[導(dǎo)讀] 本文介紹安全柵的基礎(chǔ)知識,閘述了正確選用安全柵,以及安裝和在現(xiàn)場調(diào)試安全柵時的注意事項。并探討了本安回路的阻抗匹配問題。
1、 前言
安全柵是一種安裝在安全場所的本質(zhì)安全型防爆儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備,(術(shù)語:關(guān)聯(lián)設(shè)備一種安裝在安全場所,本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的相連的電氣設(shè)備)當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時,安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi),從而確?,F(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。
在原油集輸自動化系統(tǒng)中,安全柵是儀表不可或缺的關(guān)聯(lián)設(shè)備,所以對安全柵的基礎(chǔ)知識,正確選用安全柵,安裝、調(diào)試安全柵時的注意事項等問題的掌握是至關(guān)重要的。本文針對以上問題,對安全柵的基礎(chǔ)知識、選用、安裝以及調(diào)試作簡要的介紹,希望對自動化系統(tǒng)設(shè)計人員有所幫助。
2、 安全柵知識介紹
2.1 本安型安全柵
本安型安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計中,它是安裝于安全場所并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(xiàn)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,是本安系統(tǒng)的重要組成部分。
安全柵安裝于安全場所,接收來自危險區(qū)的信號,輸出安全信號到安全區(qū)或危險區(qū)。見圖。
由于安全柵被設(shè)計為介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個限制能量的接口,因此無論控制室設(shè)備處于正?;蚬收蠣顟B(tài),安全柵都能確保通過它傳送給現(xiàn)場設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。
中國國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督站是中華人民共和國地區(qū)監(jiān)督生產(chǎn)安全防爆產(chǎn)品的權(quán)威機(jī)構(gòu),對本安型安全柵產(chǎn)品有著嚴(yán)格、科學(xué)、詳細(xì)的規(guī)定,只有通過該監(jiān)督站認(rèn)證的企業(yè)及其所開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品才具備符合標(biāo)準(zhǔn)的安全性能,否則可能會給使用方的設(shè)備、人員和生產(chǎn)造成無可估量的損害。
2.2 安全柵的結(jié)構(gòu)形式
常見的安全柵結(jié)構(gòu)形式分為二大類:一類為齊納式安全柵,它是通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用,使在本安防爆系統(tǒng)中,不論現(xiàn)場本安儀表發(fā)生任何故障,都保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場(危險區(qū))的能量處于一個安全值內(nèi)(不會點燃規(guī)定的分級、分組爆炸性氣體的混合物),從而保證生產(chǎn)現(xiàn)場的安全。另一類是隔離式安全柵,它是本安回路與非本安回路之間通過光、電、磁隔離技術(shù),用變壓器耦合實現(xiàn)電源、信號輸入、信號輸出的隔離,由于信號完全浮空,增強(qiáng)了信號的抗干擾能力,提高了自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。并在本安端加類似于齊納式安全柵的快速熔斷絲和限流、限壓電路實現(xiàn)能量的限制,保證本安防爆系統(tǒng)的安全。隔離式安全柵在使用時,不特別要求在本安端接地,系統(tǒng)可以在危險區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一方接地。二者的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。
2.2.1 齊納式安全柵
齊納安全柵原理示意圖如上,它的原理簡單、電路實現(xiàn)容易,價格低廉,但因由于其自身原理的缺陷使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響,并限制了其應(yīng)用范圍,其原因如下:1、安裝位置必須有非常可靠的接地系統(tǒng),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(hù)性能,顯然這樣的要求是十分苛刻并在實際工程應(yīng)用中難以保證。2、要求來自危險區(qū)的現(xiàn)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,直接降低信號抗干擾能力,影響系統(tǒng)穩(wěn)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。
2.2.2 隔離式安全柵
隔離式安全柵原理示意圖如上,與齊納式安全相比,雖然價格略高,但其它方面的突出優(yōu)點卻為用戶應(yīng)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(tǒng)接地線路,給設(shè)計及現(xiàn)場施工帶來極大方便。
2.對危險區(qū)的儀表要求大幅度降低,現(xiàn)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(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng),從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
4.隔離式安全柵具備更強(qiáng)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(shè)備使用,并保證兩設(shè)備信號不互相干擾,同時提高所連接設(shè)備相互之間的電氣安全絕緣性能。
因此,對比齊納式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(yōu)點和更為廣泛用途,雖然其價格略高于齊納式安全柵,但從設(shè)計、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)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(xiàn)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(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用.
2.3 本安設(shè)備標(biāo)志定義
對于本安設(shè)備,常??梢钥吹竭@樣的標(biāo)志:Ex(ia)ⅡC,其中:Ex — 防爆標(biāo)志 (ia)—防爆等級 ⅡC— 氣體組別。iaIIBT4
2.3.1 防爆等級:
ia:在正常工作狀態(tài)下,1個故障或2個故障狀態(tài)下都不會點燃危險氣體,回路必須保證在兩個故障同時出現(xiàn)時仍然保證安全特性。“ia ”類電氣設(shè)備對易受干擾的元器件必須采用“三重化”設(shè)計。“ib”類電氣設(shè)備只能保證在1個故障狀態(tài)下不會點燃危險氣體。
2.3.2 氣體組別:
Ⅰ組電氣設(shè)備:用于易受甲烷影響的煤礦環(huán)境中。
Ⅱ組電氣設(shè)備:可用于除煤礦以外的爆炸危險環(huán)境中。
Ⅱ組電氣設(shè)備根據(jù)易燃性物質(zhì)的不同點燃能量進(jìn)一步細(xì)分。各子組用大寫英文子母區(qū)分,從下表中可以看出,C子組所需要的點燃能量最少,即在該組電氣設(shè)備中,C組設(shè)備具備通用性。
2.3.3 常見易燃性物質(zhì)的分組
表一:易燃性物質(zhì)的分組
典型氣體 分組標(biāo)準(zhǔn) 點燃特性
中國、IEC、歐洲 北美
甲烷 Ⅰ 易點燃
難點燃
乙炔 ⅡC A
氫氣 ⅡC B
乙烯 ⅡB C
丙烷 ⅡA D
2.3.4 爆炸性危險場所的區(qū)域劃分
在安全防爆系統(tǒng)的設(shè)計及防爆產(chǎn)品的選型中, 除了需要對爆炸性環(huán)境中存在的氣體進(jìn)行分級、分組外,還應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間對爆炸性氣體危險場所進(jìn)行區(qū)域劃分:
表二:爆炸性危險場所的區(qū)域劃分
0區(qū) 爆炸性氣體混合物連續(xù)地或長時間地存在的場所。 易點燃
難點燃
1區(qū) 爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所。
2區(qū) 爆炸性氣體混合不可能出現(xiàn),或即使出現(xiàn)也是短時間存在的場所。
3、 選用安全柵步驟
安全柵是介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個限能電路,用來把控制室供給現(xiàn)場儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險氣體的火花,又不能產(chǎn)生足以引爆危險氣體的儀表表面溫度,從而消除了引爆源。在選擇安全柵時必須考慮其型號與現(xiàn)場儀表類型相適應(yīng),還須考慮安全柵與本質(zhì)安全儀表要求相兼容及形成的本安系統(tǒng)中阻抗匹配的問題。
我國采用“回路認(rèn)證”這種方式認(rèn)證本安系統(tǒng),即根據(jù)危險環(huán)境使用儀表的聯(lián)合取證情況,選擇已與其聯(lián)合取證的安全柵,一經(jīng)聯(lián)合取證,現(xiàn)場儀表與安全柵便固定組合構(gòu)成本安系統(tǒng)。實踐中,這種方式對安全柵和現(xiàn)場儀表的選擇有很大的局限性。目前廣泛采用是進(jìn)年來逐漸形成的一種本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù),即“參量認(rèn)證”。按照“參量認(rèn)證”方式認(rèn)證的本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備需要一組安全參數(shù),包括:
Vmax— 在正常工作或故障條件下,能接受并能保持其本安性能的最高電壓。
Imax —在正常工作或故障條件下,能接受并保持其本安性能的最高電流。
Ci— 本安現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容。
Li—本安現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。
Pmaxo — 關(guān)聯(lián)設(shè)備允許輸入的最大功率。
“參量認(rèn)證”關(guān)系式為:Vmax>Voc,Imax>Isc,Pmaxi>Pmaxo,Ci+Cc結(jié)合“參量認(rèn)證”可知安全柵的選用:1)與安全柵相連的安全設(shè)備的工作電壓不得超過安全柵的最高允許電壓。否則,應(yīng)采用光電隔離等技術(shù)使之與系統(tǒng)隔離開來,或者采用隔離安全柵;2)“參量認(rèn)證”公式的Vmax,Imax,Pmaxi即為本安現(xiàn)場設(shè)備的正常參數(shù),選用時應(yīng)該逐一對比。3)“參量認(rèn)證”公式中引入Cc,Lc這兩個變量實際是引出了控制電纜的選用問題,從而限制了電纜長度。實際使用中還應(yīng)考慮阻抗匹配問題。最后的公式中,Ra安全柵阻抗,Rl電纜阻抗,安全儀表的允許負(fù)載阻抗Ro,對于輸出回路,作為安全儀表的調(diào)節(jié)器或I/O卡的輸出通道等,它們的允許負(fù)載阻抗是制造廠商提供的。對于輸入回路,作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等,它們的允許負(fù)載阻抗取決于其輸出電壓和現(xiàn)場儀表的無負(fù)載工作電壓。無論輸入還是輸出回路,選用安全柵時其阻抗?jié)M足上式即可保證回路的正常工作。