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第三章防爆安全栅 3学时 防爆安全的基本概念1 危险场所的划分 2 防爆仪表的分类 分级和分组 3 本质安全防爆的定义本质安全防爆仪表的设计要点防爆安全栅原理1 齐纳安全栅 2 变压器隔离安全栅 第一节防爆安全的基本概念 安装于各种具有易燃 易爆气体 蒸汽或粉尘等危险场所的仪表如果产生火花 就容易引起爆炸 因此 用于这种场所的仪表与控制系统 必须具有防爆功能 气动仪表从本质上来说具有防爆功能 电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能 其防爆措施不同 防爆性能也将不同 因此 适合应用的危险场所也不同 一危险场所的划分分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类 1 气体爆炸危险场所的区域等级 0 1 2三类 0类最危险 2 粉尘爆炸危险场所的区域等级 10 11级两类 10级更危险 二爆炸性物质的分类 分级与分组1 分类I 矿井甲烷 II 爆炸性气体 可燃蒸汽 III 爆炸性粉尘 易燃纤维 2 分级 1 爆炸性气体的分级A B C三级 按最大试验安全间隙 MESG 或最小点燃电流 MICR A级危险等级低 最大试验安全间隙 在规定的标准试验条件下 火焰不能传播的最大间隙 最小点燃电流 在规定的标准试验条件下 调节最小点燃电流 以甲烷的最小点燃电流为标准 定为1 其它物质的最小点燃电流一之比较 得出最小点燃电流比为某物质的最小点燃电流 2 爆炸性粉尘的分级分为A B两类 按粉尘的物理性质划分 A级危险等级低 3 爆炸性物质的分组按引燃温度分 根据最高表面温度 工厂用防爆仪表分为T1 T6六组 其规定如下表所示 仪表的最高表面温度可用下述方法间接得到 仪表的最高表面温度 实测最高表面温度 实测时环境温度 规定最高环境温度 三防爆仪表的分类 分级和分组防爆仪表的分类I类 煤矿井下用电气设备II类 工厂用电气设备 工厂用 电气设备又分为8种类型 这8种类型其标志如下 隔爆型d增安型e本质安全型I正压型p充油型o充沙型q无火花型n特殊型s电动仪表主要有隔爆型 d 和本质安全型 i 两种 本质安全型又为分两个等级 ia和ib 在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表 引起爆炸主要有两方面的原因 1 仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽 2 仪表过高的表面温度 1 隔爆型防爆仪表 d 采用隔爆型防爆措施的仪表称为隔爆型防爆仪表 其特点是仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内 其表壳强度足够大 接合面间隙足够深 最大的间隙又足够窄 这样 即使仪表因事故在表壳内产生燃烧或爆炸时 火焰穿过缝隙过程中 通缝隙壁吸热及阻滞作用 将大大降低其外传能量和温度 从而不会引起仪表外部规定的易爆性气体混合物的爆炸 隔爆型防爆仪表安装及维护正常时 它能达到规定的防爆要求 但是在揭开仪表表壳后 它就失去了防爆性能 因此不能在通电运行的情况下打开表壳进行检修或调整 2 本质安全型防爆仪表 i 采用本质安全型防爆措施的仪表称本质安全型防爆仪表 也称安全火花型防爆仪表 这种防爆结构的仪表 在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸 正常状态指在设计规定条件下的工作状态 故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生短路 断路 接地及电源故障等情况 安全火花 是指其能量不足以对其周围可燃介质构成点火源 1 本质安全防爆系统 变送器 电源箱 安全栅 调节器 安全栅 执行器 若现场仪表中有很大的电感 电容 当线路出现短路或断路故障时 也可能产生非安全火花 引起爆炸事故 所以一个线路是不是安全火花电路的必要条件 一是自身不产生非安全火花 二是安全场所的非安全火花不能窜入危险场所 因而一个线路需经过国家防爆机关进行严格鉴定后 方能确认是否为安全火花电路 安全火花型防爆仪表所采取的措施主要有以下两方面 1 仪表采用低压的工作电压和小的工作电流 通常工作电压为24VDC 电流不大于20MA 故障时电压不大于35VDC电流不大于35MA 2 在线路设计上 对处于危险场所的电路 适当选择电阻 电容和电感的参数值 借以限制火花能量 使其只产生安全火花 3 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开 4 连接导线不得形成过大的分布电感和电容 分布电容 由于电路的分布特点而具有的电容 例 线圈的相邻两匝之间 分布电感 在电路中 由于导线分布和元器件分布而存在的电感 例如 电解电容是两层薄膜卷起来的 这种卷起来的结构在高频时都具有一定的电感 它对电路的影响等效于给电路串联上一个电感器 这个电感值就是分布电感 根据电感器的频率特性 可以知道由于分布电感的数值一般不大 在低频可以不考虑分布电感的影响 但对于高频交流电路 分布电感的影响就不能忽略了 2 本质安全型ia和ib两个等级ia 在正常工作 一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备 ib 在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备 3 防爆仪表的标志防爆仪表的标志为 Ex 铭牌上防爆标志一般分为四段 ExABC Ex表明此仪表为防爆仪表 A表明防爆类别 如d ia ib等 B为防爆仪表的级别 如I级 IIA IIB IIC C为防爆仪表的温度组别 控制仪表常见有铭牌上标有 ExiaIICT5和ExdIIBT3 前者表示II类本质安全型ia等级C级T5组 后者表示II类隔爆型B级T3组 第二节本质安全型防爆仪表的设计要点 一 降低安全电路的能量 电感 WL LI2 1 2 电容 WC CV2 1 2 限制回路I L 限制回路V C 电阻 同时限制回路I和V I V L 和C的数值限制在一定值以下 二 本安电路部件的结构和选取 2 限流电阻 3 隔离电容 5 保护性晶体管组件 1 电源变压器本安电路供电的绕组与其他绕组可内外分布 其间加强绝缘和有铜质接地屏蔽层隔离 4 分流元件 第三节防爆安全栅原理 安全栅是指接在本质安全电路和非本质安全电路之间 将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置 它主要应用在本安防爆系统的设计中 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安全栅的作用 一方面 将进入危险场所的电压电流限制在安全额定值以下 以保证安全火花型防爆性能 另一方面为现场二线制提供电源 在现场和控制室之间传递信号 安全栅分输入端用安全栅与输出端用安全栅 安全栅的种类 1 电阻式2 齐纳式3 中继式4 变压器隔离式2 4用得最多 隔离式安全栅还将危险场所与控制室实行电气隔离 安全栅的品种 一 齐纳式安全栅 1 齐纳式安全栅的工作原理齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的 由限压电路 限流电路和熔断器三部分组成 其原理电路如图所示 图中R为限流电阻 VZ1 VZ2为齐纳二极管 FU为快速熔断器 齐纳式安全栅原理图 系统正常工作时 安全侧电压U1低于齐纳二极管的击穿电压U0 齐纳二极管截止 安全栅不影响正常的工作电流 但现场发生事故 如短路 利用电阻R进行限流 避免进入危险场所的电流过大 当安全侧电压U1高于齐纳二极管的击穿电压U0时 齐纳二极管击穿 进入危险场所的电压被限制在U0上 同时安全侧电流急剧增大 快速熔断器FU很快熔断 从而将可能造成危险的高电压立即和现场断开 保证了现场的安全 并联两个齐纳二极管是增加安全栅的可靠性 齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅优点是采用的器件非常少 体积小 价格便宜 缺点是对主要构成元件要求高 如齐纳二极管 快速熔断丝 危险侧本安仪表必须是隔离型的 齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大 电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏 从而引起信号的误差或者发出错误电平 严重时会使快速熔断器烧断 齐纳式安全栅的优缺点 图中24VDC的电源一方面通过安全栅向二线制变送器供电 同时将二线制变送器产生的4 20mADC的信号传送过来 由250 精确电阻转换为1 5VDC的电压信号送显示仪表或控制器 当然变送器传送来的信号也可通过信号分配器 其输出的多路信号可分别送显示仪表和调节仪表 二线制变送器和齐纳安全栅的连用 二 变压器隔离式安全栅 变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源 信号输入端和信号输出端进行电气隔离 同时通过电子电路 限能器 限制进入危险场所的能量 变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅 输入式安全栅 和操作端安全栅 输出式安全栅 两种 1 输入端安全栅的作用 一 输入端用安全栅 1 把来自现场变送器的4 20mADC电流经隔离变压器1 1地转换成1 5VDC信号或4 20mADC信号输出至控制室仪表 计算机 2 为现场两线制变送器提供24VDC直流电源 3 利用限流 限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC 电流不超过30mADC 从而保证了危险场所的安全 2 输入端安全栅的构成原理 1 外型结构 2 输入输出特性 3 结构组成及工作原理 有六部分组成 1 直流 交流变换器2 整流滤波电路 3 整流滤波电路 4 电流电压限制电路5 隔离变压器6 共基极放大电路 结构组成 1 输出端安全栅的作用 二 输出端用安全栅 1 把来自控制室仪表的4 20mADC电流经隔离变压器1 1地转换成1 5VDC直流电压信号或4 20mADC直流电流信号输出至现场执行器 3 利用限流 限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC 电流不超过30mADC 从而保证了危险场所的安全 2 为现场执行器提供24VDC直流电源 2 操作端安全栅的构成原理 1 外型结构 2 输入输出特性 4 20mA 4 20mA 3 结构组成及工作原理 e2 有六部分组成 1 直流 交流变换器2 整流滤波电路3 调制电路4 电流电压限制电路5 隔离变压器6 共基极放大电路 输入端 输出端 现场执行器 调节器 T1 24VDC 电流电压限制电路 共基极放大电路 DC AC交直流变换器 计算机 整流滤波电路 隔离变压器 e0 e1 Io A B U I 4 20mA VC6 调制器 解调器 隔离 电源变压器 T2 输出端 输入端 Ii 4 20mA 调制电路 作业 1 防爆型控制仪表可分隔爆型和本安型 他们都能通电时打开检修吗 为什么 2 什么是本质安全防爆 构成本质安全防爆系统必须具备什么条件 画出本质安全防爆系统结构框图 3 什么是安全栅 说明齐纳安全栅的构成和工作原理 4 设计本质安全电路的基本出发点是什么 1 防爆型控制仪表可分隔爆型和本安型 他们都能通电时打开检修吗 为什么 答 在通电的情况下 隔爆型仪表不能打开检修 本安型可以打开检修 原因 隔爆型仪表具有隔爆外壳 其强度足够大 方爆接合面足够宽 能够承受内部爆炸并阻止其向外部传播 一旦打开 防爆作用就失去 故不能带电检修 本安型仪表内部为本质安全电路 电路中的电压和电流被限制在一允许的范围内 有故障也不会导致周围混合物的爆炸 故可以带电检修 2 什么是本质安全防爆 构成本质安全防爆系统必须具备什么条件 画出本质安全防爆系统结构框图 答 本质安全防爆是指电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内 以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致引起其周围爆炸性气体混合物爆炸 要使控制系统具有本安防爆性能 应满足两个条件 在危险场所使用本质安全型防爆仪表 如本安型变送器 电 气转换器 电气阀门定位器等 在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅 以限制流入危险场所的能量 下图给出本安防爆系统的结构 3 什么是安全栅 说明齐纳安全栅的构成和工作原理答 安全栅作是本安型仪表的关联设备 它一方面传输信号 另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下 以确保系统的本安防爆性能 齐纳式安全栅是基于齐纳二极管反向击穿性能而工作的 它包括