间串入可靠限流电阻故障时限制短路电流。前提是非本安电路中的电压无论在正常还是在规定故障状态下都不会使本安电路产生破坏本安性能的电压升高或电流增大。这里容易踩的坑是电阻选型必须选用薄膜电阻、金箔膜或线绕电阻绕线断线时不许松脱故障或损坏时电阻值不能减小或短路电阻在正常和故障状态下能承受可能出现的最高电压或最大功率的倍数关系要留够线绕电阻是首选因为薄膜电阻在过功率击穿时可能碳化短路。隔离电容器用于非本安电路与本安电路之间传递检测信号、隔离直流危险电位。必须用两个参数相同的电容器串联组件本身作为一个可靠元件考虑最不利的一只电容的数值并留安全系数。电解电容、钽电容不允许作为隔离元件因为短路失效模式不可接受。每个电容的绝缘耐压值应能承受规定试验不击穿隔离两个独立本安电路时如果两者之间最高电压大于某阈值每个电容的绝缘耐压值要按两者电压之和考虑。继电器隔离多用于控制或传递回路非本安触点回路电压不超过规定值电气间隙与爬电距离符合表值。继电器触头损坏时触点不允许脱落绕组应能承受连接处最大耗散功率。当继电器触头损坏时触点脱落会造成导通状态不确定这对本安侧是危险故障模式。光电耦合器是目前监视、控制系统中常用的方案原理上是用光作为能量传递介质杜绝了电流直接传导。使用条件有三正常和规定故障条件下通过该元件的电流、承受的电压和功率值不能大于正常安装使用范围值的三分之二半导体耗散功率不超过特殊安装条件下结点最高温度所对应耗散功率的三分之二内部电气间隙满足表中对应要求非本安侧终端要有保护措施保护元件额定值不超限。安全栅是本安工程里最常见的隔离组件设置在危险区的本安电路与安全区的非本安电路之间。I类或II类本质安全电路用的安全栅不允许采用可控半导体器件隔离二极管安全栅至少装两支二极管每支要经过重复矩形波脉冲试验、温度试验可靠电阻值要求同样严格。比如我们做现场温度变送器时变送器本安侧与上位机通讯侧之间就要求安全栅两端绝缘耐压满足交流有效值或直流对应值。2.4 一个故障导向安全的问题隔离元件怎么选本质上是个“失效模式导向安全”的问题。电阻要选断线开路型失效而非短路型失效电容要选不会短路的固体介质型继电器触点开闭要保证故障时不脱落变压器绕组绝缘要保证击穿时不直接把高压引到本安侧。每选一个隔离器件都要在脑子里过一遍“这东西坏了是往安全方向坏还是往危险方向坏”这一点在电路评审时是最先被专家问的。3. 热效应限制布线与元件温度怎么算、怎么卡温组3.1 热效应原则的含义第二个基本原则本安电路在规定的正常和故障条件下其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。这句话翻译成工程动作就是找出电路中耗散功率最大的元件、电流最大的导线、温升最高的印制走线验证它们在规定的最高环境温度下叠加正常或故障状态后的表面温度不超过对应温度组别的允许值。温度组别是防爆设计里绕不开的硬指标。不同爆炸性气体混合物有不同的引燃温度设备按其最高表面温度划分T1T6实际黄色资料里还提到I类、II类设备的不同处理方式。3.2 导线最大允许电流与温度组别导线自热计算是热效应评估的第一步。铜导线最大允许电流可由下列经验公式计算I I_m / sqrt(1 α·(T_m - T_0))参数含义如下I_m导线的熔化电流Aα导线材料电阻温度系数铜取0.004/℃左右具体值视材料纯度T_m导线熔化温度℃铜约为1083℃T_0适当的导线自身发热温度和环温基准℃I最大允许电流A计算出的值要与标准表中“铜导线温度组别最大允许电流”对照。表里给出的值是交流有效值或直流值绞合导线按总截面积查用挠性扁平导线如带状电缆同样适用但印制电路导线不适用要走另外的印制板查表路径。当电流不超过一定阈值时可判定导线为T4温度组别对I类设备也允许。注意“T4且I类也允许”是有条件的阈值在表中明确给出超出就要往下退温度组别或加粗导线。3.3 印制电路导线宽度与降额系数印制导线本安热效应评估不是直接套铜导线表要另查印制电路板导线温度组别表。表中给出单层铜箔厚度为某一基准值时的最大允许电流实际PCB走线必须做多层降额铜箔厚度在基准值以上直接查表铜箔厚度低于基准值表中电流值除以1.5双面印制板表中电流值除以2多层印制板表中电流值除以2铜箔厚度某一档表中电流值除以2铜箔厚度更薄乘以系数或查对应列。此外两个修正条件容易被忽略正常或故障条件下耗散功率达到某一阈值的元件下面通过时最大允许电流要除以2元件终端沿导线长度方向一定范围内应将印制导线宽度乘以系数或将最大允许电流除以2。提示发热元件下面的走线降额很多人设计时都忘了。功率电阻底下穿线看着只有零点几毫米的铜箔表面温度却可能超过T4允许值。如果不方便改走线至少要在元件投影区加宽铜箔或者把走线绕出去。3.4 元件表面温度过高时的处置手段部分小元件自身温度偏高或者高温时伴随电阻变化不能满足温度组别要求可采取散热措施常见三种增大元件散热面积用浇封方式包裹元件浇封剂体积和厚度要把被浇封元件或导电部件的最高表面温度降到规定值金属件辅助散热。浇封本身也有条件浇封剂额定允许连续运行温度应不小于被封元件最高温度浇封部分无外壳保护时应能承受规定的机械试验压力和冲击试验否则浇封层开裂会使散热路径恶化。4. 用参考曲线做简单电路评定电阻、电感、电容三种电路怎么判定和修改4.1 只有简单电路才能直接套曲线第三个基本原则是整个本安体系的关键任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物。电火花包括正常工作状态和故障状态下元件的断路、短路产生的火花。对设计者来说真正要解决的是“我这个电路短路一下、断开一下会不会点着”目前标准体系中用于初步评定的方法是参考曲线即电阻电路的电压—最小点燃电流曲线电容电路的电压—最小点燃电容曲线电感电路的电流—最小点燃电感曲线。但参考曲线仅适用于简单电路即可以被视为纯电阻、纯电容或纯电感的电路。实际电路中含有非线性电感、非线性输出电源以及影响较大的分布电感、分布电容时直接查曲线会偏乐观。原文明确指出有些实际点燃值仅是曲线查出电流值的五分之一。因此只有设计的电路是简单电路或能简化为简单电路时才允许按曲线评定。4.2 简单电阻电路的判定与限流电阻修改思路是对电源部分做短路故障分析把最不利的故障状态拿出来判断短路电流是否超过曲线给出的最小点燃电流考虑安全系数。假设某II类电气设备电池输出电压为24V内阻为几欧姆负载为阻性。若不设限流电阻短路电流极大远大于曲线中24V对应的最小点燃电流因此该电路不本安。修改方法分两种。第一种增加可靠限流电阻并同电池胶封成一体。计算流程如下查曲线电压 24V 时对应的最小点燃电流 I_min 0.2A示例值 取 1.5 倍安全系数I_safe 0.2 / 1.5 ≈ 0.133A 电池内阻 3Ω则限流电阻 R 24 / 0.133 - 3 ≈ 177Ω 可取 180Ω电阻功率按短路时最大功率计算 P 24^2 / 180 ≈ 3.2W选 5W 线绕电阻与电池胶封为什么取1.5倍安全系数因为查表/查曲线本身的精度有限且电池供电在故障状态下电压可能有短时升高再加产品本身会老化1.5倍是最低安全检查裕量。更严格场景或环境温度更高时建议做到2倍以上。若增加限流电阻后负载端电压跌落过大、不能满足负载要求这种情况在4-20mA两线制里常见因为回路电压有限可换一种思路降低电池电压。电池内阻小、直接短路电流很大时可以通过增大电池内阻型电池或降低电压来实现本安。例如用9V电池组替代24V对应的最小点燃电流更大负载侧再配合小功率设计就能同时满足本安和功能要求。4.3 简单电感电路的判定与修改在电阻电路基础上串联一个电感例如负载侧加了一个100mH的电感判定方法如下电源部分按前述方法判定为安全计算负载回路在正常状态下的稳态电流值查电感曲线从横轴100mH处对应当前电压/回路条件下的最小点燃电流考虑安全系数后与回路实际电流比较。例如回路电压24V、限流电阻180Ω、电感内阻忽略稳态电流为I 24 / 180 ≈ 0.133A查曲线100mH 对应的最小点燃电流假设为 0.1A取1.5倍安全系数后为 0.067A此时 0.133A 大于 0.067A判定该电路不本安。修改方式有增大电池可限流电阻使工作电流降到安全允许值以下。计算过程与前面相同只是把目标电流换成电感曲线对应的允许值考虑安全系数后反算电阻值降低电源电压使回路电流下降减小电感值使曲线上的最小点燃电流上升但前提是负载功能允许电感降低在电感两端并联齐纳二极管做能量泄放也是一些工程里常见的做法但齐纳管自身的失效模式和功率余量需要额外评估。注意电感电路里的负载电阻如果被判定为“非可靠元件”故障状态要考虑电阻短路时的电感电流值。这个值远大于正常电流电感储存的能量与电流的平方成正比所以即使正常工作电流看起来不大一旦负载短路储存能量可能高出一个数量级。4.4 简单电容电路的判定与修改电感换成电容例如1µF电容跨接在24V电源与地之间用于滤波或者储能判定思路转向电压-电容关系。电容电路的引爆条件是电压上升到某一阈值时放电因此关键参数是电容容量和工作电压。实际评定中要按1.5倍安全系数修正电压24V考虑安全系数后取评定电压为 24×1.5 ≈ 36V。查电容曲线对应36V电压、最小引燃电容约为0.05µF而此时电路中有1µF储能电容远超允许值判定为该电路不是本安电路必须修改。两种方法降低电源电压至曲线允许的范围。例如查曲线得到某电容值下对应最低点燃电压约8V考虑1.5倍安全系数后实际电压不应高于 8/1.5 ≈ 5.3V减小电路中的电容值。例如将1µF降到0.05µF以下即有足够裕量。对于IC电源去耦电容需要考虑改用更小的去耦电容或用串联电阻限制放电能量。电容上串联可靠电阻是更常用的处理办法尤其是滤波电容。串电阻后电容放电回路的峰值电流受到限制曲线从“单纯容性”变为“阻容性”允许电压大幅提高。原文示例就是电容串电阻后0.1µF电容的点燃电压可以覆盖24V整个电路成为本安电路。4.5 曲线评定的固有风险参考曲线在生产场景中很有用但局限要清楚曲线标称值是在标准火花试验装置上用典型气体测出来的实际电路还要考虑分布参数。一块PCB上有大面积铺铜分布电容可能达到数纳法级别长线缆的电感可能到几毫亨。布线完后即使原理图计算通过了也要进行火花试验验证。所以设计流程是简化电路为纯R、C、L模型按曲线初评留1.5倍安全系数对非线性元件、分布参数做额外降额送检时用标准火花试验装置实测。真正难判定的是非线性电路比如开关电源内部、通讯接口的瞬态保护电路参考曲线不能直接用必须靠火花试验。5. 常用本安电路的参数套算清单5.1 一套可直接落地的查表与计算流程设计一个新项目时建议按以下清单逐项核对步骤检查项操作依据输出1非本安侧最高电压外壳内所有可能叠加的电源电压之和绝缘耐压要求2本安侧与非本安侧间距查爬电距离、电气间隙、间距表PCB布局约束3电源输出短路电流电池或电源内阻限流电阻计算是否满足电阻电路曲线4电容总量汇总所有本安侧电容VDE或曲线查引燃阈值每1.5倍安全系数核对5电感总量汇总所有电感查电感曲线最小点燃电流6印制导线宽度查印制板导线温度组别表并按层数和元件发热降额走线设计7元件表面温度找出耗散功率最大的元件是否满足温度组别8隔离方式变压器/电容/继电器/光电/安全栅电气隔离选型9火花试验初评不充分的电路送检验证5.2 常见本安应用的参数判断两线制变送器回路电源电压24V非本安侧设计本安侧电压需要求隔离后不超过对应曲线阈值同时本安侧输出回路在短路时电流不能超过最小点燃电流。一种常见设计是串联200Ω左右线绕限流电阻与安全栅配合保证短路电流被限制在几十毫安级别。传感器信号调理电路传感器一般是桥式电阻应变片、铂电阻本身是纯阻性如果桥路供电电压低于电容曲线阈值、分布电容控制在几十纳法以内不用特殊隔离也能满足本安要求。关键是要排查信号调理芯片的输入电容、PCB走线寄生电容防止容性储能超限。RS485现场总线接口通讯侧与仪表侧之间用光电耦合器或变压器隔离跨接电容限制在阈值以内防雷TVS管要分析其结电容TVS管的结电容可能使本安侧电容总量超标必要时要做两段防护。5.3 一个“看起来没问题”但实际不本安的实例最近做某温控模块评审时电源侧24V经BUCK降到3.3V给MCU供电本安侧只有传感器接口。设计者认为电流小、电压低本安没问题。但查下来发现BUCK输出端有100µF电解电容储能很大本安侧接口与电源地共用铺铜隔离距离不够传感器接口对地有0.1µF滤波电容。故障状态下接口发生短路时100µF电容通过接口放电放电能量足以引爆IIA类气体。修改方案是电源电解电容放在非本安侧本安侧用DC-DC隔离模块供电接口输入串联限流电阻滤波电容缩小到0.01µF并用串联电阻隔离。修改后再按曲线核算才进入可送检状态。这个案例说明本安设计不是看工作电流而是看“故障条件下最坏储能路径上能释放多少能量”。5.4 安全栅选型与本安侧的匹配验证安全栅在电路中间承担隔离功能参数要与现场仪表匹配。选型核对以下内容安全栅开路电压不得高于本安侧设备允许最高电压安全栅短路电流不得高于本安侧设备允许最大电流安全栅输出端外部电容、电感与现场仪表分布参数叠加后不能超过参考曲线阈值安全栅本安侧与非本安侧之间的绝缘耐压是否满足现场可能出现的共模电压要求。匹配性验证建议用表格逐行填写峰值电压、短路电流、最大容性负载、最大感性负载、温度组别每项对照参考曲线和安全栅证书参数不能只看电缆长度还要考虑电缆本身的分布电感和分布电容。本文还有配套的精品资源点击获取
本安电路设计精髓：隔离、热效应限制与火花评定
简介面向防爆电气设计、仪表及安全评估人员这份文档系统介绍本质安全电路设计的基本原则与方法。内容依据国家标准报批稿要求详解本安电路与非本安电路之间的机械隔离、电气隔离和安全距离并覆盖爬电距离、电气间隙、浇封间距、变压器隔离、光电隔离、安全栅隔离以及耐压、温度、湿度等试验要求同时梳理隔离变压器的绕组结构与屏蔽要求、限流电阻等可靠元件的选型要点可帮助读者建立从电路原理到产品验证的完整设计框架。文档为单份PDF容量583KB来自煤炭科学研究总院抚顺分院与南阳防爆电气研究所的工程经验目前在CSDN已有329人学习。结合石化企业防爆设备及通讯、信号、监控、传感等微电子仪器仪表场景文中给出具体的隔离措施与参数要求便于工程人员对照标准规范进行方案设计、故障排查与合规校核对提升本安型电气设备的安全性与可靠性具有直接参考价值。1. 本安电路设计的本质不是“限流”而是“三原则同时成立”本质安全电路本安电路这个概念在仪表、传感器、现场总线等低功率场景里经常被误解。很多人以为本安就是“把电流限制到几十毫安”或者“在电源出口串个电阻就是本安”。真到防爆认证检测时才发现炸不炸和“电流大小”并不直接画等号而是取决于电路在开路、短路、电容储能放电、电感储能断开这几种瞬态下能释放多少能量给引燃源。本文依据煤炭科学研究总院抚顺分院、机械工业部南阳防爆电气研究所的经典资料把本安电路设计的三个基本原则——隔离、热效应限制、电火花评定——拆开讲清楚并给出可参照的判定流程和参数修改手段。适合正在做仪表接口、传感器调理、变送器电源入口、安全栅匹配的硬件工程师也适合准备过防爆认证、想知道“参考曲线到底怎么查”的从业者。2. 隔离设计机械隔离与电气隔离的参数边界2.1 为什么“和其他电路挨着放”就不本安了本安电路不能独立存活。一个变送器内部往往同时存在本安侧传感器信号、本安电源和非本安侧供电入口、通讯隔离前段、继电器驱动两侧之间只要有一次能量窜入比如非本安侧的电容通过印制板漏电流对本安侧充电或者变压器绕组间击穿把高压引入本安性能立刻失效。第一原则解决的是这个问题隔离防止非本安电路的能量在正常或故障状态下影响本安电路。隔离手段分机械隔离和电气隔离两类。机械隔离靠物理距离与绝缘材料实现电气隔离靠变压、电容、继电器、光电耦合、安全栅等功能性器件实现。两者不是二选一实际产品中往往同时使用。2.2 爬电距离、电气间隙与间距的查表逻辑机械隔离最先要查的是爬电距离、电气间隙和间距。原资料对应的是早期国家标准报批稿的数值表电压峰值从低到高分为若干档每一档分别给出空气中间隙、浇封化合物间距、固体绝缘间距、空气中爬电距离、涂层下爬电距离、相比漏电起痕指数CTI的查表值。套用方式如下确定本安侧与非本安侧的电压峰值之和查表得到对应的电气间隙和爬电距离。若使用浇封隔离浇封后的电气间隙仍要满足表中的空气间隙要求浇封化合物必须粘附到全部凸出的导线、元件和印制电路板表面否则应全部密封浇封。使用固体绝缘隔离时固体绝缘的间距查对应的列材料CTI必须满足表中数值电压低于某一阈值时CTI可以不规定但不要自行推断“低了就可以随便选”要以实际认证时检测机构采用的标准版本为准。采用屏蔽层分线布置也可以作为机械隔离手段但屏蔽层本身的接地方式和绝缘强度要纳入设计考虑。提示爬电距离不足导致的绝缘失效比电气间隙不足更隐蔽。电气间隙失效多是瞬态过压击穿爬电距离失效则是长期积污、凝露后的缓慢爬电故障复现困难。设计时不要把PCB上的开槽当作万能手段开槽后爬电路径变长但槽边沿如果有镀通孔路径会被重新拉短。2.3 电气隔离的几种实现及适用边界电气隔离的可用方案不止一种选择依据是信号特征、功率流向和允许的故障模式。变压器隔离常用于交流信号或脉冲信号的转换隔离侧有本安绕组时该绕组必须与其他绕组在结构上满足绝缘要求可以并列在铁芯同一柱上也可以绕在不同柱上绕组之间按表加固定绝缘必要时加接地屏蔽层。屏蔽层的最小金属箔厚度或最小导线直径与初级回路熔断器的额定电流有关。作为电源变压器时输入绕组与输出绕组之间至少承受规定耐压试验输出绕组与本安电路之间如果加隔板电气间隙和爬电距离仍需满足表中要求。可靠电阻隔离的思路是在非本安侧与本安侧之间串入可靠限流电阻故障时限制短路电流。前提是非本安电路中的电压无论在正常还是在规定故障状态下都不会使本安电路产生破坏本安性能的电压升高或电流增大。这里容易踩的坑是电阻选型必须选用薄膜电阻、金箔膜或线绕电阻绕线断线时不许松脱故障或损坏时电阻值不能减小或短路电阻在正常和故障状态下能承受可能出现的最高电压或最大功率的倍数关系要留够线绕电阻是首选因为薄膜电阻在过功率击穿时可能碳化短路。隔离电容器用于非本安电路与本安电路之间传递检测信号、隔离直流危险电位。必须用两个参数相同的电容器串联组件本身作为一个可靠元件考虑最不利的一只电容的数值并留安全系数。电解电容、钽电容不允许作为隔离元件因为短路失效模式不可接受。每个电容的绝缘耐压值应能承受规定试验不击穿隔离两个独立本安电路时如果两者之间最高电压大于某阈值每个电容的绝缘耐压值要按两者电压之和考虑。继电器隔离多用于控制或传递回路非本安触点回路电压不超过规定值电气间隙与爬电距离符合表值。继电器触头损坏时触点不允许脱落绕组应能承受连接处最大耗散功率。当继电器触头损坏时触点脱落会造成导通状态不确定这对本安侧是危险故障模式。光电耦合器是目前监视、控制系统中常用的方案原理上是用光作为能量传递介质杜绝了电流直接传导。使用条件有三正常和规定故障条件下通过该元件的电流、承受的电压和功率值不能大于正常安装使用范围值的三分之二半导体耗散功率不超过特殊安装条件下结点最高温度所对应耗散功率的三分之二内部电气间隙满足表中对应要求非本安侧终端要有保护措施保护元件额定值不超限。安全栅是本安工程里最常见的隔离组件设置在危险区的本安电路与安全区的非本安电路之间。I类或II类本质安全电路用的安全栅不允许采用可控半导体器件隔离二极管安全栅至少装两支二极管每支要经过重复矩形波脉冲试验、温度试验可靠电阻值要求同样严格。比如我们做现场温度变送器时变送器本安侧与上位机通讯侧之间就要求安全栅两端绝缘耐压满足交流有效值或直流对应值。2.4 一个故障导向安全的问题隔离元件怎么选本质上是个“失效模式导向安全”的问题。电阻要选断线开路型失效而非短路型失效电容要选不会短路的固体介质型继电器触点开闭要保证故障时不脱落变压器绕组绝缘要保证击穿时不直接把高压引到本安侧。每选一个隔离器件都要在脑子里过一遍“这东西坏了是往安全方向坏还是往危险方向坏”这一点在电路评审时是最先被专家问的。3. 热效应限制布线与元件温度怎么算、怎么卡温组3.1 热效应原则的含义第二个基本原则本安电路在规定的正常和故障条件下其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。这句话翻译成工程动作就是找出电路中耗散功率最大的元件、电流最大的导线、温升最高的印制走线验证它们在规定的最高环境温度下叠加正常或故障状态后的表面温度不超过对应温度组别的允许值。温度组别是防爆设计里绕不开的硬指标。不同爆炸性气体混合物有不同的引燃温度设备按其最高表面温度划分T1T6实际黄色资料里还提到I类、II类设备的不同处理方式。3.2 导线最大允许电流与温度组别导线自热计算是热效应评估的第一步。铜导线最大允许电流可由下列经验公式计算I I_m / sqrt(1 α·(T_m - T_0))参数含义如下I_m导线的熔化电流Aα导线材料电阻温度系数铜取0.004/℃左右具体值视材料纯度T_m导线熔化温度℃铜约为1083℃T_0适当的导线自身发热温度和环温基准℃I最大允许电流A计算出的值要与标准表中“铜导线温度组别最大允许电流”对照。表里给出的值是交流有效值或直流值绞合导线按总截面积查用挠性扁平导线如带状电缆同样适用但印制电路导线不适用要走另外的印制板查表路径。当电流不超过一定阈值时可判定导线为T4温度组别对I类设备也允许。注意“T4且I类也允许”是有条件的阈值在表中明确给出超出就要往下退温度组别或加粗导线。3.3 印制电路导线宽度与降额系数印制导线本安热效应评估不是直接套铜导线表要另查印制电路板导线温度组别表。表中给出单层铜箔厚度为某一基准值时的最大允许电流实际PCB走线必须做多层降额铜箔厚度在基准值以上直接查表铜箔厚度低于基准值表中电流值除以1.5双面印制板表中电流值除以2多层印制板表中电流值除以2铜箔厚度某一档表中电流值除以2铜箔厚度更薄乘以系数或查对应列。此外两个修正条件容易被忽略正常或故障条件下耗散功率达到某一阈值的元件下面通过时最大允许电流要除以2元件终端沿导线长度方向一定范围内应将印制导线宽度乘以系数或将最大允许电流除以2。提示发热元件下面的走线降额很多人设计时都忘了。功率电阻底下穿线看着只有零点几毫米的铜箔表面温度却可能超过T4允许值。如果不方便改走线至少要在元件投影区加宽铜箔或者把走线绕出去。3.4 元件表面温度过高时的处置手段部分小元件自身温度偏高或者高温时伴随电阻变化不能满足温度组别要求可采取散热措施常见三种增大元件散热面积用浇封方式包裹元件浇封剂体积和厚度要把被浇封元件或导电部件的最高表面温度降到规定值金属件辅助散热。浇封本身也有条件浇封剂额定允许连续运行温度应不小于被封元件最高温度浇封部分无外壳保护时应能承受规定的机械试验压力和冲击试验否则浇封层开裂会使散热路径恶化。4. 用参考曲线做简单电路评定电阻、电感、电容三种电路怎么判定和修改4.1 只有简单电路才能直接套曲线第三个基本原则是整个本安体系的关键任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物。电火花包括正常工作状态和故障状态下元件的断路、短路产生的火花。对设计者来说真正要解决的是“我这个电路短路一下、断开一下会不会点着”目前标准体系中用于初步评定的方法是参考曲线即电阻电路的电压—最小点燃电流曲线电容电路的电压—最小点燃电容曲线电感电路的电流—最小点燃电感曲线。但参考曲线仅适用于简单电路即可以被视为纯电阻、纯电容或纯电感的电路。实际电路中含有非线性电感、非线性输出电源以及影响较大的分布电感、分布电容时直接查曲线会偏乐观。原文明确指出有些实际点燃值仅是曲线查出电流值的五分之一。因此只有设计的电路是简单电路或能简化为简单电路时才允许按曲线评定。4.2 简单电阻电路的判定与限流电阻修改思路是对电源部分做短路故障分析把最不利的故障状态拿出来判断短路电流是否超过曲线给出的最小点燃电流考虑安全系数。假设某II类电气设备电池输出电压为24V内阻为几欧姆负载为阻性。若不设限流电阻短路电流极大远大于曲线中24V对应的最小点燃电流因此该电路不本安。修改方法分两种。第一种增加可靠限流电阻并同电池胶封成一体。计算流程如下查曲线电压 24V 时对应的最小点燃电流 I_min 0.2A示例值 取 1.5 倍安全系数I_safe 0.2 / 1.5 ≈ 0.133A 电池内阻 3Ω则限流电阻 R 24 / 0.133 - 3 ≈ 177Ω 可取 180Ω电阻功率按短路时最大功率计算 P 24^2 / 180 ≈ 3.2W选 5W 线绕电阻与电池胶封为什么取1.5倍安全系数因为查表/查曲线本身的精度有限且电池供电在故障状态下电压可能有短时升高再加产品本身会老化1.5倍是最低安全检查裕量。更严格场景或环境温度更高时建议做到2倍以上。若增加限流电阻后负载端电压跌落过大、不能满足负载要求这种情况在4-20mA两线制里常见因为回路电压有限可换一种思路降低电池电压。电池内阻小、直接短路电流很大时可以通过增大电池内阻型电池或降低电压来实现本安。例如用9V电池组替代24V对应的最小点燃电流更大负载侧再配合小功率设计就能同时满足本安和功能要求。4.3 简单电感电路的判定与修改在电阻电路基础上串联一个电感例如负载侧加了一个100mH的电感判定方法如下电源部分按前述方法判定为安全计算负载回路在正常状态下的稳态电流值查电感曲线从横轴100mH处对应当前电压/回路条件下的最小点燃电流考虑安全系数后与回路实际电流比较。例如回路电压24V、限流电阻180Ω、电感内阻忽略稳态电流为I 24 / 180 ≈ 0.133A查曲线100mH 对应的最小点燃电流假设为 0.1A取1.5倍安全系数后为 0.067A此时 0.133A 大于 0.067A判定该电路不本安。修改方式有增大电池可限流电阻使工作电流降到安全允许值以下。计算过程与前面相同只是把目标电流换成电感曲线对应的允许值考虑安全系数后反算电阻值降低电源电压使回路电流下降减小电感值使曲线上的最小点燃电流上升但前提是负载功能允许电感降低在电感两端并联齐纳二极管做能量泄放也是一些工程里常见的做法但齐纳管自身的失效模式和功率余量需要额外评估。注意电感电路里的负载电阻如果被判定为“非可靠元件”故障状态要考虑电阻短路时的电感电流值。这个值远大于正常电流电感储存的能量与电流的平方成正比所以即使正常工作电流看起来不大一旦负载短路储存能量可能高出一个数量级。4.4 简单电容电路的判定与修改电感换成电容例如1µF电容跨接在24V电源与地之间用于滤波或者储能判定思路转向电压-电容关系。电容电路的引爆条件是电压上升到某一阈值时放电因此关键参数是电容容量和工作电压。实际评定中要按1.5倍安全系数修正电压24V考虑安全系数后取评定电压为 24×1.5 ≈ 36V。查电容曲线对应36V电压、最小引燃电容约为0.05µF而此时电路中有1µF储能电容远超允许值判定为该电路不是本安电路必须修改。两种方法降低电源电压至曲线允许的范围。例如查曲线得到某电容值下对应最低点燃电压约8V考虑1.5倍安全系数后实际电压不应高于 8/1.5 ≈ 5.3V减小电路中的电容值。例如将1µF降到0.05µF以下即有足够裕量。对于IC电源去耦电容需要考虑改用更小的去耦电容或用串联电阻限制放电能量。电容上串联可靠电阻是更常用的处理办法尤其是滤波电容。串电阻后电容放电回路的峰值电流受到限制曲线从“单纯容性”变为“阻容性”允许电压大幅提高。原文示例就是电容串电阻后0.1µF电容的点燃电压可以覆盖24V整个电路成为本安电路。4.5 曲线评定的固有风险参考曲线在生产场景中很有用但局限要清楚曲线标称值是在标准火花试验装置上用典型气体测出来的实际电路还要考虑分布参数。一块PCB上有大面积铺铜分布电容可能达到数纳法级别长线缆的电感可能到几毫亨。布线完后即使原理图计算通过了也要进行火花试验验证。所以设计流程是简化电路为纯R、C、L模型按曲线初评留1.5倍安全系数对非线性元件、分布参数做额外降额送检时用标准火花试验装置实测。真正难判定的是非线性电路比如开关电源内部、通讯接口的瞬态保护电路参考曲线不能直接用必须靠火花试验。5. 常用本安电路的参数套算清单5.1 一套可直接落地的查表与计算流程设计一个新项目时建议按以下清单逐项核对步骤检查项操作依据输出1非本安侧最高电压外壳内所有可能叠加的电源电压之和绝缘耐压要求2本安侧与非本安侧间距查爬电距离、电气间隙、间距表PCB布局约束3电源输出短路电流电池或电源内阻限流电阻计算是否满足电阻电路曲线4电容总量汇总所有本安侧电容VDE或曲线查引燃阈值每1.5倍安全系数核对5电感总量汇总所有电感查电感曲线最小点燃电流6印制导线宽度查印制板导线温度组别表并按层数和元件发热降额走线设计7元件表面温度找出耗散功率最大的元件是否满足温度组别8隔离方式变压器/电容/继电器/光电/安全栅电气隔离选型9火花试验初评不充分的电路送检验证5.2 常见本安应用的参数判断两线制变送器回路电源电压24V非本安侧设计本安侧电压需要求隔离后不超过对应曲线阈值同时本安侧输出回路在短路时电流不能超过最小点燃电流。一种常见设计是串联200Ω左右线绕限流电阻与安全栅配合保证短路电流被限制在几十毫安级别。传感器信号调理电路传感器一般是桥式电阻应变片、铂电阻本身是纯阻性如果桥路供电电压低于电容曲线阈值、分布电容控制在几十纳法以内不用特殊隔离也能满足本安要求。关键是要排查信号调理芯片的输入电容、PCB走线寄生电容防止容性储能超限。RS485现场总线接口通讯侧与仪表侧之间用光电耦合器或变压器隔离跨接电容限制在阈值以内防雷TVS管要分析其结电容TVS管的结电容可能使本安侧电容总量超标必要时要做两段防护。5.3 一个“看起来没问题”但实际不本安的实例最近做某温控模块评审时电源侧24V经BUCK降到3.3V给MCU供电本安侧只有传感器接口。设计者认为电流小、电压低本安没问题。但查下来发现BUCK输出端有100µF电解电容储能很大本安侧接口与电源地共用铺铜隔离距离不够传感器接口对地有0.1µF滤波电容。故障状态下接口发生短路时100µF电容通过接口放电放电能量足以引爆IIA类气体。修改方案是电源电解电容放在非本安侧本安侧用DC-DC隔离模块供电接口输入串联限流电阻滤波电容缩小到0.01µF并用串联电阻隔离。修改后再按曲线核算才进入可送检状态。这个案例说明本安设计不是看工作电流而是看“故障条件下最坏储能路径上能释放多少能量”。5.4 安全栅选型与本安侧的匹配验证安全栅在电路中间承担隔离功能参数要与现场仪表匹配。选型核对以下内容安全栅开路电压不得高于本安侧设备允许最高电压安全栅短路电流不得高于本安侧设备允许最大电流安全栅输出端外部电容、电感与现场仪表分布参数叠加后不能超过参考曲线阈值安全栅本安侧与非本安侧之间的绝缘耐压是否满足现场可能出现的共模电压要求。匹配性验证建议用表格逐行填写峰值电压、短路电流、最大容性负载、最大感性负载、温度组别每项对照参考曲线和安全栅证书参数不能只看电缆长度还要考虑电缆本身的分布电感和分布电容。本文还有配套的精品资源点击获取