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關于安全柵的基礎知識

發布時間:2019-12-10 閱讀量:4289 分享

  隨著石油、化工、煤炭、冶金等工業的迅速發展,一些易燃材料的處理引起了社會各界的重視。這些場合通常含有如天然氣、合成氣、金屬屑、碳塵、粉末、漿料、晶粒、纖維、飛揚物等這些材料,任何滲漏或濺出都可能形成一個爆炸性危險場所,為了工廠和人員的安全,必須確保這個環境的安全。因此世界許多國家和地區對防爆電氣產品實施防爆認證制度,防爆產品必須取得防爆認證,才允許在爆炸危險場所使用。


術語解釋

本安設備

  所有電路為本質安全電路的電氣設備。如果所有相關的要求滿足,本安電氣設備可直接安裝在危險區。


關聯設備

  含有限能電路和非限能電路,且結構使非限能電路不能對限能電路產生不利影響的電氣設備。


簡單設備

  簡單元件和簡單設備產生或儲存不超過1.2V、0.1A、20μJ和20mW的能量,不需要認證。這類設備包括熱電偶、熱電阻、開關和簡單印刷電路,其具有的特性和已知的參數對于本安回路沒有影響。


安全柵

  用限制回路電能量的方法(如限流、限壓或隔離等方式),實現本質安全防爆功能的一種關聯設備組件,應制成獨立裝置,而不作為較大設備的部件。


檢測端安全柵

  輸入信號來自于危險區的安全柵。


操作端安全柵

  信號輸出至危險區的安全柵。


干接點

  具有閉合和開關兩種狀態的無源開關,且2個接點之間沒有極性,可以互換。


濕接點

  具有有電和無電兩種狀態的有源開關,且2個接點之間有極性,不能反接。


無源輸出

  有獨立電源(24VDC)供電,通過變壓器隔離后,給輸入、輸出、運算、處理、轉換等功能模塊供電,但輸出信號需要外部回路供電才能形成0(4)mA~20mA電流輸出。輸出信號不受負載變化的影響,傳輸準確度更高。


輸出回路供電

  無獨立電源供電,將供電端的電能傳輸到輸入/輸出模塊,在回路上截取能量,通過變壓器隔離,給輸入/輸出模塊供電,僅能輸出4mA~20mA電流信號。


輸入回路供電

  無獨立電源供電,只能輸入4mA~20mA電流信號,將供電端的電能傳輸到輸入/輸出模塊,在回路上截取能量,通過變壓器隔離,給輸入/輸出模塊供電。


安全柵介紹

 

  安全柵應用在本安防爆系統的設計中,它是安裝于安全場所含有本安電路和非本安電路的裝置,電路中通過限流和限壓電路限制了送往現場本安回路的能量,從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路,它在本安防爆系統中稱為關聯設備[見術語解釋],是本安系統的重要組成部分。


  由于安全柵被設計為介于現場與控制設備之間的一個限制能量的接口,因此無論控制室設備處于正?;蚬收蠣顟B,安全柵都能確保通過它傳送給現場設備的能量是本質安全的。


  國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心是中華人民共和國地區監督生產安全防爆產品的權威機構,對本安型安全柵產品有著嚴格、科學詳細的規定,只有通過該監督站認證的企業及其所開發的產品才具備符合標準的安全性能,否則可能會給使用方的設備、人員和財產造成無可估量的損害。


  目前使用的比較普遍的安全柵有齊納式和隔離式。


齊納式安全柵

  齊納式安全柵是并聯齊納二極管通過限壓、串聯電阻和快速熔斷器限流的方式限制回路電能量、實現本質安全防爆功能的回路限能關聯設備,它不具備電氣隔離功能。原理如圖所示:


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  電路中采用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極管以對輸入的電能量進行限制,從而保證輸出到危險區的能量。


  齊納式安全柵體積小、重量輕、精度高、通用性強,而且它的原理簡單,電路實現容易,價格低廉。但由于其自身原理的缺陷使其應用中的可靠性受到很大影響,并限制了其應用范圍,其原因如下:


  1、安裝位置必須有非??煽康慕拥叵到y,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性能,顯然這樣的要求十分苛刻并在實際工程應用中難以保證。 


  2、要求來自危險區的現場儀表必須是隔離型,否則通過齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號無法正確傳送,并且由于信號接地,直接降低了信號的抗干擾能力,影響系統穩定性。 


  3、齊納式安全柵對電源影響較大,同時也易因電源的波動而造成齊納式安全柵的損壞。


  4、由于齊納式安全柵的電路原理需要吸收輸入回路的能量,所以易造成輸出不穩定。


隔離式安全柵

  隔離式安全柵是具有電氣隔離、信號傳輸和轉換功能的安全柵。原理如圖所示:

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  采用了將輸入、輸出及電源三方之間相互電氣隔離的電路結構,同時符合本安型限制能量的要求。與齊納式安全柵相比,雖然價格略高,但它其它方面的突出優點卻為用戶應用帶來了更大的受益:


  1、由于采用了三方隔離方式,因此無需系統接地線路,給設計及現場施工帶來極大方便。


  2、對危險區的儀表要求大幅度降低,現場無需采用隔離式的儀表。


  3、由于信號線路無需共地,使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性。


  4、隔離式安全柵具備更強的輸入信號處理能力,能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號,這是齊納式安全柵所無法做到的。


  5、隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號,以提供給使用同一信號源的兩臺設備使用,并保證兩設備信號不互相干擾,同時提高所連接設備相互之間的電氣安全絕緣性能。


  因此,對比齊納式安全柵和隔離式安全柵的特點和性能后可以看出,隔離式安全柵有著突出的優點和更為廣泛的用途。雖然其價格略高于齊納式安全柵,但從設計、施工安裝、調試及維護成本來考慮,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場幾乎無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,在安全防爆領域得到了日益廣泛的應用。


通用型安全柵

  是傳統的隔離式安全柵,采集輸入信號,通過模擬電路對信號進行處理。響應速度快、功耗低是通用型產品最大的優點。


智能型安全柵

  是帶有微處理器的隔離式安全柵,采集輸入信號,并進行數據處理、控制,轉換成模擬電信號、頻率信號、通訊和二進制信號(如觸點、固態繼電器)輸出,使用人機接口可對隔離式安全柵零點、滿度、線性度、量程、斷線報警、上下限報警和通訊波特率等進行設置。


  可以看出,相對于傳統的隔離式安全柵來說,智能型產品在其參數設置方面具有很大的靈活性,便于客戶進行個性化設置。


液晶型安全柵

  帶液晶顯示的智能型安全柵稱為液晶型安全柵??稍诰€觀測輸入、輸出的實測值和報警信息,同時實現了在線故障自診斷功能。


本安設備標志定義

   其中:Ex  —  防爆標志

     ia   —  防爆等級

     Ga  —  設備保護等級

    ?、駽 — 氣體組別

     本公司產品防爆級別:[Ex ia Ga]ⅡC。


防爆等級

  ia:在正常工作、一個計數故障和兩個計數故障情況下均不能點燃爆炸性氣體混合物。該等級的安全柵本質安全端可連接到0區、1區、2區危險場所的本質安全設備?!癷a”類電氣設備對易受干擾的元器件必須采用“三重化”設計。


  ib:在正常工作和一個計數故障情況下均不能點燃爆炸性氣體混合物。該等級的安全柵本質安全端可連接到1區、2區危險場所的本質安全設備?!癷b”類電氣設備對易受干擾的元器件必須為雙重化設計。


  ic:在正常工作情況下不能點燃爆炸性氣體混合物。該等級的安全柵本質安全端可連接到2區危險場所的本質安全設備。


  安全柵必須放置在安全區或相應安全等級的場所。


 氣體組別

 ?、窠M電氣設備:用于易受甲烷影響的煤礦環境中。 


 ?、蚪M電氣設備:可用于除煤礦以外的爆炸危險環境中。


 ?、蚪M電氣設備可根據易燃性物質的不同點燃能量進一步細分。各子組用大寫英文字母區分,從下表中可以看出:ⅡC組所需要的點燃能量最少,即在該組電氣設備中,ⅡC組設備具備對ⅡA、ⅡB組的通用性。


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溫度等級

  設備溫度等級規定了設備表面的最高允許溫度值。設備溫度等級一定要小于使用在該危險場所環境中可燃物質的點燃溫度,否則會引起燃燒爆炸。


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由上表可見,常見爆炸性氣體中的絕大多數屬于T4以上的溫度組別。


爆炸性危險場所的區域劃分

  在安全防爆系統的設計及防爆產品的選型中,除了需要對爆炸性環境中存在的氣體進行分級、分組外,還應根據爆炸性氣體出現的頻繁程度和持續時間對爆炸性氣體危險場所進行區域劃分:


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  本公司ia等級ⅡC類氣體組別產品適用于0區,同時適用于1區和2區。


安全柵本安性能認證參數

 

最高電壓(Um)

  可施加到關聯設備非限能連接裝置上,而不會使其防爆型式失效的最高電壓(交流有效值或直流電壓值)。


最高輸入電壓(Ui)

  施加到本質安全電路連接裝置上,而不會使本質安全性能失效的最高電壓(交流峰值或直流)。


最高輸出電壓(Uo)

  開路條件下,在設備連接裝置施加電壓達到最高電壓(包括Um和Ui)時,可能出現的本質安全電路的最高輸出電壓(交流峰值或直流)。


最大輸入電流(Ii) 

  施加到本質安全電路連接裝置上,而不會使本質安全性能失效的最大電流(交流峰值或直流)。


最大輸出電流(Io)

  來自電氣設備連接裝置的本質安全電路的最大電流(交流峰值或直流)。


最大輸入功率(Pi) 

  當電氣設備與外電源連接不使本質安全性能失效時,可能在電氣設備內部消耗的本質安全電路的最大輸入功率。


最大輸出功率(Po)

  能從電氣設備獲得的本質安全電路的最大輸出功率。


最大內部電容(Ci) 

  通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電容。


最大外部電容(Co)

  可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的最大電容。


最大內部電感(Li) 

  通過電氣設備連接裝置出現的電氣設備總等效內電感。


最大外部電感(Lo)

  可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會使本質安全性能失效的本質安全電路的最大電感。


電纜最大允許分布電容

  關聯設備允許的最大外部電容(Co)與本安設備最大內部電容(Ci)之差。


電纜最大允許分布電感(Lc)

  關聯設備允許的最大外部電感(Lo)與本安設備最大內部電感(Li)之差。


最大外部電感電阻比(Lo/Ro) 

  可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會使本質安全性能失效的外電路的電感與電阻之比。


配電電壓 

  為本質安全設備(如二線制變送器等)提供電源的電壓值。

 本質安全認證技術

 

  本安系統有兩種認證方法:回路認證和參量認證?;芈氛J證除了對本安儀表、關聯設備(安全柵)、本安電纜分別認證外,還對本安設備和關聯設備按特定組合進行認證。這種組合方式一經認證,其本安設備和關聯設備(安全柵)就不能用未經檢驗機構認證過的其它型號規格的設備替代。國際上大多數工業發達國家均采用“參量認證”的方式,即對關聯設備與現場設備分別給出一組安全參數,并可由用戶自由地將不同生產廠商的電氣設備進行組合,從安全性角度出發只需滿足如下關系:


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安全柵的選用原則


安全柵的選用原則

  a) 根據危險場所的類型及現場的防爆要求,確定所需要安全柵的防爆等級。安全柵的防爆等級必須不低于本安現場設備的防爆標志等級;


  b) 根據現場的設備類型配備相應類型的安全柵;


  c) 根據控制室儀表可能存在或產生的最高電壓,確定安全柵最高電壓;


  d) 根據現場設備的信號、電源對地的極性,確定安全柵的極性;安全柵要與本安現場儀表的安全極性及信號傳輸方式相匹配。


  e) 考慮安全柵端電阻壓降的影響,確定安全柵的最大短路電流及系統能否正常工作;


  f) 安全柵允許的分布參數是否合乎要求。


連接電纜的選擇原則


  連接電纜存在分布電容和分布電感,使連接電纜成為儲能元件。它的本安性能的基本參數如下:


  電纜最大允許分布電容  CC=CP×L


  電纜最大允許分布電感  LC=LP×L

式中:

  CP ——電纜單位長度的分布電容(μF/km) 

  LP ——電纜單位長度的分布電感(mH/km);

  L  ——實際配線長(km)。

注:推薦符合本質安全性能的電纜最大參數值:

  CP=0.2μF/km,LP=1mH/km。


隔離式安全柵的安裝  

色標:

  白色端(非本安側)接線通往安全區。

  藍色端(本安側)接線通往危險區。


安裝中的注意事項:


  1、安全柵應安裝在安全場所,且環境條件能滿足本選型手冊中的“環境條件”的要求(選型手冊可至網站“服務——下載中心”獲?。?。


  2、隔離式安全柵本安端(藍色標記)和非本安端(白色標記)電路的接線導線在匯線槽中應分開鋪設,各自采用獨立的保護套管。本安側的配線套管內不允許有其它電源線,包括其本安電路使用的電源線。 


  3、通往危險場所的導線應選用有藍色標記的本安導線,導線中的銅截面積必須不小于0.5mm2,絕緣強度應大于500V。 


  4、在對隔離式安全柵進行通電調試前,必須注意隔離式安全柵的型號、接線方法、線路極性等,是否符合設計及產品要求中的規定,否則可能對人身及設備造成傷害。 


  5、嚴禁用兆歐表直接測試隔離安全柵端子之間的絕緣強度。如要檢查系統的絕緣強度,應先斷開全部的接線,否則可能引起安全柵內部電路損壞。 


  6、在現場對安全柵進行編程前,必須先將所有接線斷開再接入編程器,然后通電編程,否則可能引起不良后果。 


  7、與隔離式安全柵相連的現場儀表,均應通過經國家認定的防爆檢驗部門的防爆試驗,并取得防爆合格證的儀表。使用本公司隔離式安全柵可以不需要聯合認證。


  8、在設計、安裝、使用、維護隔離式安全柵時,應同時遵守本產品手冊中的說明及《GB3836.13-1997爆炸性氣體環境用電氣設備 第十三部分: 爆炸性氣體環境用電氣設備的檢修》、《GB3836.14-2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第十四部分:危險場所分類》、《GB3836.15-2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第十五部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外)》、《GB50058-1992爆炸和火災危險環境電力設置設計規范》等標準。

 

  設備溫度等級規定了設備表面的最高允許溫度值。設備溫度等級一定要小于使用在該危險場所環境中可燃物質的點燃溫度,否則會引起燃燒爆炸。


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