過程儀表第3章_防爆安全柵.ppt

1 3 1防爆安全的基本概念 在生產現場存在各種易燃 易爆氣體或蒸汽 或者存在爆炸性粉塵 易燃纖維 它們與空氣混合 具有爆炸危險 其空間成為具有不同程度的爆炸危險場所 第三章防爆安全柵 在大氣條件下 氣體蒸汽 簿霧 粉塵或纖維狀的易燃物質與空氣混合 點燃后燃燒將在整個范圍內傳播的混和物 稱為爆炸性混合物 含有爆炸性混合物的環(huán)境 稱為爆炸性環(huán)境 2 一 危險場所的劃分按國家1987 爆炸危險場所電氣安全規(guī)程 將爆炸危險場所分為兩類5級 1 第一類場所爆炸性氣體或可燃蒸汽與空氣混合形成爆炸性氣體的場所 按危險程度分為3級 0級區(qū)域 爆炸性氣體連續(xù)地 短時間頻繁出現 長時間存在 1級區(qū)域 爆炸性氣體可能出現 2級區(qū)域 僅在不正常情況下偶爾短時間出現 3 2 第二類場所爆炸性粉塵或易燃纖維與空氣混合形成爆炸性混合物的場所 按危險程度分為2級 10級區(qū)域 爆炸性混合物連續(xù)地 短時間頻繁出現 長時間存在 11級區(qū)域 僅在不正常情況下偶爾出現爆炸性混合物 二 防爆儀表分類 分級和分組分類 自動化儀表屬于低壓電氣設備 在危險場所用的自動化儀表要按電氣設備防爆規(guī)程管理 規(guī)程規(guī)定防爆電氣可制成隔爆型 本安型等10種結構類型 4 自動化儀表防爆結構主要有兩種 隔爆型 標志為 d 本安型 標志為 i 隔爆型儀表結構特點 外殼耐壓 8 10 102Kpa 表殼溫升低于爆炸性氣體的自燃溫度 表殼結合面的縫隙寬度 深度按其容積和氣體級別采取規(guī)定的值 本安型儀表是指正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下 電路及設備產生的火花能量和達到的溫度都不會引起易爆性氣體爆炸的防爆類型 現代本安防爆概念是指整個自動化系統(tǒng)的防爆性能符合本質安全防爆要求 5 不同的危險等級對電氣設備的防爆要求不同 煤礦井下用電氣設備屬 類設備 有爆炸性氣體的工廠用電氣設備屬 類設備 有爆炸性粉塵的工廠用電氣設備屬 類設備 對于 類電氣設備 電路電壓限制在30VDC時 各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級 爆炸性混合物的最小引爆電流 6 2 安全火花防爆系統(tǒng)電動儀表存在電路打火的可能 如果從電路設計就開始考慮防爆 把電路在短路 開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下 則此儀表稱為安全火花防爆儀表 安全火花防爆儀表只能保證本儀表內部不發(fā)生危險火花 對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證 如果在與其它儀表的電路連線之間設置安全柵 防止危險能量進入 則完全做到了安全火花防爆 構成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素 在危險現場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表 本安儀表 現場儀表與危險場所之間的電路連接必須經過安全柵 防爆柵 7 3 本安自動化 安全火花 防爆系統(tǒng)的組成它包括兩部分 安裝在危險場所 現場 的本安電路 安裝在非危險場所的非本安電路 如圖所示 為了防止非本安電路中過大能量進入危險場所的本安電路 兩者之間采用防爆安全柵 使整個系統(tǒng)具有本安防爆性能 8 4 本安防爆系統(tǒng)的特點1 工作電壓低 工作電流小 正常工作電壓24VDC 工作電流 20mADC 故障電壓 35VDC 故障電流 35mADC 儀表所用的電阻 電感 電容參數 保證在正常或故障狀態(tài)所產生的火花能量不足以點燃爆炸性混合物 2 危險場所和非危險場所的電路用防爆安全柵隔離 3 現場儀表到控制室儀表的連線不得形成大的分布電容和電感 9 5 本安型防爆儀表的標志本安型防爆儀表的標志為 i 按等級分為 ia 適用于0區(qū) ib 適用于1區(qū) 標志銘牌上的防爆標志分為四段 ExABC其中Ex 防爆儀表 A 防爆類型 例如d ia ib等 B 防爆類和級 例如 級 A B C等 C 儀表外面溫度級別 例如T1 T6 例如防爆儀表標志銘牌上標志為Exdia CT6 指兼有隔爆和本安功能 可在 C級T6組以下級別使用的防爆儀表 10 3 3防爆安全柵原理 防爆安全柵 防止危險能量由安全場所進入危險場所 不影響儀表正常工作 安放在安全場所的入 出 口處 這樣對安全場所的儀表不作防爆要求 防爆安全柵按結構分類 齊納安全柵 變壓器隔離式安全柵 按用途分類 輸入端用 輸出端用 一 齊納安全柵 11 齊納安全柵的防爆原理是用齊納二級管VD控制輸出電壓 用限流電阻R限制輸出電流 電路相對簡單 電路由快速熔斷器FU 限壓元件VD1 VD2 齊納二極管或二極管 限流電阻R 電阻器或非線性元件 三部分組成 在正常操作條件下 非本安端3 4之間所加的電壓低于最高電壓Vmax 更低于齊納二極管的齊納電壓 此時VD1 VD2處于不導通狀態(tài) 除有極微小的漏電流以外 是 開路 狀態(tài) 安全柵電路等效于一個電阻串聯在信號回路內 只要漏電流小于規(guī)定值 安全柵電路就不會影響系統(tǒng)的正常工作 而當非本安端發(fā)生故障 例如在非本安端3 4之間因某種原因混入高電壓 使齊納二極管VD1 VD2反向擊穿 呈 導通 狀態(tài) 此時齊納二極管VD1 VD2把混入的高電壓限制在齊納電壓上 在安全柵的本安端1 2上就不會出現高電壓 齊納二極管一旦導通以后 其電流急劇上升 雪崩過程 把串聯在電路中的熔斷器FU瞬時熔斷 切斷了至現場的高電壓 防止了高電壓引爆現場爆炸性物質的危險 從而保護了現場設備及人員的安全 12 當現場 危險區(qū)內 本安端1 2之間發(fā)生故障 例如負載短路了 安全柵電路中的限流電阻R立即起限流作用 把極大的短路電流限制在某一個電流值之內 這個電流值是安全值 故現場也是安全的 齊納安全柵的安全保護作用 實際上是對能量的限制作用 在本質安全防爆系統(tǒng)中 由于安全柵的功能 所以不論發(fā)生任何故障都保證傳輸到現場 危險區(qū) 的能量限制在一個安全值 不會點燃規(guī)定的分級 分組爆炸性氣體混合物 從而保證現場安全 在正常工作時 齊納安全柵相當于兩個電阻串入電路 因此對系統(tǒng)結構無須作改動 另外 齊納安全柵由于無信號的轉變 對原信號精度也沒有影響 一般來講 齊納安全柵選型容易 不易損壞 對原系統(tǒng)結構要求改動的地方比較少 價格方面 齊納安全柵要比隔離的便宜很多 這在需要使用很多安全柵的場合 齊納安全柵的價格優(yōu)勢明顯體現了出來 13 1 輸入端用齊納安全柵1 配二線制變送器齊納安全柵其原理電路及系統(tǒng)組成如圖所示 圖中主要由兩部分組成 齊納柵 變送器齊納柵包括 電子集成化浮動電源ED 齊納二極管VD1 VD2 電子變阻式限流電路Z 快速熔斷器FU 注意 只能用于變送器和電源共地的測量系統(tǒng) 一般是單獨電源供電 14 2 雙通道保護的齊納安全柵原理電路及變送器組成系統(tǒng)如圖所示 其特點是變送器和電源E不共地 安全柵的安全側兩個端子1和3 任一個出現危險高電壓 分別通過各自的齊納二極管進行保護 變送器出現大電流由電子變阻式限流電路Z將電流限制在25mA以下 15 阻抗匹配問題 設Ra 負載儀表阻抗 RL r1 r2 傳輸線路阻抗 R0 變送器元件負載阻抗Ra RL RB R0式中R0 E V0 0 02其中 V0變送器無負載工作電壓 例如12V E 電源電壓 一般22 26VDC 按22V考慮 則R0 500 一般Ra 250 RB 130 20mA 則要求RB RL 250 這類齊納安全柵僅適用于V0較低的變送器 選用時要特別注意阻抗匹配問題 輸入端齊納安全柵還有 不接地熱電偶和高內阻二次儀表配用 不接地熱電偶和低內阻二次儀表配用 三線制熱電阻配用 脈沖輸入量 帶電容隔離開關量輸入用等 16 2 輸出端用齊納安全柵齊納安全柵在安全側接調節(jié)器類儀表的輸出 在危險側的負載儀表一般為電 氣轉換器或電動閥門定位器 按調節(jié)器輸出電路形式分為兩種 發(fā)射極輸出 集電極輸出 1 配發(fā)射極輸出型調節(jié)器的齊納安全柵其電路和系統(tǒng)組成如圖所示 發(fā)射極輸出時 調節(jié)器 輸出端一端接地 與安全柵共地 需要單通道保護 二極管VD防止信號極性接反時損壞安全柵 相當于齊納二極管正向連接 17 2 配集電極輸出型調節(jié)器的齊納安全柵其電路和系統(tǒng)如圖所示 調節(jié)器的兩個輸出端均不接地 需要用雙通道齊納安全柵 安全柵的1和3 安全側 接調節(jié)器輸出 2和4接負載 現場危險側 1和3端出現危險的高電壓分別由兩組安全柵保護 18 S2000系列齊納安全柵能與各種現場的一次儀表如 4 20mA的壓力 溫度 流量 電信號變送器 電器轉換器 電氣閥門定位器 各類熱電偶 熱電阻 開關量 報警器 脈沖信號等各種特殊儀表 組成本質安全防爆系統(tǒng) 用于現代化工業(yè)的自動化過程控制 廣泛地用于石油化工 冶金 醫(yī)藥 船舶等領域 可限制危險能量進入具爆炸性危險氣體環(huán)境的可靠設備 19 典型用途 S2003 開關 變送器 繼電器 S2004 報警器 開關 變送器 S2005 S2006 S2007 熱電偶 熱電阻 S2008 信號傳輸 S2009 電源 信號 S2014 S2015 S2016 S2017 交直流供電 信號 S2022 電氣閥門 定位器 電氣轉換器 4 20mA溫度 壓力 液位 物位變送器 接線端子序號 非本安端子為1 2 本安端子為3 45 6接地 20 21 22 安全柵與一次儀表的配套要求1 安全柵應安裝在非危險區(qū) 2 導流條和機殼絕緣 各導流條之間要用線芯截面積4mm 以上的銅導線或電纜線相互連接 3 使用前請認真核對安全柵的型號 極性和工作電壓 4 禁止用兆歐表直接測量安全柵端子之間的絕緣 檢查系統(tǒng)線路時 必須斷開全部安全柵的接線 5 安全柵的本安端和非本安端的接線不允許接錯 6 一旦安全柵損壞 用戶不得自已修復 應及時更換 7 本安防爆系統(tǒng)的基本組合條件為 Uo U Io I Co Cp C Lo Lp Li其中 Uo為最高輸出電壓 Io為最大輸出電流 Co為最大負載電容 Lo為最大負載電感 U 為一次儀表允許的最高輸入電壓 I 為一次儀表允許的最大輸入電流 C 為一次儀表的最大內部等效電容 Li為一次儀表的最大內部等效電感 Cp為連接導線 或電纜 允許的最大分布電容 Lp為連接導線 或電纜 允許的最大分布電感 23 二 變壓器隔離式安全柵它是將危險場所的本安電路與安全場所的非本安電路用變壓器進行電隔離 只允許正常的電源能量和信號通過隔離變壓器 切斷了安全側高壓竄入危險場所的通道 即使出現故障 有危險能量傳過來 也會被限制器限制 它分為輸入端用和輸出端用兩種形式 一 輸入端用隔離式安全柵其原理示意圖如圖所示 DC 24 它的作用 為二線制變送器提供直流電源電壓24VDC 用實線表示 將來自變送器的4 20mA電流信號轉換為與之電氣隔離的4 20mA 或1 5V DC的電信號 用虛線表示 1 信號傳輸通道它包括限制器 調制器 隔離變壓器 解調放大器 由危險側二線制變送器送來的4 20mADC信號經限制器 僅對大電流和高電壓信號有限制作用 調制器 將其調制成交流電流或電壓信號 再由電流互感器 變壓器 T2 隔離作用 解調放大器 將交流信號恢復其4 20mADC輸出 輸出電流應和輸入電流相等 輸入端隔離式安全柵的信號傳輸系數為1 2 能量傳輸通道24VDC經電源變換器變?yōu)榻涣麟妷?電源隔離變壓器T1 將交流電源分為兩路 繞組1 3 整流濾波器 將交流變?yōu)橹绷?解調放大器直流電源電壓 繞組4 5 調制器調制電壓或整流濾波器 限制器和變送器提供24VDC電源電壓 25 二 輸出端用隔離式安全柵其作用是將來自安全場所電流信號 4 20mA 轉換為電氣隔離的電流信號 4 20mA 輸出 送至危險場所 其原理示意圖如圖所示 它包括 信號傳輸通道 能量傳輸通道 26 信號傳輸通道 來自安全側電流輸入信號 調制器 將輸入信號4 20mADC轉換為調制交流信號調幅 變壓器T2 隔離作用 解調器 將調制交流信號轉換為4 20mADC電流信號 限制器 限制高電壓 大電流信號輸出 電氣轉換器 電動閥門 危險側 能量傳輸通道 24VDC 電源變換器 將直流轉換為交流電壓 變壓器T1 隔離和分兩路 調制器的調制電壓或整流濾波器 恢復直流電壓 解調器和限制器電源 T1和T2實現輸入端 安全側 與輸出端 危險側 之間的電氣隔離 27 WP5000 Ex系列隔離式安全柵 外殼上貼有接線圖標簽 端子上貼有序號標簽 并分為藍 黃兩色 藍色端子 本安側 接線通往危險區(qū) 現場 黃色端子 非本安側 接線通往安全區(qū) 28 產品采用高品質的半導體器件和SMT貼片工藝 廣泛適用于石油 化工 冶金 電力等本安防爆系統(tǒng) 不僅可以與國內外多家儀表公司制造的各種二 三線制變送器 二線制智能 HART 變送器 智能 HART 電磁流量計 電氣轉換器 電氣閥門定位器 本安電磁閥 液位開關 NAMUR接近開關 現場總線 FF 協議本安儀表等配套使用 還可以與干接點開關 熱電偶 J K T E B S等 應變儀 熱電阻 Pt100 等簡單設備配套使用 品種全 應用廣 支持HART和FF數字信號雙向通信 承擔對現場儀表的供電 強大的信號變換功能 直接將Pt100熱電阻信號 熱電偶 mV信號轉換成4 20mA或1 5V輸出 一進二出檢測端隔離式安全柵 完全獨立二路隔離式安全柵 包括開關量輸入 輸出 模擬量輸入 輸出隔離柵 一路模擬量輸入 一路模擬量輸出隔離式安全柵 報警和量程設定功能 29 安裝注意事項 1 安裝在安全場所 2 通往現場 危險場所 的軟銅導線截面積必須大于0 5mm 3 連接導線的絕緣強度應大于500V 4 隔離式安全柵本安端 有藍色標記 和非本安端電路配線 不得接錯和混淆 本安導線宜選用藍色作為本安標記 本安導線和非本安導線在匯線槽中應分開鋪設 采用各自保護套管 隔離式安全柵的本安側 不允許混有其它電源 包括其它本安電路的電源 5 隔離式安全柵與一次儀表組成本安安全防爆系統(tǒng)時 必須經國家指定的防爆檢驗機構檢驗認可 WP5000 EX系列隔離式安全柵由國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站 NEPSI 給出的Ca La分布參數是相對于 C級 氫氣級 的最大允許值 對于 B級環(huán)境可把該參數乘以3 對于 A級環(huán)境可把該參數乘以8 傳輸線選用不同規(guī)格的電纜時 其本身的電纜參數應予高度重