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浅谈安全栅的基础知识及本安系统中的安全栅选用

供稿:中国工控网 2008/2/19 13:20:00

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摘    要:本文介绍安全栅的基础知识,闸述了正确选用安全栅,以及安装和在现场调试安全栅时的注意事项。并探讨了本安回路的阻抗匹配问题。
关 键 词:安全栅,本质安全系统,关联设备,回路认证,参量认证
Abstract:This text introduces the foundation knowledge of the safe grid, the  said the exactitude chooses to use the safe grid, and install with adjust to try the announcements of safe grid hour on the spot.And inquiry into the resistance of this peaceful back track match the problem.
Key words:Safe grid, safe system in innate character, connection equipments, back track attestation, three measure attestation
中图分类号:TP3011、 前言
安全栅是一种安装在安全场所的本质安全型防爆仪表的关联设备,(术语:关联设备一种安装在安全场所,本安电气设备与非本安电气设备之间的相连的电气设备)当本安防爆系统的本安仪表发生故障时,安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内,从而确保现场设备、人员和生产的安全。
在原油集输自动化系统中,安全栅是仪表不可或缺的关联设备,所以对安全栅的基础知识,正确选用安全栅,安装、调试安全栅时的注意事项等问题的掌握是至关重要的。本文针对以上问题,对安全栅的基础知识、选用、安装以及调试作简要的介绍,希望对自动化系统设计人员有所帮助。2、 安全栅知识介绍
2.1 本安型安全栅
本安型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并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,是本安系统的重要组成部分。
安全栅安装于安全场所,接收来自危险区的信号,输出安全信号到安全区或危险区。见图。



由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室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。
中国国家仪器仪表防爆安全监督站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生产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、人员和生产造成无可估量的损害。2.2 安全栅的结构形式
常见的安全栅结构形式分为二大类:一类为齐纳式安全栅,它是通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用,使在本安防爆系统中,不论现场本安仪表发生任何故障,都保证传输到现场(危险区)的能量处于一个安全值内(不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体的混合物),从而保证生产现场的安全。另一类是隔离式安全栅,它是本安回路与非本安回路之间通过光、电、磁隔离技术,用变压器耦合实现电源、信号输入、信号输出的隔离,由于信号完全浮空,增强了信号的抗干扰能力,提高了自动控制系统的运行可靠性。并在本安端加类似于齐纳式安全栅的快速熔断丝和限流、限压电路实现能量的限制,保证本安防爆系统的安全。隔离式安全栅在使用时,不特别要求在本安端接地,系统可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地。二者的结构原理如图所示。



2.2.1 齐纳式安全栅
齐纳安全栅原理示意图如上,它的原理简单、电路实现容易,价格低廉,但因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,显然这样的要求是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,直接降低信号抗干扰能力,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。2.2.2 隔离式安全栅
隔离式安全栅原理示意图如上,与齐纳式安全相比,虽然价格略高,但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.2.3 本安设备标志定义
对于本安设备,常常可以看到这样的标志:Ex(ia)ⅡC,其中:Ex — 防爆标志 (ia)—防爆等级 ⅡC— 气体组别。iaIIBT42.3.1 防爆等级:
ia:在正常工作状态下,1个故障或2个故障状态下都不会点燃危险气体,回路必须保证在两个故障同时出现时仍然保证安全特性。“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”类电气设备只能保证在1个故障状态下不会点燃危险气体。2.3.2 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。各子组用大写英文子母区分,从下表中可以看出,C子组所需要的点燃能量最少,即在该组电气设备中,C组设备具备通用性。 2.3.3 常见易燃性物质的分组
      表一:易燃性物质的分组
典型气体 分组标准 点燃特性
中国、IEC、欧洲 北美
甲烷 Ⅰ 易点燃
难点燃
乙炔 ⅡC A
氢气 ⅡC B
乙烯 ⅡB C
丙烷 ⅡA D 2.3.4 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:
  表二:爆炸性危险场所的区域划分
0区 爆炸性气体混合物连续地或长时间地存在的场所。 易点燃 难点燃
1区 爆炸性气体混合物有可能出现的场所。
2区 爆炸性气体混合不可能出现,或即使出现也是短时间存在的场所。 3、 选用安全栅步骤
安全栅是介于现场设备与控制室设备之间的一个限能电路,用来把控制室供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆危险气体的火花,又不能产生足以引爆危险气体的仪表表面温度,从而消除了引爆源。在选择安全栅时必须考虑其型号与现场仪表类型相适应,还须考虑安全栅与本质安全仪表要求相兼容及形成的本安系统中阻抗匹配的问题。
我国采用“回路认证”这种方式认证本安系统,即根据危险环境使用仪表的联合取证情况,选择已与其联合取证的安全栅,一经联合取证,现场仪表与安全栅便固定组合构成本安系统。实践中,这种方式对安全栅和现场仪表的选择有很大的局限性。目前广泛采用是进年来逐渐形成的一种本质安全认证技术,即“参量认证”。按照“参量认证”方式认证的本安设备和关联设备需要一组安全参数,包括:  
Vmax— 在正常工作或故障条件下,能接受并能保持其本安性能的最高电压。
Imax —在正常工作或故障条件下,能接受并保持其本安性能的最高电流。
Ci— 本安现场设备内部未被保护的电容。
Li—本安现场设备内部未被保护的电感。
Pmaxo — 关联设备允许输入的最大功率。
“参量认证”关系式为:Vmax>Voc,Imax>Isc,Pmaxi>Pmaxo,Ci Cc<Ca,Li Lc<La, Ra Rb Rl

结合“参量认证”可知安全栅的选用:1)与安全栅相连的安全设备的工作电压不得超过安全栅的最高允许电压。否则,应采用光电隔离等技术使之与系统隔离开来,或者采用隔离安全栅;2)“参量认证”公式的Vmax,Imax,Pmaxi即为本安现场设备的正常参数,选用时应该逐一对比。3)“参量认证”公式中引入Cc,Lc这两个变量实际是引出了控制电缆的选用问题,从而限制了电缆长度。实际使用中还应考虑阻抗匹配问题。最后的公式中,Ra安全栅阻抗,Rl电缆阻抗,安全仪表的允许负载阻抗Ro,对于输出回路,作为安全仪表的调节器或I/O卡的输出通道等,它们的允许负载阻抗是制造厂商提供的。对于输入回路,作为安全仪表的显示仪表或I/O卡的输入通道等,它们的允许负载阻抗取决于其输出电压和现场仪表的无负载工作电压。无论输入还是输出回路,选用安全栅时其阻抗满足上式即可保证回路的正常工作。
按照“参量认证”的关系式选用的安全栅,理论上可以保证正常工作,实际使用时还必须注意以下问题:
1、所选用的齐纳安全栅应已经防爆检测机构防爆认证,并有防爆合格证书。
2、根据工作现场所属的危险区域 ( 0区、1区、2区),气体级别和温度组别来选择齐纳安全栅的防爆等级 ( 安全栅防爆标志) ,使其符合上述的防爆<

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