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1、1 3.1 防爆安全的基本概念 在生产现场存在各种易燃，易爆气体或蒸汽，或 者存在爆炸性粉尘，易燃纤维。它们与空气混合，具 有爆炸危险，其空间成为具有不同程度的爆炸危险场 所。 第三章 防爆安全栅 在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状 的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传 播的混和物，称为爆炸性混合物。 爆炸性物质分为3类：类：矿井甲烷；类：爆 炸性气体、蒸汽；类：爆炸性粉尘、纤维。 含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。 2 一、危险场所的划分 按国家2013年修订“爆炸危险场所电气安全规程”将爆炸 危险场所分为两类5级。 1. 第一类场所 爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合
2、形成爆炸性气体的 场所，按危险程度分为3级： 0级区域：爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时 间存在； 1级区域：爆炸性气体可能出现； 2级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。 3 2. 第二类场所 爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所 ,按危险程度分为2级： 10级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间 存在； 11级区域：仅在不正常情况下偶尔出现爆炸性混合物。 二、防爆仪表分类、分级和分组 1. 分类： 自动化仪表属于低压电气设备，在危险场所用的自动化仪表 要按电气设备防爆规程管理。规程规定防爆电气可制成隔爆 型、本安型、防爆通风充气型、防爆充油型、防爆安全型
3、和 特殊防爆型等10种结构类型。 4 自动化仪表防爆结构主要有两种： 隔爆型：标志为“d”； 本安型：标志为“i”。 隔爆型仪表结构特点： 外壳耐压（8001000）Kpa； 表壳温升低于爆炸性气体的自燃温度； 表壳结合面的缝隙宽度、深度按其容积和气体级别采取规 定的值。 本安型仪表是指正常状态和故障状态下，电路及设备产生 的火花能量和达到的温度都不会引起易爆性气体爆炸的防爆类 型。现代本安防爆概念是指整个自动化系统的防爆性能符合本 质安全防爆要求。 5 不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下 用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属 类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属
4、类设备。 对于类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各种爆炸 性混合物按最小引爆电流分为三级。 爆炸性混合物的最小引爆电流 级 别最小引爆电流（mA ） 爆炸性混合物种类 i120 甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧 化碳 70i120乙烯、乙醚、丙烯晴等 i70 氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤 气等 6 2、安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆， 把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆 炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。 安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪 表通
5、过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电 路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防 爆。 构成安全火花防爆系统的二要素： 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。 7 3. 本安自动化（安全火花）防爆系统的组成 它包括两部分：安装在危险场所（现场）的本安电路； 安装在非危险场所的非本安电路。 如图所示。为了防止非本安电路中过大能量进入危险场所的本安电路 ，两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具有本安防爆性能。 8 4. 本安防爆系统的特点 1）工作电压低，工作电流小； 正常工作电压
6、24VDC，工作电流 20mADC, 故障电压35VDC，故障电流 35mADC。 仪表所用的电阻、电感、电容参数，保证在正常或故障 状态所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物； 2）危险场所和非危险场所的电路用防爆安全栅隔离； 3）现场仪表到控制室仪表的连线不得形成大的分布电容 和电感； 9 5 . 本安型防爆仪表的标志 本安型防爆仪表的标志为“i”，按等级分为“ia”适用于0区 ，“ib”适用于1区。 标志铭牌上的防爆标志分为四段：ExABC 其中Ex:防爆仪表； A:防爆类型，例如d、ia、ib等； B:防爆类和级，例如级、A、B、C等； C:仪表外面温度级别，例如T1T6。 例如防爆仪
7、表标志铭牌上标志为ExdiaCT6，指兼有隔 爆和本安功能，可在C级T6组以下级别使用的防爆仪表。 10 3.2 防爆安全栅原理 按用途分类： 输入端用， 输出端用。 防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所 ，不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处 。这样对安全场所的仪表不作防爆要求。 防爆安全栅的结构种类很多，有电阻式安全栅、中继放 大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器 隔离式安全栅等。 基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压 、用固定电阻进行限流 。 一、齐纳式安全栅 当输入电压Vi在正常范围（24V）内时，齐纳二极管VD不导通；当
8、电压 高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二极管导通，在将 电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝FU很快 熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻R的作用是限制 流往现场的电流。 1 2 3 4 两点不足： 一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很 好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限 流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够 小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大； 二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地， 若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。 （2）由VD1VD4和F1 F2组
9、成限压电路。背靠背的齐 纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。 （1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏 压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在4 20mA范围内VT1处于饱和状态。 改进后的齐纳式安全栅 正常时VT1饱和导通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通； 过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流VT3的电流 VT1退饱和 Vce1呈现较高的电阻； v 要求 快速熔断 丝熔断时 间 0.6V VT3导通，分流 VT4退饱和 Vce4 限流 （3）调制解调电路 调制： VD13、VD14交替工作送往变 送器的DC420mA 交替通过T2原边 解调： T2
10、副边1：1耦合 复合管VT7VT10整流 - - （二）输出端安全栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调 节信号送往现场的安检通道。 电路原理基本相似。 34 信号传输通道： 来自安全侧电流输入信号调制器（将输入信号4 20mADC转换为调制交流信号调幅） 变压器T2（隔离作 用） 解调器（将调制交流信号转换为420mADC电流信 号） 限制器（限制高电压、大电流信号输出） 电气转 换器（电动阀门）（危险侧）。 能量传输通道： 24VDC电源变换器（将直流转换为交流电压） 变压 器T1（隔离和分两路）调制器的调制电压或整流滤波器（ 恢复直流电压） 解调器和限制器电源。 T1和T
11、2实现输入端（安全侧）与输出端（危险侧）之间的 电气隔离。 35 WP5000-Ex系列隔离式安全栅 外壳上贴有接线图标签。端子上贴有序号标签，并分为蓝 、黄两色，蓝色端子（本安侧） 接线通往危险区（ 现场） ， 黄色端子（非本安侧）接线通往安全区。 36 产品采用高品质的半导体器件和SMT贴片工艺，广泛适用于石油 、化工、冶金、电力等本安防爆系统。不仅可以与国内外多家仪表公司 制造的各种二、三线制变送器、二线制智能（HART）变送器、智能（ HART）电磁流量计、电气转换器、电气阀门定位器、本安电磁阀、液 位开关、NAMUR接近开关、现场总线（FF）协议本安仪表等配套使用 ，还可以与干接点开
12、关、热电偶（ J、K、T、E、B、S等） 、应变仪、 热电阻(Pt100)等简单设备配套使用。 品种全、应用广：支持HART和FF数字信号双向通信；承担对现 场仪表的供电；强大的信号变换功能：直接将Pt100热电阻信号、热电 偶、mV信号转换成420mA 或15V输出；一进二出检测端隔离式安 全栅；完全独立二路隔离式安全栅， 包括开关量输入/输出、模拟量输 入/输出隔离栅；一路模拟量输入、一路模拟量输出隔离式安全栅；报警 和量程设定功能。 37 安装注意事项： 1）安装在安全场所。 2）通往现场（危险场所）的软铜导线截面积必须大于0.5mm 。 3）连接导线的绝缘强度应大于500V。 4）隔离
13、式安全栅本安端（有蓝色标记）和非本安端电路配线，不得接 错和混淆。本安导线宜选用蓝色作为本安标记。本安导线和非本安导线 在汇线槽中应分开铺设、采用各自保护套管。隔离式安全栅的本安侧， 不允许混有其它电源， 包括其它本安电路的电源。 5）隔离式安全栅与一次仪表组成本安安全防爆系统时，必须经国家指 定的防爆检验机构检验认可。 WP5000-EX系列隔离式安全栅由国家仪器仪表防爆安全监督检验站 （NEPSI）给出的Ca、La分布参数是相对于C级（氢气级）的最大允 许值，对于B级环境可把该参数乘以3，对于A级环境可把该参数乘 以8。传输线选用不同规格的电缆时，其本身的电缆参数应予高度重视 ，不得超过规
14、定值。 38 6）对隔离式安全栅进行单独通电调试时，必须注意隔离式安全栅 的型号、电源极性、电压等级及隔离式安全栅外壳接线端上的标号。 7）严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘性。若要检查 系统线路绝缘性时，应先断开全部隔离式安全栅接线，否则会引起内 部快速熔断器熔断。 8）凡与隔离式安全栅相连接的现场仪表，均应为有关防爆部门进 行防爆试验并取得防爆合格证的仪表，和WP5000-EX安全栅联合取证 。 9）如隔离式安全栅内部模块损坏需要更换时，需会同制造厂共同 修理，经检修后方能重新投入运行。 10） 隔离式安全栅的安装、使用和维护应严格遵照中华人民共和 国爆炸危险场所电气安全规程的有关条款。 39 40 41 42 43 44 隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下优点： 1）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地方接地 ，使用方便，通用性强； 2）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均可通过 变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，使安全栅 的工作更加安全可靠； 3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号的 抗干扰能力，提高了控制
