过程控制仪表第3章防爆安全栅

1、13.1 防爆安全的基本概念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有爆炸危险，其空间成为具有不同程度的爆炸危险场爆炸危险场所所。第三章第三章 防爆安全栅防爆安全栅在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状在大气条件下，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，称为传播的混和物，称为爆炸性混合物爆炸性混合物。爆炸性

2、物质分为爆炸性物质分为3 3类：类：类：矿井甲烷；类：矿井甲烷；类：爆类：爆炸性气体、蒸汽；炸性气体、蒸汽；类：爆炸性粉尘、纤维。类：爆炸性粉尘、纤维。含有爆炸性混合物的环境，称为含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境爆炸性环境。2一、危险场所的划分一、危险场所的划分 按国家按国家2013年修订年修订“爆炸危险场所电气安全规程爆炸危险场所电气安全规程”将爆将爆炸危险场所分为炸危险场所分为两类两类5级级。1. 第一类场所第一类场所 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，按危险程度分为场所，按危险程度分为3级：级： 0级区域：爆炸性气体连

3、续地、短时间频繁出现、长时级区域：爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时间存在；间存在； 1 1级区域：爆炸性气体可能出现；级区域：爆炸性气体可能出现； 2 2级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。32. 第二类场所第二类场所 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所,按危险程度分为按危险程度分为2级：级： 10级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间存在；存在； 11级区域：仅在不正常情况下偶尔出现爆炸性混合物。级区域：仅在不正

4、常情况下偶尔出现爆炸性混合物。二、防爆仪表分类、分级和分组二、防爆仪表分类、分级和分组分类：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、隔爆型、本安型、防爆通风充气型、防爆充油型、防爆安防爆通风充气型、防爆充油型、防爆安全型和特殊防爆型全型和特殊防爆型等等10种结构类型种结构类型。4 自动化仪表防爆结构主要有两种：自动化仪表防爆结构主要有两种： 隔爆型：标志为隔爆型：标志为“d”； 本安型：标志为本安型：标志为“i”

5、。 隔爆型隔爆型仪表结构特点：仪表结构特点： 外壳耐压（外壳耐压（8001000）Kpa； 表壳温升低于爆炸性气体的自燃温度；表壳温升低于爆炸性气体的自燃温度； 表壳结合面的缝隙宽度、深度按其容积和气体级别采取规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。定的值。 本安型本安型仪表是指正常状态和故障状态下，电路及设备产生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。型。现代本安防爆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概念是指整个自动化系统的防爆性能符合本质安

6、全防爆要求。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下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属类设备。类设备。 对于对于类电气设备，电路电压限制在类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各种爆炸时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。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爆炸性混合物的最小引爆电流级级 别别 最小引爆电流（最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混

7、合物种类 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳化碳 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等气等6 2、安全火花防爆系统安全火花防爆系统 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，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

8、此仪表称为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。 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。爆。构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素： 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）。在危险现场使用的仪表必须是安

9、全火花防爆仪表（本安仪表）。 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）。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）防爆系统的组成本安自动化（安全火花）防爆系统的组成 它包括两部分：安装在危险场所（现场）的本安电路；它包括两部分：安装在危险场所（现场）的本安电路； 安装在非危险场所的非本安电路。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，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。两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具

10、有本安防爆性能。84. 本安防爆系统的特点本安防爆系统的特点 1）工作电压低，工作电流小；）工作电压低，工作电流小； 正常工作电压正常工作电压24VDC，工作电流，工作电流 20mADC, 故障电压故障电压35VDC，故障电流，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；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；）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）现场仪表到控

11、制室仪表的连线不得形成大的分布电容和电感；和电感；95 . 本安型防爆仪表的标志本安型防爆仪表的标志 本安型防爆仪表的标志为本安型防爆仪表的标志为“i”，按等级分为，按等级分为“ia”适用于适用于0区，区，“ib”适用于适用于1区。区。 标志铭牌上的防爆标志分为四段：标志铭牌上的防爆标志分为四段：ExABC 其中其中Ex:防爆仪表；防爆仪表； A:防爆类型，例如防爆类型，例如d、ia、ib等；等； B:防爆类和级，例如防爆类和级，例如级、级、A、B、C等；等； C:仪表外面温度级别，例如仪表外面温度级别，例如T1T6。 例如防爆仪表标志铭牌上标志为例如防爆仪表标志铭牌上标志为ExdiaCT6，

12、指兼有隔，指兼有隔爆和本安功能，可在爆和本安功能，可在C级级T6组以下级别使用的防爆仪表。组以下级别使用的防爆仪表。103.2 防爆安全栅原理防爆安全栅原理按用途分类：按用途分类： 输入端用，输入端用， 输出端用。输出端用。 防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所，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。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。这样对安全场所的仪表不作防爆要求。 防爆防爆安全栅的结构种类很多，有电阻式安全栅、中继放安全栅的结构种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、

13、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。隔离式安全栅等。 基本原理：基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流用固定电阻进行限流 。一、齐纳式安全栅一、齐纳式安全栅 当输入电压当输入电压Vi在正常范围（在正常范围（24V）内时，齐纳二极管）内时，齐纳二极管VD不导通；当电压不导通；当电压高于高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二极管导通，在将）时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以

14、下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝FU很快很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻R的作用是限的作用是限制流往现场的电流。制流往现场的电流。 1234 两点不足：两点不足： 一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其

15、阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大；小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大； 二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。 （2）由）由VD1VD4和和F1 F2组成限压电路。背靠背的齐组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏工作于零偏压，作为恒流源向压，作为恒流源向VT1提供足够的基

16、极电流，保证信号在提供足够的基极电流，保证信号在420mA范围内范围内VT1处于饱和状态。处于饱和状态。 改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅正常时正常时VT1饱和导通饱和导通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通；不通；过流时过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流导通，分流VT3的电流的电流 VT1退饱和退饱和 Vce1呈现较高的电阻；呈现较高的电阻；v 要求要求快速熔断快速熔断丝熔断时丝熔断时间间 0.6VVT3导通，分流导通，分流 VT4退饱和退饱和 Vce4 限流限流 （3）调制解调电路）调制解调电路调制：调制： VD13、VD14交替工作交替工作送往送往变变送器的送器的D

17、C420mA 交替通过交替通过T2原边原边解调：解调： T2副边副边1：1耦合耦合复合管复合管VT7VT10整流整流 -（二）输出端安全栅（二）输出端安全栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间，是用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调调节信号送往现场的安检通道。节信号送往现场的安检通道。电路原理基本相似。电路原理基本相似。 34 信号传输通道：信号传输通道： 来自安全侧电流输入信号来自安全侧电流输入信号调制器（将输入信号调制器（将输入信号420mADC转换为调制交流信号调幅）转换为调制交流信号调幅） 变压器变压器T2（隔离作（隔离作用）用） 解调器（将调制交流信号转换为解调器（将调

18、制交流信号转换为420mADC电流信电流信号）号） 限制器（限制高电压、大电流信号输出）限制器（限制高电压、大电流信号输出） 电气转电气转换器（电动阀门）（危险侧）。换器（电动阀门）（危险侧）。 能量传输通道：能量传输通道： 24VDC电源变换器（将直流转换为交流电压）电源变换器（将直流转换为交流电压） 变压变压器器T1（隔离和分两路）（隔离和分两路）调制器的调制电压或整流滤波器调制器的调制电压或整流滤波器（恢复直流电压）（恢复直流电压） 解调器和限制器电源。解调器和限制器电源。 T1和和T2实现输入端（安全侧）与输出端（危险侧）之间的实现输入端（安全侧）与输出端（危险侧）之间的电气隔离。电气

19、隔离。35WP5000-Ex系列隔离式安全栅系列隔离式安全栅 外壳上贴有接线图标签。端子上贴有序号标签，并分为蓝、外壳上贴有接线图标签。端子上贴有序号标签，并分为蓝、黄两色，蓝色端子（本安侧）黄两色，蓝色端子（本安侧） 接线通往危险区（接线通往危险区（ 现场）现场） ， 黄黄色端子（非本安侧）接线通往安全区。色端子（非本安侧）接线通往安全区。 36 产品采用高品质的半导体器件和产品采用高品质的半导体器件和SMT贴片工艺，广泛适用于石油、贴片工艺，广泛适用于石油、化工、冶金、电力等本安防爆系统。不仅可以与国内外多家仪表公司制化工、冶金、电力等本安防爆系统。不仅可以与国内外多家仪表公司制造的各种二

20、、三线制变送器、二线制智能（造的各种二、三线制变送器、二线制智能（HART）变送器、智能）变送器、智能（HART）电磁流量计、电气转换器、电气阀门定位器、本安电磁阀、）电磁流量计、电气转换器、电气阀门定位器、本安电磁阀、液位开关、液位开关、NAMUR接近开关、现场总线（接近开关、现场总线（FF）协议本安仪表等配套使）协议本安仪表等配套使用，还可以与干接点开关、热电偶（用，还可以与干接点开关、热电偶（ J、K、T、E、B、S等）等） 、应变、应变仪、热电阻仪、热电阻(Pt100)等简单设备配套使用。等简单设备配套使用。 品种全、应用广：支持品种全、应用广：支持HART和和FF数字信号双向通信；承

21、担对现数字信号双向通信；承担对现场仪表的供电；强大的信号变换功能：直接将场仪表的供电；强大的信号变换功能：直接将Pt100热电阻信号、热电热电阻信号、热电偶、偶、mV信号转换成信号转换成420mA 或或15V输出；一进二出检测端隔离式安输出；一进二出检测端隔离式安全栅；完全独立二路隔离式安全栅，全栅；完全独立二路隔离式安全栅， 包括开关量输入包括开关量输入/输出、模拟量输输出、模拟量输入入/输出隔离栅；一路模拟量输入、一路模拟量输出隔离式安全栅；报输出隔离栅；一路模拟量输入、一路模拟量输出隔离式安全栅；报警和量程设定功能。警和量程设定功能。37 安装注意事项： 1）安装在安全场所。）安装在安全

22、场所。 2）通往现场（危险场所）的软铜导线截面积必须大于）通往现场（危险场所）的软铜导线截面积必须大于0.5mm 。 3）连接导线的绝缘强度应大于）连接导线的绝缘强度应大于500V。 4）隔离式安全栅本安端（有蓝色标记）和非本安端电路配线，不得）隔离式安全栅本安端（有蓝色标记）和非本安端电路配线，不得接错和混淆。本安导线宜选用蓝色作为本安标记。本安导线和非本安导接错和混淆。本安导线宜选用蓝色作为本安标记。本安导线和非本安导线在汇线槽中应分开铺设、采用各自保护套管。隔离式安全栅的本安侧，线在汇线槽中应分开铺设、采用各自保护套管。隔离式安全栅的本安侧，不允许混有其它电源，不允许混有其它电源， 包括

23、其它本安电路的电源。包括其它本安电路的电源。 5）隔离式安全栅与一次仪表组成本安安全防爆系统时，必须经国家）隔离式安全栅与一次仪表组成本安安全防爆系统时，必须经国家指定的防爆检验机构检验认可。指定的防爆检验机构检验认可。 WP5000-EX系列隔离式安全栅由国家仪器仪表防爆安全监督检验系列隔离式安全栅由国家仪器仪表防爆安全监督检验站（站（NEPSI）给出的）给出的Ca、La分布参数是相对于分布参数是相对于C级（氢气级）的最大级（氢气级）的最大允许值，对于允许值，对于B级环境可把该参数乘以级环境可把该参数乘以3，对于，对于A级环境可把该参数级环境可把该参数乘以乘以8。传输线选用不同规格的电缆时，

24、其本身的电缆参数应予高度重。传输线选用不同规格的电缆时，其本身的电缆参数应予高度重视，不得超过规定值。视，不得超过规定值。38 6）对隔离式安全栅进行单独通电调试时，必须注意隔离式安全栅）对隔离式安全栅进行单独通电调试时，必须注意隔离式安全栅的型号、电源极性、电压等级及隔离式安全栅外壳接线端上的标号。的型号、电源极性、电压等级及隔离式安全栅外壳接线端上的标号。 7）严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘性。若要检查）严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘性。若要检查系统线路绝缘性时，应先断开全部隔离式安全栅接线，否则会引起内系统线路绝缘性时，应先断开全部隔离式安全栅接线，否则会引起内部快速熔断器熔断。部快速熔断器熔断。 8）凡与隔离式安全栅相连接的现场仪表，均应为有关防爆部门进）凡与隔离式安全栅相连接的现场仪表，均应