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关于安全栅的基础知识

发布时间:2019-12-10 阅读量:4312 分享

  随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅速发展,一些易燃材料的处理引起了社会各界的重视。这些场合通常含有如天然气、合成气、金属屑、碳尘、粉末、浆料、晶粒、纤维、飞扬物等这些材料,任何渗漏或溅出都可能形成一个爆炸性危险场所,为了工厂和人员的安全,必须确保这个环境的安全。因此世界许多国家和地区对防爆电气产品实施防爆认证制度,防爆产品必须取得防爆认证,才允许在爆炸危险场所使用。


术语解释

本安设备

  所有电路为本质安全电路的电气设备。如果所有相关的要求满足,本安电气设备可直接安装在危险区。


关联设备

  含有限能电路和非限能电路,且结构使非限能电路不能对限能电路产生不利影响的电气设备。


简单设备

  简单元件和简单设备产生或储存不超过1.2V、0.1A、20µJ和20mW的能量,不需要认证。这类设备包括热电偶、热电阻、开关和简单印刷电路,其具有的特性和已知的参数对于本安回路没有影响。


安全栅

  用限制回路电能量的方法(如限流、限压或隔离等方式),实现本质安全防爆功能的一种关联设备组件,应制成独立装置,而不作为较大设备的部件。


检测端安全栅

  输入信号来自于危险区的安全栅。


操作端安全栅

  信号输出至危险区的安全栅。


干接点

  具有闭合和开关两种状态的无源开关,且2个接点之间没有极性,可以互换。


湿接点

  具有有电和无电两种状态的有源开关,且2个接点之间有极性,不能反接。


无源输出

  有独立电源(24VDC)供电,通过变压器隔离后,给输入、输出、运算、处理、转换等功能模块供电,但输出信号需要外部回路供电才能形成0(4)mA~20mA电流输出。输出信号不受负载变化的影响,传输准确度更高。


输出回路供电

  无独立电源供电,将供电端的电能传输到输入/输出模块,在回路上截取能量,通过变压器隔离,给输入/输出模块供电,仅能输出4mA~20mA电流信号。


输入回路供电

  无独立电源供电,只能输入4mA~20mA电流信号,将供电端的电能传输到输入/输出模块,在回路上截取能量,通过变压器隔离,给输入/输出模块供电。


安全栅介绍

 

  安全栅应用在本安防爆系统的设计中,它是安装于安全场所含有本安电路和非本安电路的装置,电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量,从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路,它在本安防爆系统中称为关联设备[见术语解释],是本安系统的重要组成部分。


  由于安全栅被设计为介于现场与控制设备之间的一个限制能量的接口,因此无论控制室设备处于正常或故障状态,安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。


  国家防爆电气产品质量监督检验中心是中华人民共和国地区监督生产安全防爆产品的权威机构,对本安型安全栅产品有着严格、科学详细的规定,只有通过该监督站认证的企业及其所开发的产品才具备符合标准的安全性能,否则可能会给使用方的设备、人员和财产造成无可估量的损害。


  目前使用的比较普遍的安全栅有齐纳式和隔离式。


齐纳式安全栅

  齐纳式安全栅是并联齐纳二极管通过限压、串联电阻和快速熔断器限流的方式限制回路电能量、实现本质安全防爆功能的回路限能关联设备,它不具备电气隔离功能。原理如图所示:


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  电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制,从而保证输出到危险区的能量。


  齐纳式安全栅体积小、重量轻、精度高、通用性强,而且它的原理简单,电路实现容易,价格低廉。但由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响,并限制了其应用范围,其原因如下:


  1、安装位置必须有非常可靠的接地系统,并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω,否则便失去防爆安全保护性能,显然这样的要求十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。 


  2、要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型,否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送,并且由于信号接地,直接降低了信号的抗干扰能力,影响系统稳定性。 


  3、齐纳式安全栅对电源影响较大,同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。


  4、由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量,所以易造成输出不稳定。


隔离式安全栅

  隔离式安全栅是具有电气隔离、信号传输和转换功能的安全栅。原理如图所示:

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  采用了将输入、输出及电源三方之间相互电气隔离的电路结构,同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全栅相比,虽然价格略高,但它其它方面的突出优点却为用户应用带来了更大的受益:


  1、由于采用了三方隔离方式,因此无需系统接地线路,给设计及现场施工带来极大方便。


  2、对危险区的仪表要求大幅度降低,现场无需采用隔离式的仪表。


  3、由于信号线路无需共地,使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强,从而提高了整个系统的可靠性。


  4、隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力,能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号,这是齐纳式安全栅所无法做到的。


  5、隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号,以提供给使用同一信号源的两台设备使用,并保证两设备信号不互相干扰,同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。


  因此,对比齐纳式安全栅和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出,隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛的用途。虽然其价格略高于齐纳式安全栅,但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑,其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表。隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅,在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。


通用型安全栅

  是传统的隔离式安全栅,采集输入信号,通过模拟电路对信号进行处理。响应速度快、功耗低是通用型产品最大的优点。


智能型安全栅

  是带有微处理器的隔离式安全栅,采集输入信号,并进行数据处理、控制,转换成模拟电信号、频率信号、通讯和二进制信号(如触点、固态继电器)输出,使用人机接口可对隔离式安全栅零点、满度、线性度、量程、断线报警、上下限报警和通讯波特率等进行设置。


  可以看出,相对于传统的隔离式安全栅来说,智能型产品在其参数设置方面具有很大的灵活性,便于客户进行个性化设置。


液晶型安全栅

  带液晶显示的智能型安全栅称为液晶型安全栅。可在线观测输入、输出的实测值和报警信息,同时实现了在线故障自诊断功能。


本安设备标志定义

   其中:Ex  —  防爆标志

     ia   —  防爆等级

     Ga  —  设备保护等级

     ⅡC — 气体组别

     本公司产品防爆级别:[Ex ia Ga]ⅡC。


防爆等级

  ia:在正常工作、一个计数故障和两个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。该等级的安全栅本质安全端可连接到0区、1区、2区危险场所的本质安全设备。“ia”类电气设备对易受干扰的元器件必须采用“三重化”设计。


  ib:在正常工作和一个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。该等级的安全栅本质安全端可连接到1区、2区危险场所的本质安全设备。“ib”类电气设备对易受干扰的元器件必须为双重化设计。


  ic:在正常工作情况下不能点燃爆炸性气体混合物。该等级的安全栅本质安全端可连接到2区危险场所的本质安全设备。


  安全栅必须放置在安全区或相应安全等级的场所。


 气体组别

  Ⅰ组电气设备:用于易受甲烷影响的煤矿环境中。 


  Ⅱ组电气设备:可用于除煤矿以外的爆炸危险环境中。


  Ⅱ组电气设备可根据易燃性物质的不同点燃能量进一步细分。各子组用大写英文字母区分,从下表中可以看出:ⅡC组所需要的点燃能量最少,即在该组电气设备中,ⅡC组设备具备对ⅡA、ⅡB组的通用性。


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温度等级

  设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度,否则会引起燃烧爆炸。


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由上表可见,常见爆炸性气体中的绝大多数属于T4以上的温度组别。


爆炸性危险场所的区域划分

  在安全防爆系统的设计及防爆产品的选型中,除了需要对爆炸性环境中存在的气体进行分级、分组外,还应根据爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间对爆炸性气体危险场所进行区域划分:


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  本公司ia等级ⅡC类气体组别产品适用于0区,同时适用于1区和2区。


安全栅本安性能认证参数

 

最高电压(Um)

  可施加到关联设备非限能连接装置上,而不会使其防爆型式失效的最高电压(交流有效值或直流电压值)。


最高输入电压(Ui)

  施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最高电压(交流峰值或直流)。


最高输出电压(Uo)

  开路条件下,在设备连接装置施加电压达到最高电压(包括Um和Ui)时,可能出现的本质安全电路的最高输出电压(交流峰值或直流)。


最大输入电流(Ii) 

  施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最大电流(交流峰值或直流)。


最大输出电流(Io)

  来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流(交流峰值或直流)。


最大输入功率(Pi) 

  当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时,可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入功率。


最大输出功率(Po)

  能从电气设备获得的本质安全电路的最大输出功率。


最大内部电容(Ci) 

  通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。


最大外部电容(Co)

  可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。


最大内部电感(Li) 

  通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。


最大外部电感(Lo)

  可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。


电缆最大允许分布电容

  关联设备允许的最大外部电容(Co)与本安设备最大内部电容(Ci)之差。


电缆最大允许分布电感(Lc)

  关联设备允许的最大外部电感(Lo)与本安设备最大内部电感(Li)之差。


最大外部电感电阻比(Lo/Ro) 

  可以连接到电气设备连接装置上,而不会使本质安全性能失效的外电路的电感与电阻之比。


配电电压 

  为本质安全设备(如二线制变送器等)提供电源的电压值。

 本质安全认证技术

 

  本安系统有两种认证方法:回路认证和参量认证。回路认证除了对本安仪表、关联设备(安全栅)、本安电缆分别认证外,还对本安设备和关联设备按特定组合进行认证。这种组合方式一经认证,其本安设备和关联设备(安全栅)就不能用未经检验机构认证过的其它型号规格的设备替代。国际上大多数工业发达国家均采用“参量认证”的方式,即对关联设备与现场设备分别给出一组安全参数,并可由用户自由地将不同生产厂商的电气设备进行组合,从安全性角度出发只需满足如下关系:


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安全栅的选用原则


安全栅的选用原则

  a) 根据危险场所的类型及现场的防爆要求,确定所需要安全栅的防爆等级。安全栅的防爆等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级;


  b) 根据现场的设备类型配备相应类型的安全栅;


  c) 根据控制室仪表可能存在或产生的最高电压,确定安全栅最高电压;


  d) 根据现场设备的信号、电源对地的极性,确定安全栅的极性;安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。


  e) 考虑安全栅端电阻压降的影响,确定安全栅的最大短路电流及系统能否正常工作;


  f) 安全栅允许的分布参数是否合乎要求。


连接电缆的选择原则


  连接电缆存在分布电容和分布电感,使连接电缆成为储能元件。它的本安性能的基本参数如下:


  电缆最大允许分布电容  CC=CP×L


  电缆最大允许分布电感  LC=LP×L

式中:

  CP ——电缆单位长度的分布电容(μF/km) 

  LP ——电缆单位长度的分布电感(mH/km);

  L  ——实际配线长(km)。

注:推荐符合本质安全性能的电缆最大参数值:

  CP=0.2μF/km,LP=1mH/km。


隔离式安全栅的安装  

色标:

  白色端(非本安侧)接线通往安全区。

  蓝色端(本安侧)接线通往危险区。


安装中的注意事项:


  1、安全栅应安装在安全场所,且环境条件能满足本选型手册中的“环境条件”的要求(选型手册可至网站“服务——下载中心”获取)。


  2、隔离式安全栅本安端(蓝色标记)和非本安端(白色标记)电路的接线导线在汇线槽中应分开铺设,各自采用独立的保护套管。本安侧的配线套管内不允许有其它电源线,包括其本安电路使用的电源线。 


  3、通往危险场所的导线应选用有蓝色标记的本安导线,导线中的铜截面积必须不小于0.5mm2,绝缘强度应大于500V。 


  4、在对隔离式安全栅进行通电调试前,必须注意隔离式安全栅的型号、接线方法、线路极性等,是否符合设计及产品要求中的规定,否则可能对人身及设备造成伤害。 


  5、严禁用兆欧表直接测试隔离安全栅端子之间的绝缘强度。如要检查系统的绝缘强度,应先断开全部的接线,否则可能引起安全栅内部电路损坏。 


  6、在现场对安全栅进行编程前,必须先将所有接线断开再接入编程器,然后通电编程,否则可能引起不良后果。 


  7、与隔离式安全栅相连的现场仪表,均应通过经国家认定的防爆检验部门的防爆试验,并取得防爆合格证的仪表。使用本公司隔离式安全栅可以不需要联合认证。


  8、在设计、安装、使用、维护隔离式安全栅时,应同时遵守本产品手册中的说明及《GB3836.13-1997爆炸性气体环境用电气设备 第十三部分: 爆炸性气体环境用电气设备的检修》、《GB3836.14-2000爆炸性气体环境用电气设备 第十四部分:危险场所分类》、《GB3836.15-2000爆炸性气体环境用电气设备 第十五部分:危险场所电气安装(煤矿除外)》、《GB50058-1992爆炸和火灾危险环境电力设置设计规范》等标准。

 

  设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度,否则会引起燃烧爆炸。


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