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(jí)安全教育中提到了我廠的特點(diǎn)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(dāng)電路由于某種原因，產(chǎn)生放電時(shí)，會(huì)有電火花，發(fā)熱、發(fā)光的現(xiàn)象。 如果周圍有危險(xiǎn)氣體、且在爆炸極限之內(nèi)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生爆炸和燃燒？ 這里我們探究?jī)x表如何做到防爆的。防爆的概念 引起爆炸的三個(gè)必要條件，三個(gè)條件同時(shí)具備 爆炸點(diǎn)火所需能量 ；空氣或氧氣 ；可燃?xì)怏w（粉塵）。危險(xiǎn)區(qū)域的分類 1、氣體危險(xiǎn)區(qū)域分類 0區(qū)（Zone 0）：易爆氣體始終或長(zhǎng)時(shí)間存在（連續(xù)地存在危險(xiǎn)性大于1000小時(shí)/每年的區(qū)域（國(guó)際電工委員會(huì) ） 1區(qū)（Zone 1）：易燃?xì)怏w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(xiǎn)性101000小時(shí)/每年的區(qū)域 ） 2區(qū)（Zone 2）： 一般情形下，不存在易燃?xì)怏w且即使偶爾發(fā)生，基存在時(shí)間亦很短（事故狀態(tài)下存在的危險(xiǎn)性0.110小時(shí)/每年的區(qū)域） 危險(xiǎn)區(qū)域的分類 2、粉塵危險(xiǎn)區(qū)域的分類 20區(qū)（Zone 20）：易爆粉塵始終或長(zhǎng)時(shí)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(shí)間亦很短防爆標(biāo)志 防爆電氣設(shè)備的防爆標(biāo)志內(nèi)容包括：防爆電氣設(shè)備的防爆標(biāo)志內(nèi)容包括： 防爆型式防爆型式+設(shè)備類別設(shè)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(jī)一般為：Ex d II C T4 1. 防爆型式 防爆型式 防爆標(biāo)志 防爆型式 防爆標(biāo)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(shè)備類別 I類：煤礦井下用電氣設(shè)備； II類：除煤礦外的其他爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備。 II類隔爆型“d”和本質(zhì)安全型“i”電氣設(shè)備又分為IIA、IIB、和IIC類。 可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備分為： A型塵密設(shè)備；B型塵密設(shè)

4、備；A型防塵設(shè)備；B型防塵設(shè)備。 3. 氣體組別 氣體組別 最大試驗(yàn)安全間隙 最小點(diǎn)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(diǎn)燃的溫度極限值。 電氣設(shè)備按其最高表面溫度分為T1T6組，使得對(duì)應(yīng)的T1T6組的電氣設(shè)備的最高表面溫度不能超過對(duì)應(yīng)的溫度組別的允許值。溫度組別、設(shè)備表面溫度和可燃性氣體或蒸氣的引燃溫度之間的關(guān)系如下表所示。 溫度級(jí)別 設(shè)備的最高表面溫度 可燃性物質(zhì)的點(diǎn)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(shù) 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(shè)備（d）：是指把能點(diǎn)燃爆炸性混合物的部件封閉在一個(gè)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(shè)備。 增安型電氣設(shè)備（e）：正常運(yùn)行條件下，不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)燃爆炸性混合物的火花或危險(xiǎn)溫度，并在結(jié)構(gòu)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(diǎn)燃現(xiàn)象的電氣設(shè)備。 無火花型電氣設(shè)備 （n）： 在正常運(yùn)行條件下不產(chǎn)生電弧或火花，也不產(chǎn)生能夠點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的高溫表面或灼熱點(diǎn)，且一般不會(huì)發(fā)生有點(diǎn)燃作用的故障的電氣設(shè)備。 本質(zhì)安全型電氣設(shè)備（i）：在正常運(yùn)行或在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下所產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)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(diǎn)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(jiǎn)稱本安電路。 本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理 本安防爆技術(shù)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(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)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(yīng)不致于引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。本安防爆技術(shù)的特點(diǎn)本安防爆技術(shù)的特點(diǎn) 本安電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕 可帶電維護(hù)、標(biāo)定和更換零件 不會(huì)因?yàn)橥饨Y(jié)構(gòu)件損壞等原因降低電氣設(shè)備的安全可靠性 它是一種“弱電”技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用不會(huì)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(xiǎn)場(chǎng)所的防爆技術(shù) 簡(jiǎn)單設(shè)備（如熱電阻、熱電偶等）不需特別認(rèn)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(chǎng)設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備及二者之間的連接電纜組成。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要分為簡(jiǎn)單設(shè)備和非簡(jiǎn)單設(shè)備： 將既不會(huì)產(chǎn)生也不會(huì)存儲(chǔ)超過1.2V，0.1A，25mW和20J的電氣設(shè)備認(rèn)定為簡(jiǎn)單設(shè)

8、備，主要包括簡(jiǎn)單觸點(diǎn)、熱電偶、RTDs，LEDs和電阻性元件等； 非簡(jiǎn)單設(shè)備是指可能產(chǎn)生或存儲(chǔ)的能量超過上述數(shù)值的電氣設(shè)備，典型產(chǎn)品有變送器、電磁閥、轉(zhuǎn)換器、接近開關(guān)等。通常國(guó)際上認(rèn)證這些設(shè)備時(shí)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(guān)聯(lián)設(shè)備 關(guān)聯(lián)設(shè)備作為限能設(shè)備能有效地保護(hù)危險(xiǎn)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(dá)危險(xiǎn)場(chǎng)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(shí)踐應(yīng)用中關(guān)聯(lián)設(shè)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(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的連接電纜存在分布電容和分布電感，因此其儲(chǔ)能勢(shì)必對(duì)本安系統(tǒng)的防爆性能造成影響。在實(shí)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(shè)備的安全等級(jí)本安電氣設(shè)備的安全等級(jí) 本安電氣設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)備，按其使用場(chǎng)所或相連場(chǎng)所的安全程度可分為ia和ib二個(gè)安全等級(jí)。 ia級(jí)是指在正常工作、一個(gè)計(jì)數(shù)故障和兩個(gè)計(jì)數(shù)故障情況下均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。ia級(jí)的本安電氣設(shè)備可用在0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。正常工作時(shí)，安全系數(shù)為 2.0 ；一個(gè)故障時(shí)，安全系數(shù)為 1.5 ；二個(gè)故障時(shí)，安全系數(shù)

10、為 1.0 。 注：有火花的觸點(diǎn)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(shè)備的安全等級(jí)本安電氣設(shè)備的安全等級(jí) ib級(jí)是指在正常工作和一個(gè)計(jì)數(shù)故障情況下不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。ib級(jí)的本安電氣設(shè)備可用在 1區(qū)、2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。 正常工作時(shí)，安全系數(shù)為2.0； 一個(gè)故障時(shí)，安全系數(shù)為1.5。正常工作時(shí)，有火花的觸點(diǎn)須加隔爆外殼或氣密外殼保護(hù)，并且有故障自顯示的措施，一個(gè)故障時(shí)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(shí)現(xiàn)能量的限制，保證危險(xiǎn)區(qū)儀表與安全區(qū)儀表信號(hào)連接時(shí)安全限能，見下圖。它采用器件非常少、體積小、

11、價(jià)格低，但也有一些致命的缺陷，使應(yīng)用范圍受到較大的限制。目前采用顯下降趨勢(shì)。 齊納安全柵示意圖：使用齊納式安全柵注意點(diǎn)使用齊納式安全柵注意點(diǎn) 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(xiǎn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)供電電源電壓影響非常大，電源電壓的波動(dòng)可能會(huì)使齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號(hào)的誤差或者發(fā)出錯(cuò)誤電平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使快速保險(xiǎn)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(xiǎn)絲整體澆封，一旦損壞無法修復(fù)。 4、使用齊納式安全柵，信號(hào)負(fù)極均要接至本安接地，

12、這樣大大降低系統(tǒng)信號(hào)抗干擾能力，影響系統(tǒng)的可靠性，特別對(duì)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(hào)和電源隔離單元、信號(hào)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(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)隔離式安全柵應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn) 1、 隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價(jià)格要高一 些，但是它許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)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(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)回路信號(hào)和安全區(qū)回路信號(hào)有效隔離。這樣本安自控系統(tǒng)不需要本安接地系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了本安防爆系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的施工。 3、使用隔離式安全

13、柵，大大增強(qiáng)了檢測(cè)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(chǎng)儀表接地，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表為非隔離型的。 5、 隔離式安全柵有許多保護(hù)功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表帶電檢修，這樣可縮短工程開車準(zhǔn)備時(shí)間和減少停車時(shí)間。隔離式安全柵應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)隔離式安全柵應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn) 6、隔離式安全柵有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力。如開關(guān)量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?20mA等等。這樣給現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更大的方便、合理和有效。 7、當(dāng)用戶同時(shí)應(yīng)用DCS和ESD時(shí)，選用一進(jìn)二出的安全柵，可以有效地將兩個(gè)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(diǎn)，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(shè)備的選用原則本安電氣設(shè)備的選用原則 簡(jiǎn)單設(shè)備簡(jiǎn)單設(shè)備: 按照GB3836.4-2000防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)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(shè)備可視為簡(jiǎn)單設(shè)備,其中最常見的儀表設(shè)備有熱電偶、熱電阻、pH電極、應(yīng)變片和開關(guān)等,它們的典型特點(diǎn)是儀表設(shè)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(shè)備一般本安電氣設(shè)備: 是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設(shè)計(jì)并已被國(guó)

15、家授權(quán)的防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的本安電氣設(shè)備。 防爆標(biāo)志規(guī)定的等級(jí)是否適用于使用的危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全要求。 明確Ui、Ii、Pi、Ci 和Li認(rèn)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(hào)傳輸是以何種方式進(jìn)行。 本安電氣設(shè)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(biāo)志等級(jí)必須不低于本安電氣設(shè)備的防爆標(biāo)志的等級(jí)。 2、確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安電氣設(shè)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(rèn)證的要求。 4、根據(jù)本安電氣設(shè)備的電源極性及信號(hào)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(chǎng)設(shè)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(chǎng)布線原則本安系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線原則 1、整個(gè)系統(tǒng)的接線必須按檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)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(chǎng)的本安電纜與非本安電纜分別敷設(shè)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(jī)械操作損傷。4、從現(xiàn)場(chǎng)接線盒或匯線槽引到本安儀表的電纜敷設(shè)在鋼管內(nèi),以防機(jī)械損傷及電磁感應(yīng)引起的危險(xiǎn)。5、本安電纜和非本安電纜不公用一根金屬線管和同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接線盒。6、連接電纜及其鋼管、端子板應(yīng)有藍(lán)色標(biāo)志(或纏上藍(lán)色膠帶),以便識(shí)別。(一般機(jī)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(guó)家有關(guān)電氣安全規(guī)程的要求。8、多個(gè)本安電路或關(guān)聯(lián)電路不應(yīng)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(dǎo)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(xiǎn)區(qū)大電流可能引入危險(xiǎn)區(qū) 齊納式安全柵如果不接地，如下圖示。若當(dāng)安全區(qū)內(nèi)配電故障導(dǎo)致一個(gè)對(duì)地高電勢(shì)（交流220V的相線）落在安全柵上時(shí), 齊納管只限制齊納式安全柵導(dǎo)線之間的電壓Uo，但無法限制任何一線對(duì)地的電勢(shì)，該電勢(shì)將可能被引入危險(xiǎn)區(qū)，一旦現(xiàn)場(chǎng)儀表對(duì)地絕緣隔離不好，對(duì)地產(chǎn)生短路，立即產(chǎn)生強(qiáng)大的地電流，這樣的高電勢(shì)和對(duì)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(xiǎn)。 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(dāng)同樣的故障發(fā)生時(shí)，齊納管限制了對(duì)地的電勢(shì)，故障電流只能在安全區(qū)內(nèi)流過，這樣確保危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)安全。這個(gè)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