本安参数确定:Ui/Ii/Pi、Ci/Li 与标志参数

铭牌上那十个字母参数(Ui/Ii/Pi/Ci/Li、Uo/Io/Po/Co/Lo)不是"标着好看",它们是本安系统匹配的合同条款——任何一对不匹配,系统就不成立。本篇讲透这些参数怎么算出来、怎么测出来、怎么标出来,并用二极管安全栅做一次完整的参数确定演示。

系列 本质安全电路设计十讲 · 07/11阅读 约 13 分钟对应标准 GB/T 3836.4-2021 第 9.1 条(二极管安全栅)、9.2(FISCO)、第 12 章(标志)、10.4

一、参数从哪里来:三个来源

1. 关联设备的 Uo/Io/Po/Co/Lo——算出来的 - Uo:限压元件最坏钳位值(容差恶化方向); - Io:最坏电压 ÷ 最小限流电阻(或电子限流设定值下限); - Po:按输出特性取最大功率点(电阻限流源 Po = Uo·Io/4;恒流钳位型 Po ≈ Uo×Io); - Co/Lo:用 1.5 倍加严后的 Uo/Io 查附录 A 曲线(IIC/IIB 分别查)。

2. 本安设备的 Ui/Ii/Pi/Ci/Li——算出来 + 测出来的 - Ui/Ii/Pi:由设备内部限能元件的最坏钳位值/限流值决定; - Ci/Li:设备内部等效电容与电感,可实测(10.4 规定了不严密元件参数的测定),连插座、走线、压电器件的等效储能都要计入。

3. 系统匹配——五个不等式 Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc。

图示图 7-1|本安参数"三级流水线"示意

三段流水线:计算段(公式图标)→测量段(示波器/LCR 表图标)→匹配段(五个不等式关卡),每段标对应标准条款

二、二极管安全栅参数确定实操(9.1)

二极管安全栅是参数确定的最佳教学案例——元件只有三种:熔断器、齐纳管、限流电阻,但参数链完整。

Step 1:定 Uo

  • 目标钳位电压由系统要求定(如 28V 档);
  • Uo = 齐纳管最坏钳位值:标称值 + 容差上限(如 10×(1+10%)V → 11V)逐只串联累加。

Step 2:定 Io

  • Io = Uo(max) / R(min)(电阻取下偏差);
  • 齐纳栅通常是电阻限流型,可直接查点燃曲线(享受不了电子限流源的"待遇",也躲开了它的 1/5 折扣惩罚)。

Step 3:定 Po

  • 电阻限流型电源最大功率点:Po = Uo × Io / 4(负载电阻等于源内阻时)。

Step 4:定 Co/Lo

  • 用 1.5×Uo 查 IIC(或 IIB)电容电路曲线(图 A.3/A.4)得 Co;
  • 用 1.5×Io 查电感电路曲线(图 A.5/A.6)得 Lo;
  • 行业典型值参考:28V 档 IIC 齐纳栅常见 Co≈83nF、Lo≈4.2mH 量级(具体以制造商认证参数为准)。

Step 5:熔断器与齐纳管的配合

  • 熔断器额定电流 ≈ 1.7 × 齐纳管最大工作电流(保证齐纳管先于熔断器损坏前被保护?不——是熔断器在齐纳管烧毁前分断);
  • 熔断器分断能力 ≥ 网侧最大预期故障电流;
  • 齐纳管按 ib 双并联 / ia 三并联构成分流安全组件(第 5 篇)。

Step 6:接地

  • 齐纳栅依赖接地泄放故障电流,接地端子与接地排满足 6.5 要求,系统接地电阻按安装规范(通常 ≤1Ω)。
图示图 7-2|齐纳安全栅参数确定流程图

六步竖向流程:定 Uo→定 Io→定 Po(公式 Uo·Io/4)→查曲线定 Co/Lo→熔断器配合→接地,每步右侧标注依据条款

三、Ci/Li 与 FISCO 的简化哲学

Ci/Li 的统计清单(本安设备侧): - 所有跨接在本安端子间的电容(含去耦电容、走线寄生); - 所有串接在本安端子回路中的电感(含继电器线圈、变压器绕组、走线寄生); - 插座、滤波器、压电器件的等效参数; - 10.4 允许对不易确定参数的元件实测。

FISCO(9.2、附录 G):总线场景下逐台做实体参数匹配太繁琐,FISCO 用统一规则替代——总线电源、终端器、现场设备按统一参数体系认证(电压、电流、功率限值一致,每台设备视为不储能或低储能),单段可挂多台设备而免逐一验算 Co/Lo。工程价值:把"每对设备的参数匹配"简化为"整套系统一次认证"。

图示图 7-3|实体参数匹配(Entity)vs FISCO 对比图

左侧逐对匹配(每台设备与安全栅之间画五个不等式),右侧 FISCO 统一框架(一台电源+多台设备套在同一个认证框内),直观体现简化

四、标志怎么标(第 12 章)

标志是参数的"公示"环节,第 12 章要求:

  • 防爆标志:如 Ex ia IIC T4 Ga(本安设备)、Ex d [ib Ga] IIC T4 Gb(隔爆外壳内的关联设备,方括号内为关联设备的本安等级);
  • 本安参数:Ui、Ii、Pi、Ci、Li(本安设备)/ Uo、Io、Po、Co、Lo(关联设备);
  • 连接件标志(12.2):本安端子与非本安端子应有明确标识(通常本安端子用蓝色);
  • 警告标志(12.3):如"严禁带电开盖"类警告按需要设置;
  • 标志举例(12.4):标准给出了完整的标志牌样式示例。
图示图 7-4|本安设备与关联设备铭牌样式示例

📖 标准条款卡片 GB/T 3836.4-2021 第 12 章:标志应包括防爆型式符号(ia/ib/ic)、设备类别与级别(I/IIA/IIB/IIC/III)、温度组别、EPL,以及全套本安参数。关联设备的外部电路标志应能防止使用者误接。 两块仿真铭牌:左"Ex ia IIC T4 Ga + Ui 30V / Ii 100mA / Pi 750mW / Ci 5nF / Li 10µH";右"Ex d [ib Ga] IIC T4 Gb + Uo 28V / Io 93mA / Po 650mW / Co 83nF / Lo 4.2mH",本安端子标蓝色

五、参数确定的完整核对表

参数 来源 关键注意
Uo 限压元件最坏钳位值 容差方向恶化,逐只累加
Io 最坏电压 ÷ 最小限流值 电子限流源考虑曲线 1/5 折算
Po 输出特性最大功率点 电阻限流型 = Uo·Io/4
Co/Lo 1.5 倍加严后查附录 A 曲线 IIC/IIB 分开查
Ui/Ii/Pi 内部限能元件最坏值 与 Uo 等形成匹配对
Ci/Li 统计 + 实测(10.4) 别漏插座与走线寄生
Cc/Lc 电缆数据 决定允许电缆长度

本篇小结

  • 参数三来源:算(Uo/Io/Po)、测(Ci/Li)、配(五个不等式);
  • 齐纳栅六步定参:Uo→Io→Po(Uo·Io/4)→查曲线→熔断器配合→接地;
  • FISCO 用统一认证替代逐对匹配,是总线场景的最优解;
  • 标志(第 12 章)是参数的法律公示,方括号 [ib] 表示关联设备,蓝色端子=本安。

下期预告:第 8 篇《案例一:两线制变送器的本安设计全程》——把前七篇串成一条线,从功率预算到标志输出,一个 II 类 ib IIC 项目全流程实战。


参考资料 1. GB/T 3836.4-2021 第 9.1、9.2 条、第 12 章、10.4、附录 A、附录 G 2. GB/T 3836.1-2021 第 29 章(标志)

免责声明:文中典型参数值为教学示例,实际认证参数以试验与认证机构评定为准。

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