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2022年4月21日
本文分享 UL 美国总部在《HazLoc 在线技术日活动》（HazLoc Technical Days）的防爆系列研讨会上说明了“图面准备”和“植物油萃取简介与 UL 1389 认证”两个主题后，持续摘录并介绍被纳入基础工程重点课程的“本质安全（Intrinsic Safety）防爆认证”。
由于“本质安全”这类的防护方式与机械结构的一般防护方式迥异，且可用环境与适用产品皆有其特殊性，因此该主题成为产业客户近几年来相当关注以及希望能够有更多培训机会的领域。
鉴于此，我们借此机会摘录可率先帮助客户对本质安全防爆认证建立整体性了解的重点，期望能够助力客户在产品或设备的开发过程中，对防爆方面的防护方式有更多样性、更适宜的选择空间。
认识本质安全
“Circuit in which any spark or any thermal effect produced in the conditions specified in the standard, which include normal and specified fault conditions, is not capable of causing ignition of a given explosive atmosphere.” ── 摘自国际标准IEC 60079-11章节3.1.4
本质安全是一种限制能量以达成防爆能力的保护方式。主要用意即是透过限制电子设备中的电气能量，使得设备在爆炸性危险环境下或进行正常工作状态或者发生故障失效的情况下，均不会成为危险场所中的一个点燃源。
假若设备都能采用本质安全防爆的严格等级，即相当于确保该设备可运用在“危险”的爆炸性环境中──即可燃性物质持续且长时间存在的环境。
依据各标准系统，危险区域标示可参考如下：
- Class I，II，与 III
- Division 1（Division 系统）
- Zone 0，Zone 20（Zone系统）
认识本质安全的常见名词
从本质安全的定义中可见，在评估本质安全电路时，需在电路的正常工作状态及失效故障情况下，针对电路中可能引燃危险环境的潜在点燃源评估。这个部分包括：火花点燃源（Sparks Ignition Source）及热点燃源（Thermal Ignition Source）。
按标准要求，我们会对这些点燃源进行分析并验证电路是否符合本质安全要求。至于评估本质安全电路的实际操作步骤，我们通常会从以下几个概念着手加以分析：
一、点燃源（Ignition Source）
常见的火花点燃源和热点燃源有以下几种情况：
- 火花点燃源的形式：
- 电路的中断（电阻型电路、电感型电路）
- 电路的放电（电容型电路、静电荷累积）
- 撞击、摩擦与冲击造成的火花
- 热点燃源的形式：
- 元件的热表面
- 走线与电路板走线
- 机械性摩擦
二、失效故障（Fault）
本质安全的评估除了会针对电路的正常工作状态，其实还另须考虑失效故障条件下的情况，以确保电路即使在失效故障条件下，其运作亦能符合本质安全。
常见的失效故障情况包含以下几种情况：
- 零件短路
- 零件开路，包括导线和PCB板走线
- 绝缘距离失效
- 零件的失效故障，使其消耗功率超过正常额定功耗。
- 其中失效故障又分为可计数故障（Countable Fault）及不可计数故障（Non-countable Faults）。其定义及区别如下：
- 可计数故障（Countable Fault）
符合对应的本质安全标准构造要求的零部件发生的故障。允许有数量限制。
- 不可计数故障（Non-countable Fault）
不符合对应的本质安全标准构造要求的零组件发生的故障。允许不限制数量。
进行本质安全评估时，必须衡量可计数故障和不可计数故障的组合。即使在恶劣的情况下，电路也不能有能量过高而导致如前所述的火花点燃源及热点燃源等危险。
根据标准要求，不同的本质安全等级，对应到可计数故障允许的个数不同：
三、 可靠元件（Infallible Component）
在分析本质安全电路时必须要建立一个重要的概念，即“可靠元件”（“Infallible Component”）。保护元件（Protective Component）在特定条件下，可以被视为可靠元件。
这些元件将默认在电路无论是正常还是故障的情况下，皆能限制回路能量的保护组件，所以在进行电路分析时，就不需要考虑其故障情况或故障情况将会被限制在可控范围内。
现在常见的保护元件有：限流电阻、齐纳二极管、光耦合器、防逆偏二极管（Blocking Diode）、直流阻隔电容（DC Blocking Capacitor）等。
本质安全的能量评估说明
当找到可靠元件，并也衡量且分析了电路中可能存在的所有故障情况后，即可展开火花点燃源和热点燃源的能量评估，以确认火花点燃源和热点燃源在电路无论是处于正常工作条件还是处于故障情况下，所产生的能量是否符合本质安全电路的能量限制。
一般来说，对于火花点燃源，会采用电路能量分析以比较火花测试；而对于热点燃源，则会采用计算方式进行能量限制评估。
本质安全设备电力来源与安装重点
本质安全设备的电力来源可分为：
- 由自身供电的 Self-contained Power Source
一般是指电池供电设备，常见的设备类型有：气体侦测器（Gas Detector）、无线电设备（Radios）、噪音监测设备（Noise Dosimeters）等；
- 由外部供电的 Remotely Power 设备
多半是指连接外部的电力设备，常见的类型有：液位仪探棒（Liquid Level Probes）、压力传感器（Pressure Transducers）等。
这些藉由外部供电的设备一般多是通过“关联设备”（“Associated Apparatus”）获得电源（即如上图所示）。进一步来说，这些关联设备能为本质安全设备提供能量输入，并使本质安全设备的能量限定在本质安全能量限制范围内。
上述的关联设备通常被称为“安全隔离闸”（“Safety Barrier”）。
不过要注意的是，关联设备本身并非一定要是本质安全设备，同时，其会包含本安电路和非本安电路，并使两个电路有效隔离。关联设备作为限能设备，能够有效地保护危险场所的现场设备，使得设备不仅能在正常工作条件下使系统完好地运作，还能在故障条件下限制危险场所内的电压和电流。
若要正确实现安全隔离闸的功能，在进行现场安装时，必须按照本质安全设备和关联设备上所标注的参数。 可参考下表所列的关系进行安装：
结语：
由于本质安全电气设备的电路本身通常已被评估过是否足够安全，其产生的火花、电弧和热能都应当无法引燃周围环境爆炸性混合物，因此本质安全电气设备多半具有较小的体积和重量。
同时，本质安全设备不仅考虑正常使用范围的情况，还需进一步纳入失效情境评估，因此，往往可以在不同等级的爆炸性环境中因地制宜地调整。 换言之，相较而言，本质安全看起来更具备发展到较高保护等级能力的条件，是一种在设计上相当理想的防爆电气防护方式，因而也被广泛运用在各种危险环境中。
不过，由于本质安全的能量限制特点，使其在选用组件时受到了相当的限制，所以目前本质安全电气设备主要还是会用在通讯、讯号和控制系统、仪器、仪表、传感器等方面。
综合上述特点，制造商在进行相关产品的设计时，可以将本质安全防护方式纳入综合考虑。
