淺談安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)及本安系統(tǒng)中的安全柵選用
摘 要：本文介紹安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)，閘述了正確選用安全柵，以及安裝和在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安全柵時(shí)的注意事項(xiàng)。并探討了本安回路的阻抗匹配問(wèn)題。 關(guān) 鍵 詞：安全柵，本質(zhì)安全系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)設(shè)備，回路認(rèn)證，參量認(rèn)證 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 中圖分類號(hào)：TP301 1、 前言 安全柵是一種安裝在安全場(chǎng)所的本質(zhì)安全型防爆儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，（術(shù)語(yǔ)：關(guān)聯(lián)設(shè)備一種安裝在安全場(chǎng)所，本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的相連的電氣設(shè)備）當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時(shí)，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。 在原油集輸自動(dòng)化系統(tǒng)中，安全柵是儀表不可或缺的關(guān)聯(lián)設(shè)備，所以對(duì)安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)，正確選用安全柵，安裝、調(diào)試安全柵時(shí)的注意事項(xiàng)等問(wèn)題的掌握是至關(guān)重要的。本文針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)、選用、安裝以及調(diào)試作簡(jiǎn)要的介紹，希望對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有所幫助。 2、 安全柵知識(shí)介紹 2.1 本安型安全柵 本安型安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場(chǎng)所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過(guò)限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場(chǎng)本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。 安全柵安裝于安全場(chǎng)所，接收來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的信號(hào),輸出安全信號(hào)到安全區(qū)或危險(xiǎn)區(qū)。見(jiàn)圖。
由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無(wú)論控制室設(shè)備處于正常或故障狀態(tài)，安全柵都能確保通過(guò)它傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。 中國(guó)國(guó)家儀器儀表防爆安全監(jiān)督站是中華人民共和國(guó)地區(qū)監(jiān)督生產(chǎn)安全防爆產(chǎn)品的權(quán)威機(jī)構(gòu)，對(duì)本安型安全柵產(chǎn)品有著嚴(yán)格、科學(xué)、詳細(xì)的規(guī)定，只有通過(guò)該監(jiān)督站認(rèn)證的企業(yè)及其所開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品才具備符合標(biāo)準(zhǔn)的安全性能，否則可能會(huì)給使用方的設(shè)備、人員和生產(chǎn)造成無(wú)可估量的損害。 2.2 安全柵的結(jié)構(gòu)形式 常見(jiàn)的安全柵結(jié)構(gòu)形式分為二大類：一類為齊納式安全柵，它是通過(guò)快速熔斷絲和限壓、限流電路實(shí)現(xiàn)能量限制作用，使在本安防爆系統(tǒng)中，不論現(xiàn)場(chǎng)本安儀表發(fā)生任何故障，都保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)(危險(xiǎn)區(qū))的能量處于一個(gè)安全值內(nèi)（不會(huì)點(diǎn)燃規(guī)定的分級(jí)、分組爆炸性氣體的混合物),從而保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全。另一類是隔離式安全柵，它是本安回路與非本安回路之間通過(guò)光、電、磁隔離技術(shù)，用變壓器耦合實(shí)現(xiàn)電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出的隔離，由于信號(hào)完全浮空，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。并在本安端加類似于齊納式安全柵的快速熔斷絲和限流、限壓電路實(shí)現(xiàn)能量的限制，保證本安防爆系統(tǒng)的安全。隔離式安全柵在使用時(shí)，不特別要求在本安端接地，系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一方接地。二者的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。
2.2.1 齊納式安全柵 齊納安全柵原理示意圖如上，它的原理簡(jiǎn)單、電路實(shí)現(xiàn)容易，價(jià)格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應(yīng)用范圍，其原因如下：1、安裝位置必須有非常可靠的接地系統(tǒng)，并且該齊納式安全柵的接地電阻必須小于1Ω，否則便失去防爆安全保護(hù)性能，顯然這樣的要求是十分苛刻并在實(shí)際工程應(yīng)用中難以保證。2、要求來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)儀表必須是隔離型，否則通過(guò)齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號(hào)無(wú)法正確傳送，并且由于信號(hào)接地，直接降低信號(hào)抗干擾能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。3、齊納式安全柵對(duì)電源影響較大，同時(shí)也易因電源的波動(dòng)而造成齊納式安全柵的損壞。 2.2.2 隔離式安全柵 隔離式安全柵原理示意圖如上，與齊納式安全相比，雖然價(jià)格略高，但其它方面的突出優(yōu)點(diǎn)卻為用戶應(yīng)用帶來(lái)了更大的受益： 1.由于采用了三方隔離方式，因此無(wú)需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)極大方便。 2.對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的儀表要求大幅度降低，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需采用隔離式的儀表。 3.由于信號(hào)線路無(wú)需共地，使得檢測(cè)和控制回路信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 4.隔離式安全柵具備更強(qiáng)的輸入信號(hào)處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，這是齊納式安全柵所無(wú)法做到的。 5.隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號(hào)，以提供給使用同一信號(hào)源的兩臺(tái)設(shè)備使用，并保證兩設(shè)備信號(hào)不互相干擾，同時(shí)提高所連接設(shè)備相互之間的電氣安全絕緣性能。 因此，對(duì)比齊納式和隔離式安全柵的特點(diǎn)和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(diǎn)和更為廣泛用途，雖然其價(jià)格略高于齊納式安全柵，但從設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來(lái)考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場(chǎng)幾乎無(wú)一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用. 2.3 本安設(shè)備標(biāo)志定義 對(duì)于本安設(shè)備，常常可以看到這樣的標(biāo)志：Ex（ia）ⅡC，其中：Ex — 防爆標(biāo)志 (ia)—防爆等級(jí) ⅡC— 氣體組別。iaIIBT4 2.3.1 防爆等級(jí)： ia：在正常工作狀態(tài)下，1個(gè)故障或2個(gè)故障狀態(tài)下都不會(huì)點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體，回路必須保證在兩個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)仍然保證安全特性。“ia ”類電氣設(shè)備對(duì)易受干擾的元器件必須采用“三重化”設(shè)計(jì)。“ib”類電氣設(shè)備只能保證在1個(gè)故障狀態(tài)下不會(huì)點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體。 2.3.2 氣體組別： Ⅰ組電氣設(shè)備：用于易受甲烷影響的煤礦環(huán)境中。 Ⅱ組電氣設(shè)備：可用于除煤礦以外的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中。 Ⅱ組電氣設(shè)備根據(jù)易燃性物質(zhì)的不同點(diǎn)燃能量進(jìn)一步細(xì)分。各子組用大寫(xiě)英文子母區(qū)分，從下表中可以看出，C子組所需要的點(diǎn)燃能量最少，即在該組電氣設(shè)備中，C組設(shè)備具備通用性。 2.3.3 常見(jiàn)易燃性物質(zhì)的分組 表一：易燃性物質(zhì)的分組 典型氣體 分組標(biāo)準(zhǔn) 點(diǎn)燃特性 中國(guó)、IEC、歐洲 北美 甲烷 Ⅰ 易點(diǎn)燃 難點(diǎn)燃 乙炔 ⅡC A 氫氣 ⅡC B 乙烯 ⅡB C 丙烷 ⅡA D 2.3.4 爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分 在安全防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及防爆產(chǎn)品的選型中， 除了需要對(duì)爆炸性環(huán)境中存在的氣體進(jìn)行分級(jí)、分組外，還應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間對(duì)爆炸性氣體危險(xiǎn)場(chǎng)所進(jìn)行區(qū)域劃分： 表二：爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分 0區(qū) 爆炸性氣體混合物連續(xù)地或長(zhǎng)時(shí)間地存在的場(chǎng)所。 易點(diǎn)燃 難點(diǎn)燃 1區(qū) 爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場(chǎng)所。 2區(qū) 爆炸性氣體混合不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場(chǎng)所。 3、 選用安全柵步驟 安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限能電路，用來(lái)把控制室供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。在選擇安全柵時(shí)必須考慮其型號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)儀表類型相適應(yīng)，還須考慮安全柵與本質(zhì)安全儀表要求相兼容及形成的本安系統(tǒng)中阻抗匹配的問(wèn)題。 我國(guó)采用“回路認(rèn)證”這種方式認(rèn)證本安系統(tǒng)，即根據(jù)危險(xiǎn)環(huán)境使用儀表的聯(lián)合取證情況，選擇已與其聯(lián)合取證的安全柵，一經(jīng)聯(lián)合取證，現(xiàn)場(chǎng)儀表與安全柵便固定組合構(gòu)成本安系統(tǒng)。實(shí)踐中，這種方式對(duì)安全柵和現(xiàn)場(chǎng)儀表的選擇有很大的局限性。目前廣泛采用是進(jìn)年來(lái)逐漸形成的一種本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)，即“參量認(rèn)證”。按照“參量認(rèn)證”方式認(rèn)證的本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備需要一組安全參數(shù)，包括： Vmax— 在正常工作或故障條件下，能接受并能保持其本安性能的最高電壓。 Imax —在正常工作或故障條件下，能接受并保持其本安性能的最高電流。 Ci— 本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容。 Li—本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。 Pmaxo — 關(guān)聯(lián)設(shè)備允許輸入的最大功率。 “參量認(rèn)證”關(guān)系式為：Vmax>Voc，Imax>Isc，Pmaxi>Pmaxo，Ci Cc<Ca，Li Lc<La， Ra Rb Rl
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