过程控制仪表第3章防爆安全栅.ppt

1、1,3.1 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爆炸危险场所。,第三章 防爆安全栅,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传播的混和物，称为爆炸性混合物。 爆炸性物质分为3类：类：矿井甲烷；类：爆炸性气体、蒸汽；类：爆炸性粉尘、纤维。 含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。,2,一、危险场所的划分 按国家2013年修订“爆炸危险场所电气安全规程”将爆炸危险场所分为两类5级。 1. 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

2、的场所，按危险程度分为3级： 0级区域：爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时间存在；,1级区域：爆炸性气体可能出现； 2级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。,3,2. 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所,按危险程度分为2级： 10级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间存在； 11级区域：仅在不正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 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、防爆通风充气型、防爆充油型、防爆安全型和特殊防爆型等10种结构类型。,

3、4,自动化仪表防爆结构主要有两种： 隔爆型：标志为“d”； 本安型：标志为“i”。 隔爆型仪表结构特点： 外壳耐压（8001000）Kpa； 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定的值。 本安型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型。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，煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体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。,对于类电气设备，电路电压限制在30V

4、DC时，各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,6,2、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，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，则此仪表称为安全火花防爆仪表。,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爆。,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）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安

5、全栅（防爆栅）。,7,3. 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； 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，两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具有本安防爆性能。,8,4. 本安防爆系统的特点 1）工作电压低，工作电流小； 正常工作电压24VDC，工作电流 20mADC, 故障电压35VDC，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； 3）现场仪表到控制室仪表的连线不得形

6、成大的分布电容和电感；,9,5 . 本安型防爆仪表的标志 本安型防爆仪表的标志为“i”，按等级分为“ia”适用于0区，“ib”适用于1区。 标志铭牌上的防爆标志分为四段：ExABC 其中Ex:防爆仪表； A:防爆类型，例如d、ia、ib等； B:防爆类和级，例如级、A、B、C等； C: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ExdiaCT6，指兼有隔爆和本安功能，可在C级T6组以下级别使用的防爆仪表。,10,3.2 防爆安全栅原理,按用途分类： 输入端用， 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，不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处。这样对

7、安全场所的仪表不作防爆要求。,防爆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、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器 隔离式安全栅等。,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、用固定电阻进行限流 。,一、齐纳式安全栅,当输入电压Vi在正常范围（24V）内时，齐纳二极管VD不导通；当电压高于24V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的作用是限制流往现场的电流。,1,2,3,4,两点不足： 一、固定的限流电阻其

8、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，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，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，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VD1VD4和F1 F2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。,（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在420mA范围内VT1处于饱和状态。,改进后的齐纳式安全栅,正常时VT1饱和导通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通；,过

9、流时VR 1 0.6V VT2导通，分流VT3的电流, VT1退饱和 Vce1呈现较高的电阻；,要求快速熔断丝熔断时间1mS,工作原理,过压时VD1 VD4中至少有一个被击穿，限压并接地。,改进后的齐纳式安全栅,15,1. 输入端用齐纳安全栅 1）配二线制变送器齐纳安全栅 其原理电路及系统组成如图所示。图中主要由两部分组成： 齐纳栅，变送器 齐纳栅包括： 电子集成化浮动电源ED， 齐纳二极管VD1、VD2，电子变阻式限流电路Z，快速熔断器FU。 注意：只能用于变送器和电源共地的测量系统，一般是单独电源供电。,16,2）双通道保护的齐纳安全栅 原理电路及变送器组成系统如图所示。其特点是变送器和电

10、源E不共地，安全栅的安全侧两个端子1和3，任一个出现危险高电压，分别通过各自的齐纳二极管进行保护。变送器出现大电流由电子变阻式限流电路Z将电流限制在25mA以下。,17,输入端齐纳安全栅还有：不接地热电偶和高内阻二次仪表配用，不接地热电偶和低内阻二次仪表配用， 三线制热电阻配用，脉冲输入量，带电容隔离开关量输入用等。,18,2. 输出端用齐纳安全栅 齐纳安全栅在安全侧接调节器类仪表的输出。在危险侧的负载仪表一般为电气转换器或电动阀门定位器。 按调节器输出电路形式分为两种：发射极输出，集电极输出 （1）配发射极输出型调节器的齐纳安全栅 其电路和系统组成如图所示。发射极输出时，调节器（输出端一端接

11、地）与安全栅共地。需要单通道保护。二极管VD防止信号极性接反时损坏安全栅（相当于齐纳二极管正向连接）。,19,（2）配集电极输出型调节器的齐纳安全栅 其电路和系统如图所示。调节器的两个输出端均不接地。需要用双通道齐纳安全栅。安全栅的1和3（安全侧）接调节器输出，2和4接负载（现场危险侧），1和3端出现危险的高电压分别由两组安全栅保护。,20,S2000系列齐纳安全栅能与各种现场的一次仪表如：420mA的压力、温度、流量、电信号变送器；电气转换器、电气阀门定位器、各类热电偶、热电阻、开关量、报警器、脉冲信号等各种特殊仪表，组成本质安全防爆系统，用于现代化工业的自动化过程控制，广泛地用于石油化工、

12、冶金、医药、船舶等领域。可限制危险能量进入具爆炸性危险气体环境的可靠设备。,21,典型用途： S2003:开关、变送器、继电器。S2004：报警器、开关、变送器。S2005、S2006、S2007：热电偶、热电阻。S2008:信号传输。S2009:电源、信号。S2014、S2015、S2016、S2017:交直流供电、信号。S2022:电气阀门、定位器、电气转换器。 420mA温度、压力、液位、物位变送器。 接线端子序号：非本安端子为1、2； 本安端子为3、4； 5 、6 接地。,22,23,24,安全栅与一次仪表的配套要求 1. 安全栅应安装在非危险区；2. 导流条和机壳绝缘，各导流条之间要

13、用线芯截面积4mm以上的铜导线或电缆线相互连接；3.使用前请认真核对安全栅的型号、极性和工作电压；4.禁止用兆欧表直接测量安全栅端子之间的绝缘。检查系统线路时，必须断开全部安全栅的接线；5.安全栅的本安端和非本安端的接线不允许接错；6.一旦安全栅损坏，用户不得自已修复，应及时更换；7.本安防爆系统的基本组合条件为： UoUIoICoCp+CLoLp+Li 其中： Uo为最高输出电压;Io为最大输出电流; Co为最大负载电容;Lo 为最大负载电感; U为一次仪表允许的最高输入电压; I 为一次仪表允许的最大输入电流;C为一次仪表的最大内部等效电容; Li为一次仪表的最大内部等效电感;Cp为连接导

14、线（或电缆）允许的最大分布电容; Lp 为连接导线（或电缆）允许的最大分布电感。,25,二、 变压器隔离式安全栅 它是将危险场所的本安电路与安全场所的非本安电路用变压器进行电隔离。只允许正常的电源能量和信号通过隔离变压器，切断了安全侧高压窜入危险场所的通道，即使出现故障，有危险能量传过来，也会被限制器限制。 它分为输入端（检测端）用和输出端（执行端）用两种形式。 （一）输入端用隔离式安全栅：在向变送器提供电源的同时，将变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。,DC,26,2. 能量传输通道 24VDC经电源变换器变为交流电压电源隔离变压器T1（将交流电源分为两路）绕组1，3 整流滤波器（将

15、交流变为直流）解调放大器直流电源电压。绕组4，5 调制器调制电压或整流滤波器 限制器和变送器提供24VDC电源电压。,它的作用： 为二线制变送器提供直流电源电压24VDC，用实线表示，将来自变送器的420mA电流信号转换为与之电气隔离的420mA（或15V）DC的电信号，用虚线表示。,1. 信号传输通道 它包括限制器、调制器、隔离变压器、解调放大器。 由危险侧二线制变送器送来的420mADC信号经限制器（仅对大电流和高电压信号有限制作用）调制器（将其调制成交流电流或电压信号） 再由电流互感器（变压器）T2(隔离作用) 解调放大器（将交流信号恢复其420mADC输出），输出电流应和输入电流相等，

16、输入端隔离式安全栅的信号传输系数为1。,检测端安全栅是一个传递系数为1的传送器，电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，电路上是隔离的。,简化原理图如图所示。,（2）晶体管限压限流电路 串联使用了两套完全相同的限压限流电路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。 正常工作时VT4、VT6饱和，VT3、VT5截止。, 电源出现过电压 VD15击穿（30V） , VT3饱和,Vce30,VT4截止,VAB 限压,晶体管限压限流电路原理, 变送器出现过电流,VR6 0.6V,VT3导通，分流,VT4退饱和,Vce4 限流,（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420m

17、A调节信号送往现场的安检通道。 电路原理基本相似。,34,信号传输通道： 来自安全侧电流输入信号调制器（将输入信号420mADC转换为调制交流信号调幅） 变压器T2（隔离作用） 解调器（将调制交流信号转换为420mADC电流信号） 限制器（限制高电压、大电流信号输出） 电气转换器（电动阀门）（危险侧）。 能量传输通道： 24VDC电源变换器（将直流转换为交流电压） 变压器T1（隔离和分两路）调制器的调制电压或整流滤波器（恢复直流电压） 解调器和限制器电源。 T1和T2实现输入端（安全侧）与输出端（危险侧）之间的电气隔离。,35,WP5000-Ex系列隔离式安全栅,外壳上贴有接线图标签。端子上贴

18、有序号标签，并分为蓝、黄两色，蓝色端子（本安侧） 接线通往危险区（ 现场） ， 黄色端子（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SMT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造的各种二、三线制变送器、二线制智能（HART）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、液位开关、NAMUR接近开关、现场总线（FF）协议本安仪表等配套使用，还可以与干接点开关、热电偶（ J、K、T、E、B、S等） 、应变仪、热电阻(Pt100)等简单设备配套使用。 品种全、应用广：支持HART和FF数字信号双向通信

19、；承担对现场仪表的供电；强大的信号变换功能：直接将Pt100热电阻信号、热电偶、mV信号转换成420mA 或15V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， 包括开关量输入/输出、模拟量输入/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；报警和量程设定功能。,37,安装注意事项： 1）安装在安全场所。 2）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，不允许混有其它电源， 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站（NEPSI）给出的Ca、La分布参数是相对于C级（氢气级）的最大允许