过控第五章防爆系统

1、主要内容主要内容5.1 防爆基础理论5.2 本质安全防爆技术5.3 安全栅5.4 本安防爆系统设计要求第五章 仪表本安防爆技术5.1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大气条件下，气体蒸汽、薄雾、粉尘或纤维在大气条件下，气体蒸汽、薄雾、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状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，称为爆炸性混合物。围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。 爆炸性环境分类：国际电工委员会划分方法、爆炸性环境分类：国际电工委员会划分方法、北美划分方法。北美划分方法。

2、 按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。 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，各时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。种爆炸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合物种类 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、

3、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、焦炉煤气等氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，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煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属用电气设备属类设备。类设备。 5.1 防爆基础理论-爆炸性物质分类I类：矿井甲烷； II类：爆炸性气体混合物； III类：爆炸性粉尘和纤维。5.1 防爆基础理论-爆炸性物质分类气体名称甲烷丙烷乙烯氢

4、气乙炔IEC标准III AII BII C北美标准DCBA点燃特性难 易爆炸性气体分组 5.1 防爆基础理论-爆炸性物质分类爆炸性气体的引燃温度的组别划分 温度是爆炸性气体产生爆炸的重要点燃源。由于自燃点不同，当温度超过某气体引燃温度时，在无任何外界点火源时，气体会点燃。 温度组别T1T2T3T4T5T6引燃温度t（）450300t450200t300135t200100t13585t100点燃特性难 易5.1 防爆基础理论-爆炸性物质分类危险场所划分为0区、1区、2区三个区域。（1）0区：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续、频繁或长时间存在的场所。危险性最大。（2）1区：在正常情况下，爆炸性

5、气体混合物有可能存在的场所。（3）2区：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现或偶尔、短时间存在的场所。 5.1 防爆基础理论-危险场所防爆技术 一般将所有可能存在产生点燃源的电气设备安装在安全场所。 必须安装在危险区域的电气设备，必须具有防爆措施。 只有当具有潜在爆炸危险的环境中，同时具备点燃源、爆炸性物质、空气时，才可能产生爆炸。5.1 防爆基础理论-危险场所防爆技术电气设备防爆形式代号技术措施适用区域隔爆型d隔离存在的点火源1区增安型e设法防止点火源1区本质安全型ia，ib限制点火源的能量0区，1区正压型p把危险物质与点火源隔开1区充油型o把危险物质与点火源隔开1区充砂型q把危险物质与

6、点火源隔开1区无火花型n设法防止产生点火源2区浇封型m设法防止产生点火源1区电气设备防爆型式 5.1 防爆基础理论-危险场所防爆技术（1）隔爆型仪表具有防爆外壳，仪表的电路和接线端子全部位于防爆壳内。防爆外壳能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。适用于1区和2区危险场所，且要求在非通电运行情况下进行开壳检修或调整。（2）本安型仪表的全部电路均为本质安全电路，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路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不会引起周围爆炸性气体混合物爆炸。5.1 防爆基础理论-危险场所

7、防爆技术本安设备适用于气体组别不高于II类C级，气体引燃温度不低于T4（135）的0区危险场所。 防爆标志 Ex Ex d II B T3防爆型式气体级别温度组别隔爆型设备适用于气体组别不高于II类B级，气体引燃温度不低于T3（200）的危险场所。防爆标志Exia II CT45.2 本质安全防爆技术引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源: 电火花和热效应本质安全是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源能量来实现。它是唯一可适用于0区危险场所的防爆技术。 DDZ-仪表中属于本安防爆仪表的有：差压变送器、温度（毫伏）变送器、电/气转换器、电阀门和安全栅等。 5.2 本质安全防爆技术-基本原理抑制点火

8、能量方法:（1）对危险场所的回路，选择适当的R、L、C，限制其火花能量；在回路中并联二极管以消除不安全火花；（2）加入安全栅，对安全场所的高能量进行限制和隔离，使其不会窜到危险场所。本安型防爆仪表必须限制电火花或热效应的能量小于最小点燃能量，将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内。保证危险场所的仪表不产生非安全火花 保证安全场所的不安全火花到不了危险场所 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）。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现场仪表与危险场所之间的电

9、路连接必须经过安全栅（防爆栅）。经过安全栅（防爆栅）。5.2 本质安全防爆技术-分类I类：煤矿用本安仪表；II类：工厂用本安仪表。使用场所的安全程度 ia级仪表：在最大两个故障下不会产生安全失效。ib级仪表：仪表产生一个故障时不会产生安全失效。 温度组别：T1T6 5.2 本质安全防爆技术-设计要求（1）必须把本安电路与非本安电路完全、可靠隔离；（2）本安电路中所有器件或导线的最高表面温度不大于所规定的组别温度要求；（3）电路在规定等级相对应的试验条件下进行试验评定时，不点燃相应的爆炸性气体混合物。 5.3 安全栅-安装在安全场所，是安全场所仪表（如调节器、计算机、显示记录仪等）和危险场所仪表

10、（如变送器等）的关联设备，传输信号-控制流入危险场所的能量在爆炸气体或混合物的点火能量以下。5.3 安全栅-基本形式（1）电阻式安全栅精确、可靠、小型和价廉；防爆额定电压低 。 利用电阻的限流作用，把流入危险侧的能量限制在临界值以下。 限流电阻要挨个计算，数值太大会影响回路原有性能，数值太小达不到防爆要求。5.3 安全栅-基本形式（2）齐纳式安全栅体积小、重量轻、工作可靠、防爆定额高；通用性好，价格便宜；快速熔断器制作困难且工艺和材料要求都较高。 利用齐纳二极管的反向击穿性构成 齐纳式二极管 齐纳二极管zener diodes(又叫稳压二极管) :此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高

11、电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 齐纳二极管不同于锗二极管的是：如果反向电压，有时简称为“偏压”增加到某个特殊值，对于一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观的增加。引起这种效应的电压称为“击穿”电压或“齐纳”电压。 5.3 安全栅-基本形式（3）光电隔离式安全栅良好的重复性、高线性度和低漂移性，但结构较为复杂 为安装在危险侧的二线制变送器提

12、供隔离电源，供电电路带有限压、限流电路，防止了因电源电压故障引起过电压、过电流。5.3 安全栅-基本形式良好的重复性、高线性度和低漂移性，但结构较为复杂 光电隔离式安全栅将变送器输出的4-20mA电流转换成1-5kHz的频率，再通过光耦合器件耦合到安全栅，然后利用f/I转换器转换成4-20mA电流。由于危险侧与安全栅之间只有光的耦合而无电的联系，且光耦合器件具有数千伏以上的高隔离电压，所以即使在安全侧产生高电压时，也不会传输到危险侧。5.3 安全栅-基本形式（4）变压器隔离式安全栅可靠性高、防爆定额高，但是电路复杂、体积较大 将危险侧的仪表与安全侧的所有仪表通过隔离变压器进行严格电气隔离，切断

13、安全侧的电源高压窜人危险侧的通道。危险侧与安全侧的一切联系都通过电磁转换方式进行。 5.3 安全栅-输入式安全栅本质为一类隔离式安全栅，用于为危险侧的二线制变送器提供直流24V电源；同时把来自于变送器的420mA.DC电流信号转换成420mA.DC和15V.DC信号输出，从而将输入电信号与输出电信号相互隔离，限制流入危险侧的火花能量。 5.3 安全栅-输入式安全栅5.3 安全栅-输入式安全栅5.3 安全栅-输出式安全栅一类隔离式安全栅，用于把来自于安全场所的电流输入信号转换为电气隔离的电流输出信号，送至危险场所。 5.4 本安防爆系统设计要求 由本质安全型防爆仪表所构成的过程控制系统，并不一定

14、 是本质安全型防爆系统 只起到信号的隔离作用，可以防止控制室直流高压窜入危险场所，而其本身不具有限压限流功能5.4 本安防爆系统设计要求判断一个控制系统是否属于安全火花型防爆系统的充要条件： 1）危险场所的仪表必须设计成安全火花型；2）安全场所的仪表与危险场所的仪表之间必须有安全栅，限制送往危险场所的电压、电流，保证进入危险场所的电功率在安全范围内。 5.4 本安防爆系统设计要求-组成将从安全场所的非本安回路传到危险场所本安仪表的能量抑制在点火极限以下。实现信号隔离；限压、限流。 按照本安防爆等级要求进行设计 ，不会产生由火花和热源引起的点燃。 限制布线长度，及感应电动势所带来的附加能量。 1

15、）现场本安仪表：从现场仪表的储能元件角度考虑，要求处于气体爆炸危险环境中的现场仪表必须按照本安防爆等级要求进行设计。在减少仪表中的电感和电容等储能元件回路的同时，兼顾元件的功耗及温升问题，从而保证仪表不论处于正常工作状态还是事故状态，均不会产生由火花和热源引起的点燃2）连接电缆：存在分布电容和分布电感，本质上也是储能元件，当线路出现开路或者短路时，这部分能量就会以电火花或热效应的形式释放，影响系统的本安性能。在保证连接电缆5.4 本安防爆系统设计要求-组成不受外界电磁场干扰的同时，还要限制布线长度以及感应电动势带来的附加能量。3）关联设备：必须在系统处于正常工作状态或事故状态时，能够从安全场所

16、的非本安回路传到危险场所的本安仪表能量限制在点火极限以下。要求除了具备信号隔离作用，还要有限压、限流功能5.4 本安防爆系统设计要求-组成1）现场本安仪表的防爆标志级别不能高于关联设备（安全栅）的防爆标志级别。2）关联设备与现场本安仪表之间必须同时满足以下关系：3）连接电缆长度的分布参数必须同时满足以下关系：5.4 本安防爆系统设计要求-要求asasasPPIIUU,ascascLLLCCC,5.4 本安防爆系统设计要求现场总线本安防爆技术现场总线系统的多负载特性与本安防爆要求之间存在矛盾。 现场总线系统是采用计算机网路技术，将设备挂接在总线上，以实现数据共享。 一方面要求总线上可挂接的设备数

17、越多越好；另一方面，根据本安防爆系统要求，向挂接设备供电的关联设备的输出电压和输出电流必须控制在一个安全等级上，且关联设备允许外接的等效电容和电感有限，从而限制了本安现场仪表的允许输入电容和电感。然而，随着挂接设备的增多，现场本安仪表的输入电容和电感增大。5.4 本安防爆系统设计要求现场总线本安防爆技术 美国仪表学会防爆电气设备委员会：基于参量认可技术，制订 多负载本安系统的评定规范； 德国联邦物理技术研究院：基于参量认可技术，提出 F1SCO(Fieldbus Intrinsical Safe Concept)。 5.4 本安防爆系统设计要求现场总线本安防爆技术-本安现场总线系统 具有多负载特征，满足互操作性 与本安现场总线电路的完全隔离 5.4 本安防爆系统设计要求现场总线本安防爆技术-要求1）关联设备：一般采用隔离式安全栅；确保系统可获取的电流达到最大，同时保证电源电压与安全栅接口的工作电压相匹配。2）本安现场仪表：降低每台设备工作所需的工作电压