防爆安全基礎工程系列之三 ── 本質安全防爆認證介紹
作者：UL 工程部 Ada Shen
「本質安全」是一種限制能量以達成防爆能力的保護方式。主要用意正是透過限制電子設備中的電氣能量，使得設備在爆炸性危險環境下或進行正常工作狀態、抑或發生故障失效的情況，均不會成為危險場所中的一個點燃源。由於「本質安全」這類的防護方式與多採機械結構調整的一般防護方式迥異，且可用的環境與適用產品皆有其特殊性，因此該主題成為客戶近幾年來相當關注以及希望能夠有更多培訓機會的領域。
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繼分享 UL 美國總部於《HazLoc 線上技術日活動》(HazLoc Technical Days) 下之防爆系列研討會所說明的「圖面準備」與「植物油萃取簡介與 UL 1389 認證」兩個主題後，我們持續摘錄被納入基礎工程重點課程的「本質安全 (Intrinsic Safety) 防爆認證」介紹。
由於「本質安全」這類的防護方式與多半採機械結構調整的一般防護方式迥異，且可用環境與適用產品皆有其特殊性，因此該主題成為產業客戶近幾年來相當關注以及希望能夠有更多培訓機會的領域。
有鑒於此，我們藉此機會節錄可率先幫助客戶對本質安全防爆認證建立整體性了解的重點，期能幫助客戶在產品或設備的開發過程，能夠在防爆方面的防護方式有更多樣性且更適宜的選擇空間。
認識本質安全
“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.”
── 節自國際標準 IEC 60079-11 章節 3.1.4
本質安全是一種限制能量以達成防爆能力的保護方式。主要用意即是透過限制電子設備中的電氣能量，使得設備在爆炸性危險環境下或進行正常工作狀態、抑或發生故障失效的情況，均不會成為危險場所中的一個點燃源。
假若設備都能採用本質安全防爆的最嚴格等級，即相當於確保該設備可運用在「最危險」的爆炸性環境中 ── 意即使用在可燃性物質持續存在且長時間存在的環境。
依據各標準系統，危險區域標示可參考如下：
- Class I, II, 與 III
- Division 1 (Division 系統)
- Zone 0, Zone 20 (Zone 系統)
認識本質安全的常見名詞
從本質安全的定義中可見，在評估本質安全電路時，需在電路的正常工作狀態及失效故障情況下，針對電路中可能引燃危險環境的潛在點燃源評估 ── 這個部份包括火花點燃源 (sparks ignition source) 及熱點燃源 (thermal ignition source)。
按標準要求，我們會對於這些點燃源進行分析並驗證電路是否符合本質安全要求。至於評估本質安全電路的實際操作步驟，我們通常會從以下幾個概念著手以進行分析：
一、 點燃源 (ignition source)
常見的火花點燃源和熱點燃源有以下幾種情況：
- 火花源的形式：
- 電路的中斷 (電阻型電路、電感型電路)
- 電路的放電 (電容型電路、靜電荷累積)
- 撞擊、摩擦與衝擊造成的火花
- 熱點燃源的形式：
- 元件的熱表面
- 走線與電路板走線
- 機械性摩擦
二、 失效故障 (fault)
本質安全的評估除了會針對電路的正常工作狀態，其實還另須考慮失效故障條件下的情況，以確保電路即使在失效故障條件下，其運作上亦能符合本質安全。
常見的失效故障情況包含：
- 零件短路
- 零件開路，包括導線和 PCB 板走線
- 絕緣距離失效
- 零件的失效故障，使其消耗功率超過正常額定功耗 ─
- 其中失效故障又分為可計數故障 (countable fault) 及不可計數故障 (non-countable faults)。可計數故障及不可計數故障的定義及區別如下所列：
- 計數故障 (countable fault)：符合對應之本質安全標準構造要求的零組件發生之故障。允許數量有限制。
- 不可計數故障 (non-countable fault)：不符合對應之本質安全標準構造要求的零組件發生之故障。允許數量未限制。
- 其中失效故障又分為可計數故障 (countable fault) 及不可計數故障 (non-countable faults)。可計數故障及不可計數故障的定義及區別如下所列：
進行本質安全評估時，是必須考量可計數故障和不可計數故障的組合。其中在最惡劣的情況下，電路不能有能量過高而導致如前所述的火花點燃源及熱點燃源等危險。
根據標準要求，不同的本質安全等級，對應到的可計數故障允許之個數將有所不同：
三、 可靠元件 (infallible component)
在分析本質安全電路時尚必須要建立一個重要的概念：即可靠元件 (infallible component) ── 當保護元件 (protective component) 在特定條件下，我們可視其為可靠元件。
這些元件將預設在電路無論是在正常或故障情況下，皆是能限制迴路能量的保護元件，所以在進行電路分析時，就不需要考慮其故障情況或故障情況將會被侷限在可控制的範圍內。
現在常見的保護元件有：限流電阻、齊納二極體、光耦合器、防逆偏二極體 (blocking diode) 、直流阻隔電容 (DC blocking capacitor)…等。
本質安全的能量評估說明
當找到可靠元件，並也考量且分析了電路中可能存在的所有故障情況後，即可展開火花源和熱點燃源的能量評估，以確認火花源和熱源在電路無論處於正常工作條件或故障情況下，所產生的能量是否符合本質安全電路的能量限制。
一般來說，對於火花源會採用電路能量分析以比較火花測試；而對於熱點燃源則會採用計算方式進行能量限制評估。
本質安全設備電力來源與安裝重點
本質安全設備的電力來源可分為：1) 由自身供電的 self-contained power source 和；2) 由外部供電的 remotely power 設備。
前者一般是指電池供電設備，常見的設備類型有氣體偵測器 (gas detector)、無線電設備 (radios)、噪音監測設備 (noise dosimeters)…等； 而後者則多半是指連接外部的電力設備，常見的類型有液位儀探棒 (liquid level probes)、壓力感測器 (pressure transducers)…等。
這些藉由外部供電的設備一般多是透過「關聯設備 (associated apparatus)」獲得電源 (即如上圖所示)。進一步來說，這些關聯設備能為本質安全設備提供能量輸入，並使本質安全設備的能量限定可在本質安全能量限制範圍內。
上述的關聯設備通常亦被稱為「安全隔離閘 (safety barrier)」。
不過要注意的是，關聯設備本身不必一定要是本質安全設備，同時其會包含本安電路和非本安電路，並使兩個電路有效隔離。關聯設備作為限能設備，能夠有效地保護危險場所的現場設備，使得設備不僅能在正常工作條件下，可使系統完好地運作，並且還能在故障條件下，限制危險場所內的電壓、電流。
欲正確實現安全隔離閘的功能，在進行現場安裝時，必須按本質安全設備和關聯設備上所標註的參數。可參考下表所列的關係進行安裝：
結語
由於本質安全電氣設備的電路本身通常是已經被評估過是否有足夠安全，因此其所產生的火花、電弧和熱能皆應不能引燃周圍環境爆炸性混合物，這也是本質安全電氣設備多半是具有較小的體積和重量。
同時，本質安全設備不只考慮正常使用範圍的情況，還將進一步納入失效情境評估，故往往能夠在不同等級的爆炸性環境中因地制宜調整。換言之，相較來看，本質安全顯得更有發展為具較高保護等級能力的條件，是一種在設計上相當理想的防爆電氣防護方式，因此會被廣泛運用在各種危險環境中。
不過由於本質安全的能量限制特點，會使其在選用元件時受到了相當的限制，所以目前本質安全電氣設備主要還是會用在通訊、訊號和控制系統、儀器、儀錶、感測器…等。
綜合上述特點，製造商在進行相關產品的設計時，可以將本質安全防護方式納入總體的考慮。
若對此一主題有興趣，或需要更多個別諮詢，歡迎提交諮詢表單直送需求至 UL HazLoc 防爆安全服務團隊了解更多。