防爆安全栅.docx

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防爆安全栅

防爆安全栅

工作原理及应用

一防爆原理

〈一〉发生爆炸的三要素:

1现场存在易爆物质，如爆炸性气体、可燃蒸汽、爆炸性粉尘及可燃纤维。

2现场存在氧气。

不同爆炸性气体可能发生爆炸的浓度X围不同。

3现场存在引爆源，例如有足够能量的火花或足够高的物体表面温度。

〈二〉爆炸型物质的分类、分级与分组

1．爆炸型物质的分类

爆炸型物质分为三类

I类：

矿井甲烷；

II类：

爆炸性气体、蒸汽

III类：

爆炸性粉尘、纤维

2．爆炸型气体（含蒸汽和薄雾）的分级与分组

爆炸型气体在标准试验条件下，按其最大试验安全间隙和最小点燃电流比分级。

按其引燃温度分级。

1、评价爆炸性气体危险性的三个特性

（1）爆炸性气体与空气混合的可爆浓度X围

如：

H24％-75％，C2H22％-9％。

（2）爆炸性气体与空气的混合气体对引爆火花能量的敏感性

如：

H2最小引爆火花的能量为0.019mJ，

C2H2为0.060mJ。

（3）爆炸性气体与空气的混合气体对物体表面温度的敏感性。

2、根据可能引爆的最小火花能量

（1）中国，欧洲等分四个危险性等级

工况类别气体分类代表性气体最小引爆火花能量

矿井下Ⅰ甲烷0.280mJ

矿井外的工作ⅡA丙烷0.180mJ

ⅡB乙烯0.060mJ

ⅡC氢气0.019mJ

（2）美国、加拿大首先将散布在空气中的爆炸性物体分成CLASS

CLASSⅠ：

气体和蒸汽

CLASSⅡ：

尘埃

CLASSⅢ：

纤维

然后再将气体和尘埃分成GROUP

GROUP代表性气体或尘埃

A乙炔

B氢气

C乙烯

D丙烷

E金属尘埃

F煤碳尘埃

G谷物尘埃

3、根据气体对物体表面温度的敏感性，分成六个温度X围

温度组别安全的物体表面温度155种常用爆炸性气体

T1≤450℃氢气、丙烯腈等46种

T2≤300℃乙炔、乙烯等47种

T3≤200℃汽油、乙烯腈等36种

T4≤135℃乙醛、四氧乙烯等6种

T5≤100℃二硫碳

T6≤85℃硝酸乙酯和亚硝酸乙酯

〈六〉仪表的防爆标志

1、ExiaⅡCT6

2、EExiaⅡC符合欧洲标准，没有温度组别说明该仪表不与爆炸性气体直接接触。

3、Exde（ib）ⅡCT4—6

4、Division1;Class1Group1;T6

仪表防爆原理

1控制易爆气体

（1）正压防爆EXP

（2）充油防爆

2控制爆炸X围

（1）隔爆型防爆方法EXd。

3控制引爆源，人为地消除引爆源，既消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的仪表表面温度。

（1）本质安全防爆方法Exi.

〈三〉危险场合危险性的分级

1中国分成三个等级区域

（1）0级区域（简称0区）：

T>1000小时/年

（2）1级区域（简称1区）：

10

（3）2级区域（简称2区）：

T<10小时/年

2北美分为两个等级区域

（1）Division1:

T>100小时/年

（2）Division2:

T<100小时/年

〈四〉防爆方法对危险场合的适用性

ZONE0：

Exia本质安全型GB3836.4

Exs经特别认证批准的特殊防爆方法

ZONE1：

适用于ZONE0的防爆方法

Exib本质安全型GB3836.4

Exp正压型GB3836.5

Exd隔爆型GB3836.2

Exe增安型GB3836.3

Exm浇封型GB3836.9

Exg充砂型GB3836.7

Exo充油型GB3836.6

ZONE2：

适用于ZONE0和ZONE1的防爆方法

Exn无火花型GB3836.8

〈五〉

二、本质安全防爆方法

〈一〉本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提供给现场仪表电量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温度的安全X围内，从而消除引爆源的防爆方法。

对于仪表检测控制回路而言，限制能量首先意味着限制电压电流，又由于电容和电感能储存和释放电能，因此电容和电感也须限制。

限制仪表的表面温度，除须限制回路的开路电压和短路电流外还须限制回路的最大功率。

〈二〉本质安全仪表和安全栅的防爆系数认证。

本质安全防爆回路总是由一个本安现场仪表和作为回路限制关联设备的安全栅配合组成。

当现场仪表所产生或储存的电能量不超过1.2V，0.1mA，20μJ，25mW时，被称为简单仪表。

简单仪表无须本安认证即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。

常见的简单仪表有：

温度信号输入：

热电偶和热电阻；

开关信号输入：

干接点，如压力开关、温度开关、行程开关、按钮等；

开关信号输出：

LED等

若非简单仪表而采用本安防爆法，则必须取得本安防爆认证并与同样取得本安防爆认证的安全栅配合构成本安防爆回路。

本安仪表或安全栅在认证时，除确认其防爆标志外，通常已经确认具体的安全参数。

本安仪表的主要安全参数：

Ui：

允许输入的最大故障电压；

Ii：

允许输入的最大故障电流；

Pi:

允许输入的最大功率；

Ci:

仪表的等效电容；

Li:

仪表的等效电感。

安全栅的主要安全参数：

Uo：

可能输出的最大电压即安全限压值；

Io：

可能输出的最大电流即安全限流值；

Po:

可能输入的最大功率；

Co:

允许的最大回路电容；

Lo:

允许的最大回路电感。

工程设计人员和最终用户可依据下表确认本安仪表和安全栅的安全参数值：

本安仪表参数+电缆参数安全参数匹配条件安全栅参数

Ui≥Uo

Ii≥Io

Pi≥Po

Ci+Cc≤Co

Li+Lc≤Lo

表中，Cc和Lc为电缆分布电容和电感。

在中国，工程设计人员和最终用户可依据国家授权认证机构签发的

三、防爆安全栅分类

〈一〉从工作原理分类

1、齐纳式安全栅

2、隔离式安全栅

3、总线制隔离式安全栅（远传过程接口--RPI）

〈二〉从输入输出信号分类

1、模拟量输入（4—20mA变送器）

2、模拟量输入（电流源）

3、模拟量输入（电压源）

4、模拟量输入（热电偶温度测量信号）

5、模拟量输入（热电阻温度测量信号）

6、模拟量输出（4—20mA）适用各款DCS与大多数电气转换和电气门定位器的配合。

7、开关量输入（干接点）

8、开关量输出

9、脉冲输入

以下是隔离式安全栅特有：

10、频率量输入

（1）电压频率信号回路

（2）Pick-up频率信号回路（常来自振动和位移传感器或流量计）

（3）NAMUR型频率信号（广泛用于转速测量和流量测量）

11、模拟量1进2出

12、数字量1进2出

13、模拟量的报警

（1）热电偶

（2）热电阻

（3）电流或电压信号

（4）频率信号

14、故障安全型隔离栅，用于对回路有极高安全型要求极高要

求的场合，这种回路不仅要求防爆，而且回路中的任何

故障必须立即报警或停车，以确保工厂的安全。

四．安全栅的基本限能原理和基本限能电路。

<一>基本电路

为简化图示将三重冗余的齐纳管只标出一个

1、理想的齐纳特性：

当回路电压V<齐纳栅安全限压值V0时，齐纳管截止，漏电电流I=0

当V>V0时齐纳管突然导通，漏电流跳升至足够大，使回路电压永不超过安全限压值。

2、实际齐纳特性：

V10μA|I=10μA以作齐纳管导通的开启电压。

3、电阻R：

用于限制电流。

当电压被限制后，适当选择电阻值，即可以将回路电流限制在安全限流值以下。

4、保险丝F：

防止因齐纳管被长时间流过的大电流烧断而导致回路限压失败。

当超过安全限压值的电压加在回路上时齐纳管导通。

如果设有保险丝，流经齐纳管的电流会无限上升，最终烧断齐纳管，使回路失去限制。

为确保回路可靠，保险丝必须选用高速熔断型。

其熔断速度应比齐纳管可能被烧断的速度快十倍。

5、三冗余齐纳管安全栅基本限能电路结构，能够保证安全栅在正常工作情况下，一个故障和两个故障时均能将输出电能量可靠限制在安全参数规定的X围内，从而满足ia组本质安全的要求。

各种齐纳式安全栅，变压器隔离式安全栅及总线制隔离式安全栅均采用上述基本限能原理和基本限能电路。

五．齐纳式安全栅

<1>常用电路

1、单线浮原

2、双线浮原，反向截止

广泛用于智能变送器回路

3、4—20mA/1—5V转换

将变送器4—20mA信号转换成1—5V信号给DCS

4、双极性星形结构

此电路最适合±mV信号回路，特点为有较高的共模抑制比。

六．隔离式安全栅

隔离栅与齐纳栅的基本限能原理和基本限能电路并无差别，二者电路的本质区别在于隔离栅运用可靠的变压器隔离技术，在危险压（现场）一侧电路（含基本限能电路）与安全区（系统）一侧电路之间实现安全的电流隔离。

由于隔离作用，使现场危险区与控制安全区之间没有地电流通路，所以隔离栅无须接地。

七、总线制隔离式安全栅（远传过程控口——RPI）

该隔离栅的应用特点是将传统的分立检测和控制信号（如4—20mA，Ω，干接点，NAMUR信号，24V驱动信号等）与总线连接。

即：

现场分立信号与隔离栅保持点对点连接，信号进入隔离栅后被立即转为数字信号，经隔离栅内部CAN总线至Gateway,由Gateway通过开放总线，如profibus-DP或MODBUS-RTU等与DCS或总线制控制系统连接。

由于这种总线制隔离栅除完成普通隔离栅的作用外，还充当控制系统的远程I/O接口，所以又被称为远传过程接口，即RRI

<一>安装场合

1、与控制系统一起，安装在控制室内。

省去DCS，PLC或其他种类控制系统本身的输入输出卡件，连接端子卡件，许多机柜为一半的接线工作量。

2、安装在现场附近的安全区内，效果显著。

3、安装在危险区Zone2（Division）.KS系列RPI模块现已取得ExnⅡCT4的防爆认证,（对现场仪表则为ExiaⅡCT4，因此被允许安装在Zone2（Division2））,机柜的防护等级应为IP54以上。