儀表的本質(zhì)安全電(回)路

1、儀表的本質(zhì)安全電（回）路主講： 入廠三級安全教育中提到了我廠的特點中包括：易燃、易爆。 我們儀表公司所管轄的儀表大部分帶有電源。 當電路由于某種原因，產(chǎn)生放電時，會有電火花，發(fā)熱、發(fā)光的現(xiàn)象。 如果周圍有危險氣體、且在爆炸極限之內(nèi)，會不會產(chǎn)生爆炸和燃燒？ 這里我們探究儀表如何做到防爆的。防爆的概念 引起爆炸的三個必要條件，三個條件同時具備 爆炸點火所需能量 ；空氣或氧氣 ；可燃氣體（粉塵）。危險區(qū)域的分類 1、氣體危險區(qū)域分類 0區(qū)（Zone 0）：易爆氣體始終或長時間存在（連續(xù)地存在危險性大于1000小時/每年的區(qū)域（國際電工委員會 ） 1區(qū)（Zone 1）：易燃氣體在儀表的正常工作過程中有

2、可能發(fā)生或存在（斷續(xù)地存在危險性101000小時/每年的區(qū)域 ） 2區(qū)（Zone 2）： 一般情形下，不存在易燃氣體且即使偶爾發(fā)生，基存在時間亦很短（事故狀態(tài)下存在的危險性0.110小時/每年的區(qū)域） 危險區(qū)域的分類 2、粉塵危險區(qū)域的分類 20區(qū)（Zone 20）：易爆粉塵始終或長時間存在 21區(qū)（Zone 21）：易燃粉塵在儀表的正常工作過程中有可能發(fā)生或存在 22區(qū)（Zone 22）： 一般情形下，不存在易燃粉塵且即使偶爾發(fā)生，基存在時間亦很短防爆標志 防爆電氣設備的防爆標志內(nèi)容包括：防爆電氣設備的防爆標志內(nèi)容包括： 防爆型式防爆型式+設備類別設備類別+（氣體組別）（氣體組別）+溫度組別

3、溫度組別 例如：儀表一般為：Ex ia II C T6 電機一般為：Ex d II C T4 1. 防爆型式 防爆型式 防爆標志 防爆型式 防爆標志 隔爆型 Ex d 充砂型 Ex q 增安型 Ex e 澆封型 Ex m 正壓型 Ex p 型 Ex n 本安型 Ex ia 粉塵防爆型DIP A 本安型 Ex ib 粉塵防爆型DIP B 油浸型 Ex o 特殊性Ex s2. 設備類別 I類：煤礦井下用電氣設備； II類：除煤礦外的其他爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備。 II類隔爆型“d”和本質(zhì)安全型“i”電氣設備又分為IIA、IIB、和IIC類。 可燃性粉塵環(huán)境用電氣設備分為： A型塵密設備；B型塵密設

4、備；A型防塵設備；B型防塵設備。 3. 氣體組別 氣體組別 最大試驗安全間隙 最小點燃電流比 MESG (mm) MICR IIA MESG0.9 MICR0.8 IIB 0.9MESG0.5 0.8MICR0.45 IIC 0.5MESG 0.45MICR4. 溫度組別 爆炸性氣體混合物的引燃溫度是能被點燃的溫度極限值。 電氣設備按其最高表面溫度分為T1T6組，使得對應的T1T6組的電氣設備的最高表面溫度不能超過對應的溫度組別的允許值。溫度組別、設備表面溫度和可燃性氣體或蒸氣的引燃溫度之間的關系如下表所示。 溫度級別 設備的最高表面溫度 可燃性物質(zhì)的點燃溫度 IEC/EN /GB 3836

5、T T1 450 T 450 T2 300 450T300 T3 200 300T200 T4 135 200T135 T5 100 135T100 T6 85 100T85目前儀表所使用的防爆技術 隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質(zhì)安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m) 型等。 隔爆型電氣設備（d）：是指把能點燃爆炸性混合物的部件封閉在一個外殼內(nèi)，該外殼能承受內(nèi)部爆炸性混合物的爆炸壓力并阻止和周圍的爆炸性混合物傳爆的電氣設備。 增安型電氣設備（e）：正常運行條件下，不會產(chǎn)生點燃爆炸性混合物的火花或危險溫度，并在結構上采取措施，提高其安全程度， 以避免在正常和規(guī)定過載條件下

6、出現(xiàn)點燃現(xiàn)象的電氣設備。 無火花型電氣設備 （n）： 在正常運行條件下不產(chǎn)生電弧或火花，也不產(chǎn)生能夠點燃周圍爆炸性混合物的高溫表面或灼熱點，且一般不會發(fā)生有點燃作用的故障的電氣設備。 本質(zhì)安全型電氣設備（i）：在正常運行或在標準試驗條件下所產(chǎn)生的火花或熱效應均不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。本安電路的定義 即使線路發(fā)生短路或電火花，也不足以點燃周圍的易燃易爆氣體，這樣的電路稱為本質(zhì)安全電路，簡稱本安電路。 本質(zhì)安全電氣設備防爆基本原理 本安防爆技術的基本原理是從限制能 量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設備在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火

7、花和熱效應不致于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。本安防爆技術的特點本安防爆技術的特點 本安電氣設備結構簡單、體積小、重量輕 可帶電維護、標定和更換零件 不會因為外結構件損壞等原因降低電氣設備的安全可靠性 它是一種“弱電”技術，現(xiàn)場的應用不會引起觸電傷亡等事故的發(fā)生 是唯一可適用于0 區(qū)危險場所的防爆技術 簡單設備（如熱電阻、熱電偶等）不需特別認證即可接入本安防爆回路系統(tǒng)。 本安回路的組成 本安防爆系統(tǒng)由： 本安型現(xiàn)場設備、關聯(lián)設備及二者之間的連接電纜組成。 現(xiàn)場設備 現(xiàn)場設備主要分為簡單設備和非簡單設備： 將既不會產(chǎn)生也不會存儲超過1.2V，0.1A，25mW和20J的電氣設備認定為簡單設

8、備，主要包括簡單觸點、熱電偶、RTDs，LEDs和電阻性元件等； 非簡單設備是指可能產(chǎn)生或存儲的能量超過上述數(shù)值的電氣設備，典型產(chǎn)品有變送器、電磁閥、轉換器、接近開關等。通常國際上認證這些設備時給出它們的整體參數(shù)：Vmax最大允許電壓；Imax最大允許電流；Ci內(nèi)部電容；Li內(nèi)部電感。關聯(lián)設備 關聯(lián)設備作為限能設備能有效地保護危險場所的現(xiàn)場設備，在正常工作條件下能使系統(tǒng)完好地工作，而在故障條件下能限制到達危險場所的電壓、電流。其主要參數(shù)包括：Voc最高開路電壓；Isc最大短路電流；Ca最大外部電容；La最大外部電感。在實踐應用中關聯(lián)設備主要是指安全柵，它又分為齊納式安全柵和隔離式安全柵。 MT

9、L安全柵 P+F 安全柵外形 連接電纜 由于關聯(lián)設備與現(xiàn)場設備間的連接電纜存在分布電容和分布電感，因此其儲能勢必對本安系統(tǒng)的防爆性能造成影響。在實踐中通常將電纜按集中參數(shù)處理，其參數(shù)主要包括：Cc本安系統(tǒng)最大允許電容；Lc本安系統(tǒng)最大允許電感。本安電氣設備的安全等級本安電氣設備的安全等級 本安電氣設備及關聯(lián)設備，按其使用場所或相連場所的安全程度可分為ia和ib二個安全等級。 ia級是指在正常工作、一個計數(shù)故障和兩個計數(shù)故障情況下均不能點燃爆炸性氣體混合物。ia級的本安電氣設備可用在0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)危險場所。正常工作時，安全系數(shù)為 2.0 ；一個故障時，安全系數(shù)為 1.5 ；二個故障時，安全系數(shù)

10、為 1.0 。 注：有火花的觸點須加隔爆外殼、氣密外殼或加倍提高安全系數(shù)。 本安電氣設備的安全等級本安電氣設備的安全等級 ib級是指在正常工作和一個計數(shù)故障情況下不能點燃爆炸性氣體混合物。ib級的本安電氣設備可用在 1區(qū)、2區(qū)危險場所。 正常工作時，安全系數(shù)為2.0； 一個故障時，安全系數(shù)為1.5。正常工作時，有火花的觸點須加隔爆外殼或氣密外殼保護，并且有故障自顯示的措施，一個故障時安全系數(shù)為1.0。 齊納式安全柵齊納式安全柵 齊納式安全柵采用在電路回路中串聯(lián)快速熔斷絲、限流電阻和并聯(lián)限壓齊納二極管實現(xiàn)能量的限制，保證危險區(qū)儀表與安全區(qū)儀表信號連接時安全限能，見下圖。它采用器件非常少、體積小、

11、價格低，但也有一些致命的缺陷，使應用范圍受到較大的限制。目前采用顯下降趨勢。 齊納安全柵示意圖：使用齊納式安全柵注意點使用齊納式安全柵注意點 1、使用齊納式安全柵，工廠必須要有專門的本安接地系 統(tǒng)，本安電路的接地電阻必須小于1。 2、使用齊納式安全柵，危險區(qū)現(xiàn)場本安儀表必須為隔離型的，非隔離型的儀表不能采用。 3、使用齊納式安全柵，對供電電源電壓影響非常大，電源電壓的波動可能會使齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號的誤差或者發(fā)出錯誤電平，嚴重時會使快速保險絲燒斷而永久損壞，按規(guī)定齊納式安全柵內(nèi)部齊納管、限流電阻、保險絲整體澆封，一旦損壞無法修復。 4、使用齊納式安全柵，信號負極均要接至本安接地，

12、這樣大大降低系統(tǒng)信號抗干擾能力，影響系統(tǒng)的可靠性，特別對DCS系統(tǒng)影響尤為突出。隔離式安全柵隔離式安全柵 隔離式安全柵不但有限能功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元、信號和電源隔離單元、信號處理單元組成。其基本功能框圖見下圖。 隔離安全柵示意圖隔離式安全柵應用的優(yōu)點隔離式安全柵應用的優(yōu)點 1、 隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價格要高一 些，但是它許多優(yōu)點和特點還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向的選擇隔離式安全柵。 2、 使用隔離式安全柵，可以將危險區(qū)的現(xiàn)場回路信號和安全區(qū)回路信號有效隔離。這樣本安自控系統(tǒng)不需要本安接地系統(tǒng)，簡化了本安防爆系統(tǒng)應用時的施工。 3、使用隔離式安全

13、柵，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。 4、使用隔離式安全柵，允許現(xiàn)場儀表接地，允許現(xiàn)場儀表為非隔離型的。 5、 隔離式安全柵有許多保護功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場儀表帶電檢修，這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間。隔離式安全柵應用的優(yōu)點隔離式安全柵應用的優(yōu)點 6、隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?20mA等等。這樣給現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的應用提供了更大的方便、合理和有效。 7、當用戶同時應用DCS和ESD時，選用一進二出的安全柵，可以有效地將兩個系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。 8、回路供電隔離式安全柵既保持有

14、源隔離式安全柵的優(yōu)點，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統(tǒng)。本安電氣設備的選用原則本安電氣設備的選用原則 簡單設備簡單設備: 按照GB3836.4-2000防爆標準規(guī)定,對于電壓不超過1.2V 、電流不超過0.1A, 且其能量不超過20J或功率不超過25mW 的電氣設備可視為簡單設備,其中最常見的儀表設備有熱電偶、熱電阻、pH電極、應變片和開關等,它們的典型特點是儀表設備的內(nèi)部等效電感Li=0, 內(nèi)部等效電容Ci=0。 一般本安電氣設備一般本安電氣設備: 是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計并已被國

15、家授權的防爆檢驗機構認可的本安電氣設備。 防爆標志規(guī)定的等級是否適用于使用的危險場所的安全要求。 明確Ui、Ii、Pi、Ci 和Li認證參數(shù)。 本安電路是否接地或接地部分的本安電路是否與安全柵接口部分的電路加以有效隔離。 信號傳輸是以何種方式進行。 本安電氣設備的最低工作電壓及回路正常工作電流。安全柵的選用原則安全柵的選用原則 1、安全柵的防爆標志等級必須不低于本安電氣設備的防爆標志的等級。 2、確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安電氣設備的最低工作電壓。 3、安全柵的本安端安全參數(shù)能夠滿足本安參數(shù)防爆認證的要求。 4、根據(jù)本安電氣設備的電源極性及信號傳輸方式選擇與之相匹配的安全柵。 5、

16、避免安全柵的漏電流影響本安現(xiàn)場設備的正常工作。 6、安全柵有兩大類，一類為齊納式安全柵，另一類為隔離式安全柵。 本安系統(tǒng)現(xiàn)場布線原則本安系統(tǒng)現(xiàn)場布線原則 1、整個系統(tǒng)的接線必須按檢驗機構認可的系統(tǒng)組成。2、慎防本安回路與非本安回路混觸。3、從控制室到現(xiàn)場的本安電纜與非本安電纜分別敷設在各自的匯線槽內(nèi),中間用隔板分開,匯線槽帶蓋,以防外部機械操作損傷。4、從現(xiàn)場接線盒或匯線槽引到本安儀表的電纜敷設在鋼管內(nèi),以防機械損傷及電磁感應引起的危險。5、本安電纜和非本安電纜不公用一根金屬線管和同一個現(xiàn)場接線盒。6、連接電纜及其鋼管、端子板應有藍色標志(或纏上藍色膠帶),以便識別。(一般機柜內(nèi)本安的顏色)7

17、、齊納式安全柵的接地匯流條及接地裝置須滿足安全柵的使用說明書及國家有關電氣安全規(guī)程的要求。8、多個本安電路或關聯(lián)電路不應共用同一電纜(電纜線芯分別屏蔽者除外)或共處同一鋼管內(nèi)(用屏蔽導線除外)。 安全柵的接地分析安全柵的接地分析 齊納式安全柵不接地齊納式安全柵不接地,大電流可能引入危險區(qū)大電流可能引入危險區(qū) 齊納式安全柵如果不接地，如下圖示。若當安全區(qū)內(nèi)配電故障導致一個對地高電勢（交流220V的相線）落在安全柵上時, 齊納管只限制齊納式安全柵導線之間的電壓Uo，但無法限制任何一線對地的電勢，該電勢將可能被引入危險區(qū)，一旦現(xiàn)場儀表對地絕緣隔離不好，對地產(chǎn)生短路，立即產(chǎn)生強大的地電流，這樣的高電勢和對地電流的能量并沒有得到限制，因此，極可能產(chǎn)生火花而引起危險。 齊納式安全柵必須齊納式安全柵必須“本安接地本安接地” 若安全柵有可靠接地，如下圖示。當同樣的故障發(fā)生時，齊納管限制了對地的電勢，故障電流只能在安全區(qū)內(nèi)流過，這樣確保危險區(qū)的現(xiàn)場安全。這個接地也叫“本安接地”。 隔離式安全柵無須隔離式安全柵無須“本安接地