过程仪表第3章 防爆安全栅

13.1防爆安全的基本概念在生产现场存在各种易燃，易爆气体或蒸汽，或者存在爆炸性粉尘，易燃纤维。它们与空气混合，具有爆炸危险，其空间成为具有不同程度的爆炸危险场所。第三章防爆安全栅在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。2一、危险场所的划分按国家1987“爆炸危险场所电气安全规程”将爆炸危险场所分为两类5级。1.第一类场所爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合形成爆炸性气体的场所，按危险程度分为3级：0级区域：爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时间存在；1级区域：爆炸性气体可能出现；2级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。32.第二类场所爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所,按危险程度分为2级：10级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间存在；11级区域：仅在不正常情况下偶尔出现爆炸性混合物。二、防爆仪表分类、分级和分组1.分类：自动化仪表属于低压电气设备，在危险场所用的自动化仪表要按电气设备防爆规程管理。规程规定防爆电气可制成隔爆型、本安型等10种结构类型。4自动化仪表防爆结构主要有两种：隔爆型：标志为“d”；本安型：标志为“i”。隔爆型仪表结构特点：①外壳耐压（8～10）×102Kpa；②表壳温升低于爆炸性气体的自燃温度；③表壳结合面的缝隙宽度、深度按其容积和气体级别采取规定的值。本安型仪表是指正常状态和故障状态下，电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不会引起易爆性气体爆炸的防爆类型。现代本安防爆概念是指整个自动化系统的防爆性能符合本质安全防爆要求。5不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。对于Ⅱ类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。爆炸性混合物的最小引爆电流级别最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类Ⅰi＞120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳Ⅱ70＜i＜120乙烯、乙醚、丙烯晴等Ⅲi≤70氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等62、安全火花防爆系统电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。构成安全火花防爆系统的二要素：①在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。②现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。73.本安自动化（安全火花）防爆系统的组成它包括两部分：①安装在危险场所（现场）的本安电路；②安装在非危险场所的非本安电路。如图所示。为了防止非本安电路中过大能量进入危险场所的本安电路，两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具有本安防爆性能。84.本安防爆系统的特点1）工作电压低，工作电流小；正常工作电压24VDC，工作电流＜20mADC,故障电压＜35VDC，故障电流＜35mADC。仪表所用的电阻、电感、电容参数，保证在正常或故障状态所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物；2）危险场所和非危险场所的电路用防爆安全栅隔离；3）现场仪表到控制室仪表的连线不得形成大的分布电容和电感；95.本安型防爆仪表的标志本安型防爆仪表的标志为“i”，按等级分为“ia”适用于0区，“ib”适用于1区。标志铭牌上的防爆标志分为四段：ExABC其中Ex:防爆仪表；A:防爆类型，例如d、ia、ib等；B:防爆类和级，例如Ⅰ级、ⅡA、ⅡB、ⅡC等；C:仪表外面温度级别，例如T1～T6。例如防爆仪表标志铭牌上标志为ExdiaⅡCT6，指兼有隔爆和本安功能，可在ⅡC级T6组以下级别使用的防爆仪表。103.3防爆安全栅原理防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所，不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处。这样对安全场所的仪表不作防爆要求。防爆安全栅按结构分类：①齐纳安全栅，②变压器隔离式安全栅。按用途分类：①输入端用，②输出端用。一.齐纳安全栅11齐纳安全栅的防爆原理是用齐纳二级管VD控制输出电压，用限流电阻R限制输出电流，电路相对简单。电路由快速熔断器FU，限压元件VD1、VD2（齐纳二极管或二极管），限流电阻R（电阻器或非线性元件）三部分组成。在正常操作条件下，非本安端3、4之间所加的电压低于最高电压Vmax（更低于齐纳二极管的齐纳电压）,此时VD1、VD2处于不导通状态，除有极微小的漏电流以外，是“开路”状态，安全栅电路等效于一个电阻串联在信号回路内，只要漏电流小于规定值，安全栅电路就不会影响系统的正常工作。而当非本安端发生故障，例如在非本安端3、4之间因某种原因混入高电压，使齐纳二极管VD1、VD2反向击穿,呈“导通”状态，此时齐纳二极管VD1、VD2把混入的高电压限制在齐纳电压上，在安全栅的本安端1、2上就不会出现高电压。齐纳二极管一旦导通以后，其电流急剧上升（雪崩过程）把串联在电路中的熔断器FU瞬时熔断，切断了至现场的高电压，防止了高电压引爆现场爆炸性物质的危险,从而保护了现场设备及人员的安全。12当现场（危险区内）本安端1、2之间发生故障，例如负载短路了，安全栅电路中的限流电阻R立即起限流作用，把极大的短路电流限制在某一个电流值之内，这个电流值是安全值，故现场也是安全的。齐纳安全栅的安全保护作用，实际上是对能量的限制作用，在本质安全防爆系统中，由于安全栅的功能，所以不论发生任何故障都保证传输到现场（危险区）的能量限制在一个安全值（不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体混合物），从而保证现场安全。在正常工作时，齐纳安全栅相当于两个电阻串入电路，因此对系统结构无须作改动。另外，齐纳安全栅由于无信号的转变，对原信号精度也没有影响。一般来讲，齐纳安全栅选型容易，不易损坏，对原系统结构要求改动的地方比较少，价格方面，齐纳安全栅要比隔离的便宜很多，这在需要使用很多安全栅的场合，齐纳安全栅的价格优势明显体现了出来。131.输入端用齐纳安全栅1）配二线制变送器齐纳安全栅其原理电路及系统组成如图所示。图中主要由两部分组成：①齐纳栅，②变送器齐纳栅包括：①电子集成化浮动电源ED，②齐纳二极管VD1、VD2，③电子变阻式限流电路Z，④快速熔断器FU。注意：只能用于变送器和电源共地的测量系统，一般是单独电源供电。142）双通道保护的齐纳安全栅原理电路及变送器组成系统如图所示。其特点是变送器和电源E不共地，安全栅的安全侧两个端子1和3，任一个出现危险高电压，分别通过各自的齐纳二极管进行保护。变送器出现大电流由电子变阻式限流电路Z将电流限制在25mA以下。15阻抗匹配问题：设Ra:负载仪表阻抗，RL=r1+r2:传输线路阻抗，R0:变送器元件负载阻抗Ra+RL+RB≤R0式中R0＝（E-V0）/0.02其中：V0变送器无负载工作电压，例如12V;E：电源电压，一般22～26VDC，按22V考虑。则R0＝500一般Ra＝250，RB＝130（20mA），则要求RB＋RL≤250这类齐纳安全栅仅适用于V0较低的变送器。选用时要特别注意阻抗匹配问题。输入端齐纳安全栅还有：①不接地热电偶和高内阻二次仪表配用，②不接地热电偶和低内阻二次仪表配用，③三线制热电阻配用，④脉冲输入量，带电容隔离开关量输入用等。162.输出端用齐纳安全栅齐纳安全栅在安全侧接调节器类仪表的输出。在危险侧的负载仪表一般为电－气转换器或电动阀门定位器。按调节器输出电路形式分为两种：①发射极输出，②集电极输出（1）配发射极输出型调节器的齐纳安全栅其电路和系统组成如图所示。发射极输出时，调节器（输出端一端接地）与安全栅共地。需要单通道保护。二极管VD防止信号极性接反时损坏安全栅（相当于齐纳二极管正向连接）。17（2）配集电极输出型调节器的齐纳安全栅其电路和系统如图所示。调节器的两个输出端均不接地。需要用双通道齐纳安全栅。安全栅的1和3（安全侧）接调节器输出，2和4接负载（现场危险侧），1和3端出现危险的高电压分别由两组安全栅保护。18S2000系列齐纳安全栅能与各种现场的一次仪表如：4－20mA的压力、温度、流量、电信号变送器；电器转换器、电气阀门定位器、各类热电偶、热电阻、开关量、报警器、脉冲信号等各种特殊仪表，组成本质安全防爆系统，用于现代化工业的自动化过程控制，广泛地用于石油化工、冶金、医药、船舶等领域。可限制危险能量进入具爆炸性危险气体环境的可靠设备。19典型用途：S2003:开关、变送器、继电器。S2004：报警器、开关、变送器。S2005、S2006、S2007：热电偶、热电阻。S2008:信号传输。S2009:电源、信号。S2014、S2015、S2016、S2017:交直流供电、信号。S2022:电气阀门、定位器、电气转换器。4－20mA温度、压力、液位、物位变送器。接线端子序号：非本安端子为1、2；本安端子为3、45、6接地。202122安全栅与一次仪表的配套要求1.安全栅应安装在非危险区；2.导流条和机壳绝缘，各导流条之间要用线芯截面积4mm²以上的铜导线或电缆线相互连接；3.使用前请认真核对安全栅的型号、极性和工作电压；4.禁止用兆欧表直接测量安全栅端子之间的绝缘。检查系统线路时，必须断开全部安全栅的接线；5.安全栅的本安端和非本安端的接线不允许接错；6.一旦安全栅损坏，用户不得自已修复，应及时更换；7.本安防爆系统的基本组合条件为：Uo≤UìIo≤IìCo≥Cp+CìLo≥Lp+Li其中：Uo为最高输出电压;Io为最大输出电流;Co为最大负载电容;Lo为最大负载电感;Uì为一次仪表允许的最高输入电压;Iì为一次仪表允许的最大输入电流;Cì为一次仪表的最大内部等效电容;Li为一次仪表的最大内部等效电感;Cp为连接导线（或电缆）允许的最大分布电容;Lp为连接导线（或电缆）允许的最大分布电感。23二、变压器隔离式安全栅它是将危险场所的本安电路与安全场所的非本安电路用变压器进行电隔离。只允许正常的电源能量和信号通过隔离变压器，切断了安全侧高压窜入危险场所的通道，即使出现故障，有危险能量传过来，也会被限制器限制。它分为输入端用和输出端用两种形式。（一）输入端用隔离式安全栅其原理示意图如图所示。DC24它的作用：①为二线制变送器提供直流电源电压24VDC，用实线表示，②将来自变送器的4～20mA电流信号转换为与之电气隔离的4～20mA（或1～5V）DC的电信号，用虚线表示。1.信号传输通道它包括限制器、调制器、隔离变压器、解调放大器。由危险侧二线制变送器送来的4～20mADC信号经限制器（仅对大电流和高电压信号有限制作用）→调制器（将其调制成交流电流或电压信号）→再由电流互感器（变压器）T2(隔离作用)→解调放大器（将交流信号恢复其4～20mADC输出），输出电流应和输入电流相等，输入端隔离式安全栅的信号传输系数为1。2.能量传输通道24VDC经电源变换器变为交流电压→电源隔离变压器T1（将交流电源分为两路）→①绕组1，3→整流滤波器Ⅰ（将交流变为直流）→解调放大器直流电源电压。②绕组4，5→调制器调制电压或整流滤波器Ⅱ→限制器和变送器提供24VDC电源电压。25（二）输出端用隔离式安全栅其作用是将来自安全场所电流信号（4～20mA）转换为电气隔离的电流信号（4～20mA）输出，送至危险场所。其原理示意图如图所示。它包括①信号传输通道，②能量传输通道。26①信号传输通道：来自安全侧电流输入信号→调制器（将输入信号4～20mADC转换为调制交流信号调幅）→变压器T2（隔离作用）→解调器（将调制交流信号转换为4～20mADC电流信号）→限制器（限制高电压、大电流信号输出）→电气转换器（电动阀门）（危险侧）。②能量传